Как свет помогает мозгу бороться с болезнью Альцгеймера

Световые импульсы определённой частоты уменьшают уровень патогенных белков, запускающих нейродегенеративные процессы.

Болезнь Альцгеймера, как и другие нейродегенеративные заболевания, возникает оттого, что в нейронах мозга скапливаются нерастворимые белковые комплексы, токсичные для клеток. Со временем в нервной ткани формируются характерные крупные отложения, так называемые амилоидные бляшки, состоящие из бета-амилоида – одного из патогенных альцгеймерических белков.

Если бы удалось как-то избавиться от этих нерастворимых комплексов, или хотя бы просто затормозить их появление, болезнь удалось бы усмирить. Не так давно мы писали об экспериментах сотрудников биотехнологической компании Biogen Inc., которые нашли способ уничтожать опасные белковые отложения с помощью специальных антител, которые растворяют амилоидные скопления и помогают иммунным клеткам в буквальном смысле их съесть. Вообще говоря, исследователи по всему миру давно стараются привлечь к борьбе с нейродегенеративными болезнями иммунотерапевтические методы, и, по-видимому, здесь действительно можно надеяться на некоторый успех.

Но можно пойти и другим путём – как это сделали Ли-Хуэй Цзай (Li-Huei Tsai), Эмери Браун (Emery N. Brown) и их коллеги из Массачусетского технологического института. Известно, что один из характерных признаков болезни Альцгеймера – нарушения в гамма-ритмах мозга, необходимых для памяти, внимания, восприятия; если мозг не может генерировать гамма-волны, значит, у него плохо с высшими когнитивными функциями. У мышей, которые генетически предрасположены к синдрому Альцгеймера, проблемы с гамма-ритмами возникают ещё до того, как в мозге появляются амилоидные бляшки – когда мышь пытается выучить дорогу в лабиринте, по электрической активности мозга можно заметить, что он у неё работает не совсем так, как надо.

Исследователи решили выяснить, что произойдёт, если у мышей, предрасположенных к синдрому Альцгеймера, искусственно сгенерировать правильные гамма-волны. Для этого использовали оптогенетические методы, которые позволяют включать и выключать группы генетически модифицированных нейронов с помощью световых импульсов, подаваемых в мозг по оптоволокну.

Оказалось, что если клетки гиппокампа (одного из основных центров памяти в мозге) в течение часа стимулировать на частоте 40 Гц, то уровень опасного бета-амилоида в нейронах гиппокампа уменьшается на 40–50%. Причём частота должна быть именно в 40 Гц: хотя гамма-ритмы варьируют от 25 до 80 Гц, стимуляция на других частотах в гамма-диапазоне такого эффекта на давала. Стоит также добавить, что нейробиологи действовали на определённые клетки, называемые интернейронами – считается, что они помогают синхронизировать гамма-активность в других нервных клетках.

Иными словами, если заставить нервные клетки генерировать правильные гамма-ритмы, то опасного альцгеймерического белка станет меньше, и вероятность заболевания, возможно, тоже уменьшится. Но оптогенетика – всё-таки не клинический инструмент, и, если говорить о медицинских перспективах, то тут нужен метод, который позволял бы обойтись без генетических модификаций и без введения в мозг оптоволокна или чего-то подобного.

 И тут выяснилось, что с тем же эффектом можно использовать световые импульсы. В статье в Nature авторы работы пишут, что мерцающие с частотой 40 Гц светодиоды так же помогали мозгу генерировать гамма-ритмы, в результате чего количество бета-амилоида в зрительной коре мышей с ранней стадией заболевания падало вдвое – правда, в течение суток уровень опасного белка поднимался обратно.

Похожий эксперимент провели с животными, у которых болезнь Альцгеймера продвинулась дальше, и в мозге уже начали появляться характерные бляшки. Таких мышей обрабатывали световыми импульсами по часу в день в течение недели – в результате у них не только уменьшалось количество свободно плавающего, пока ещё растворимого бета-амилоида, но и уже готовые бляшки тоже делались меньше и росли медленнее. Как известно, при болезни Альцгеймера в мозге, кроме бета-амилоидных отложений, появляются ещё и комплексы тау-белка, приобретающего патогенную форму. Так вот, с помощью световых импульсов удалось подействовать и на тау-белок – его тоже становилось меньше.

В норме мозг сам очищает себя от опасных молекул, для этого у него есть особые клетки, называемые микроглией – их задача защищать нервную ткань от возможных инфекций и своевременно убирать разнообразный мусор: остатки погибших клеток, вышедшие из строя биомолекулы и т. д.

Но при синдроме Альцгеймера микроглия работает плохо, её клетки синтезируют воспалительные сигналы и выделяют из себя разные токсичные вещества, которые не только не препятствуют болезни, но даже помогают ей. «Светотерапия» же нормализует работу микроглии, которая начинает активно поедать бета-амилоид. То есть стимуляция гамма-ритмов действует двояко: с одной стороны, нейроны производят меньше опасного белка, с другой, его активно истребляют мусороуборочные клетки.

Мы знаем, что активность различных генов в нейронах зависит от активности самих нервных клеток, и можно предположить, что принудительная работа в «гамма-режиме» включает некие молекулярные механизмы, которые помогают противостоять нейродегенеративным процессам; однако как именно это происходит, станет ясно после дополнительных исследований.

Хотелось бы надеяться, что такой до странного простой способ борьбы с синдромом Альцгеймера действительно окажется эффективным с клинической точки зрения. Однако для начала нужно сделать так, чтобы эффект от подобной терапии длился дольше – выше мы говорили, что уровень патогенного белка поднимался обратно спустя сутки после световой обработки. (Возможно, что проблему можно решить, просто увеличив длительность «лечебного курса» – чтобы нейроны и микроглия привыкли держать бета-амилоид в узде.)

С другой стороны, необходимо удостовериться, что световые импульсы тормозят развитие болезни не только в зрительной коре, но и в других участках мозга. Впрочем, авторы работы утверждают, что так оно и есть: пока что неопубликованные результаты самых последних опытов говорят о том, что очищение от альцгеймерического белка происходит и в других зонах мозга, а не только в тех, которые непосредственно воспринимают зрительную информацию.

 Ну и, наконец, нужно убедиться, что у нас при этом исчезают не только молекулярные признаки болезни, но внешние, когнитивно-поведенческие – что память, внимание и прочие высшие когнитивные функции, пусть не улучшаются, но уж точно не становятся хуже.