闪烁的灯光和粉红的噪音如何消除老年痴呆症,提高记忆力和更多

2018-05-17

在任何时候,一种类型的脑电波往往占主导地位,尽管其他频带总是存在一定程度。长期以来,科学家一直在想,这种活动的嗡嗡声有什么目的,以及过去三十年来出现的一些线索。例如,在1994年,老鼠的发现表明,睡眠期间的振荡活动的不同模式反映了以前的学习练习3。科学家们认为这些波可能有助于巩固记忆。

脑波似乎也会影响有意识的认知。加利福尼亚大学伯克利分校的Randolph Helfrich和他的同事们设计了一种方法,使用称为经颅交流电刺激(tACS)的非侵入性技术来增强或减少大约40赫兹的伽玛振荡。通过调整这些振动,他们能够影响一个人是否感觉到移动点的视频是垂直或水平移动4。

这种振荡还为大脑如何从任何时候触及感官的混沌交响乐创造了连贯体验提供了一种潜在机制,这是一个被称为“束缚问题”的难题。通过同步响应相同事件的神经元的放电速率,脑电波可以确保与一个对象相关的所有相关信息恰好在恰当的时间到达大脑的正确区域。加州大学伯克利分校的认知神经科学家罗伯特奈特说,协调这些信号是感知的关键,“你不能只是祈祷他们会自我组织。”

健康的振荡

但是这些振荡在某些疾病中可能会被打乱。例如,在帕金森病中,随着身体运动受损,大脑一般开始显示运动区域的β波增加。在健康的大脑中,β波在身体运动之前就被抑制了。但在帕金森病中,神经元似乎陷入了同步的活动模式。这导致了刚性和移动困难。英国牛津大学研究帕金森病的Peter Brown说,目前治疗该病的症状 - 深脑刺激和药物左旋多巴 - 可能通过减少β波来起作用。

患有阿尔茨海默病的人显示伽玛振荡减少5。所以Tsai和其他人想知道伽玛波活动是否能够恢复,以及这是否会对疾病产生影响。

他们开始使用光遗传学,其中脑细胞被设计为直接对闪光进行响应。 2009年,Tsai的团队与当时在麻省理工学院的Christopher Moore合作,首次证明可以使用该技术驱动小鼠大脑特定部分的伽马振荡6。

蔡和她的同事后来发现,摆弄摆动引发了一系列生物事件。它启动基因表达的改变,导致大脑中的小胶质细胞 - 免疫细胞 - 改变形状1。细胞基本上进入清道夫模式,使他们能够更好地处理大脑中的有害杂质,如淀粉样蛋白-β。 Koroshetz说,与神经免疫的联系是新的和引人注目的。 “免疫细胞如小胶质细胞在大脑中的作用非常重要,知之甚少,是目前研究最热门的领域之一,”他说。

然而,如果该技术具有任何治疗相关性,蔡和她的同事们不得不寻找一种操纵脑波的微创方式。已经显示特定频率的闪光灯会影响大脑某些部位的振荡,因此研究人员转向闪光灯。他们首先将年轻小鼠暴露于淀粉样蛋白形成倾向于闪烁LED灯一小时的倾向。这导致了自由浮动的淀粉样蛋白的下降,但这是暂时的,持续不到24小时,并且限制在视觉皮层。

为了对具有淀粉样蛋白斑的动物实现更持久的效果,他们在一周内每天重复实验一小时,这次使用了其中开始形成斑块的老龄小鼠。实验结束后24小时,与对照组相比,这些动物的视觉皮层斑块减少67%。研究小组还发现,该技术减少了tau蛋白,这是阿尔茨海默病的另一个标志。

阿尔茨海默氏症斑块往往对海马有最早的负面影响,但不是视觉皮层。为了在需要的地方引发振荡,蔡和她的同事正在研究其他技术。例如,以40赫兹的噪音播放啮齿动物似乎会导致海马体中淀粉样蛋白的减少 - 也许是因为河马校园距离听觉皮层比靠近视觉皮层更近。

Tsai和她的同事麻省理工学院的神经科学家Ed Boyden现在已经在剑桥组建了一家公司Cognito Therapeutics来测试人类的类似疗法。去年,他们开始了一项安全试验,涉及12名患有阿尔茨海默病的人测试闪烁的灯光设备,戴上一副眼镜。

注意事项比比皆是。阿尔茨海默氏症的小鼠模型并不是这种疾病的完美反映,许多在啮齿动物中表现出前景的疗法在人类中失败了。 “我曾经告诉人们 - 如果你要得到老年痴呆症,首先要成为老鼠,”从2002年到2015年,马里兰州贝塞斯达美国国家精神卫生研究所的神经科学家和精神病学家托马斯·英塞尔说。

其他人也在考虑如何操纵脑波帮助阿尔茨海默病患者。 “我们认为蔡的研究非常出色,”马萨诸塞州波士顿哈佛医学院的Emiliano Santarnecchi说。他的团队已经在使用tACS来刺激大脑,他想知道它是否会比闪光频闪产生更强的效果。 “这种刺激可以比感觉刺激更具体地针对大脑区域 - 看到Tsai的结果后,我们应该在阿尔茨海默氏症患者中尝试它,这是不言而喻的。”

他的团队已经开始了一项早期临床试验,其中10名阿尔茨海默病患者每天接受tACS治疗,持续两周。第二项试验与Boyden和Tsai合作,将寻找激活的小胶质细胞和tau蛋白水平的信号。预计在年底前的两次试验都会有结果。

奈特表示,蔡的动物研究清楚地表明,震荡对细胞代谢有影响 - 但是人类看到的效果是否是另一回事。 “最终,数据会取胜,”他说。

研究也可能揭示风险。加州斯坦福大学的神经科学家多拉爱尔梅斯说,伽玛振荡是最容易诱发光敏性癫痫患者的癫痫发作类型。她回忆起一部日本漫画的着名插曲,其中闪烁着红色和蓝色的光芒,引发了一些观众的癫痫发作。 “有那么多人观看了那一集,那天有近700次额外的急诊访问。”

脑力提升

尽管如此,使用神经调节治疗神经系统疾病,而不是药物治疗,显然令人兴奋。 “有充分的证据表明,通过改变神经回路活动,我们可以改善帕金森病,慢性疼痛,强迫症和抑郁症,”Insel说。他说,这很重要,因为迄今为止,神经疾病的药物治疗缺乏特异性。 Koroshetz补充说,资助机构渴望创新,非侵入性和快速向人们转化的治疗。

博伊登说,自从出版他们的鼠标纸以来,他有大量的研究人员要求使用相同的技术来治疗其他疾病。但是有很多细节需要解决。 “我们需要弄清楚什么是操纵大脑不同部位振荡的最有效的非侵入性方式,”他说。 “也许它使用光线,但也许它是一个聪明的枕头或头带,可以用电或声音瞄准这些振动。”科学家发现的最简单的方法之一是神经反馈,它在治疗一系列病症方面取得了一些成功包括焦虑,抑郁和注意力缺陷多动症。使用这种技术的人被教导通过用EEG测量他们的脑波并以视觉或音频提示的形式获得反馈来控制他们的脑波。

伊利诺斯州芝加哥市西北大学的神经学家Phyllis Zee和她的同事们在睡觉时向健康的老年人送去了“粉红噪声”的脉冲,音频频率听起来有点像瀑布。他们特别感兴趣的是引发深度睡眠的三角洲振荡。睡眠的这个方面随着年龄而减少,并且与巩固记忆的能力下降有关。

到目前为止,她的团队已经发现,刺激增加了慢波的幅度,并且与假处理7相比,前一天晚上学到的单词对的回忆率提高了25-30%。她的团队正在进行临床试验的中途,看看长期听觉刺激是否可以帮助轻度认知障碍患者。

虽然相对安全,但这些技术确实有局限性。例如,Neurofeedback很容易学习,但它可能需要一段时间才能产生效果,而且结果往往是短暂的。在使用磁刺激或声刺激的实验中,很难准确地知道大脑的哪些部位受到了影响。 Knight说:“目前外部大脑刺激领域有点弱。他说,许多方法都是开环的,这意味着他们不会使用EEG来跟踪调制的效果。他说,闭环会更实际。一些实验,如Zee和那些涉及神经反馈的实验已经做到了。 “我认为该领域正在转向一个角落,”奈特说。 “这吸引了一些认真的研究。”

除了可能导致治疗之外,这些研究一般可以打开神经振荡领域,有助于更牢固地将它们与行为联系起来,以及大脑如何作为一个整体工作。

Shadlen表示他乐于接受振荡在人类行为和意识中起作用的观点。但现在,他仍然不相信他们直接对这些现象负责 - 指的是人们将它们归为“魔法咒语”的许多角色。他说他完全同意这些脑节律是重要大脑过程的特征,“但是要提出这样的观点:活动的同步尖峰是有意义的,突然以特定频率摆动输入,它突然将活动提升到我们的意识觉醒上?这需要更多的解释。“

无论他们的角色如何,蔡大多都想要治疗脑波并利用它们抵抗疾病。 Cognito Therapeutics刚刚获得第二次更大规模试验的批准,该试验将审视该疗法对阿尔茨海默病症状是否有任何影响。同时,Tsai的团队正致力于更多地了解下游生物效应以及如何利用非侵入性技术更好地瞄准海马。

对于蔡,这项工作是个人的。她抚养她的祖母受到痴呆的影响。 “她的困惑的脸在我心中留下了深刻的印记,”蔡说。 “这是我们一生中最大的挑战,我将尽我所能。”

Nature 555,20-22(2018)