境界を超える発見は、科学研究の最大の喜びの 1 つですが、そのような飛躍は、従来の考え方を超えているため、見過ごされがちです。たとえば、脳波とミクログリアと呼ばれる脳の免疫細胞という、以前は無関係だった 2 つの研究分野を組み合わせることで、認知症を治療するための新しい発見がありました。これは重要な発見ですが、真の可能性を実現するには研究者の同意と理解が必要です。脳波の歴史がその理由を示しています。
1887年、リチャード・ケイトンは科学会議で脳波の発見を発表しました。 「脳の電流に関する私の論文を読んでください」と彼は個人的な日記に書いています。 「それは好評だったが、聴衆のほとんどには理解されていなかった。」ケイトンの脳波観察は正しかったものの、彼の考え方はあまりにも非正統的であり、他の人が真剣に受け止めることはできませんでした。このような関心の欠如に直面して、彼は研究を放棄し、その発見は何十年もの間忘れられていました.
2019 年 10 月にさかのぼります。シカゴで開催された神経科学協会の年次総会で私が組織するのを手伝った科学者の集まりで、マサチューセッツ工科大学の神経科学者による最近の研究を知っている人がいるかどうか尋ねました。ミクログリアと脳波を操作してアルツハイマー病を治療します。誰も答えませんでした。
私は理解しました：科学者は成功するために専門化する必要があります。ミクログリアを研究している生物学者は、脳波に関する論文を読まない傾向があり、脳波研究者は一般にグリア研究について知りません。これら 2 つの伝統的に別々の分野を橋渡しする研究は、注目を集めることができないかもしれません。しかし、この研究には注意が必要でした。信じられないかもしれませんが、研究者たちは、1 秒間に 40 回点滅する LED ライトを使用するだけで、アルツハイマー病の動物の脳を改善しました。この魅力的な周波数 40 ヘルツで再生された音でさえ、同様の効果がありました。
今日、脳波は神経科学研究と医学的診断の重要な部分ですが、これまで医師が脳波を操作して変性疾患を治療したことはありません.これらの振動電磁界は、大脳皮質のニューロンが情報を処理する際に電気インパルスを発射することによって生成されます。人々が同時に手を叩くと雷鳴のようにリズミカルな拍手が起こるのと同じように、何千ものニューロンが一緒に発火する複合活動が脳波を生み出します。
これらの波は、さまざまな形でさまざまな周波数で発生します。たとえば、アルファ波は 8 ～ 12 ヘルツの周波数で振動します。私たちが目を閉じて、より高い周波数の脳波活動にエネルギーを与える外部刺激をシャットアウトすると、それらは急増します. 30 ヘルツから 120 ヘルツの周波数で反響する急速に振動するガンマ波は、アルツハイマー病の研究で特に注目されています。その振動周期は、神経回路におけるシナプス シグナル伝達の 1/100 秒の時間枠によく一致するからです。脳波はニューロンの発火に影響を与える可能性があるため、情報処理において重要です。ニューロンは、ニューロンの内側と外側の電圧差が特定のトリガー ポイントに達すると、電気インパルスを発生させます。脳波の電圧振動のピークと谷は、ニューロンをトリガーポイントに近づけたり、トリガーポイントから遠ざけたりして、発火する傾向を高めたり抑制したりします.また、リズミカルな電圧の急上昇によってニューロンがグループ化され、異なる周波数の脳波に「乗る」ときにニューロンが同期して発火します。
私はすでにそれについて多くのことを知っていたので、新しい研究とその起源をよりよく理解するために、MIT の神経科学者である Li-Huei Tsai を探しました。これらの周波数の 1 つをアルツハイマー病の治療に使用するというアイデアは、興味深い観察から生まれたと彼女は言いました。 「私たち自身のデータと他のグループのデータで、アルツハイマー病のマウスモデルでは40ヘルツのリズムパワーと同期性が低下していることに気付きました」と彼女は言いました.どうやら、アルツハイマー病を患っている場合、脳はその特定の周波数で強い脳波を生成しません. 2016 年、彼女の大学院生である Hannah Iaccarino は、おそらくこれらの弱まったガンマ波のパワーを高めることが、この重度で不可逆的な認知症の治療に役立つだろうと推論しました.
ガンマ波のパワーを高めるために、チームは光遺伝学的刺激に目を向けました。これは、研究者が脳に埋め込まれた光ファイバーケーブルを介してレーザーを直接照射することで、個々のニューロンが発火する方法と時期を制御できる新しい技術です。 Tsai のチームは、アルツハイマー病のマウスの視覚野のニューロンを刺激し、40 ヘルツで刺激を発するようにしました。 2016 年に Nature に掲載された結果 、この疾患の特徴であるアミロイド斑の顕著な減少を示しました。
これらの脳波が役立つ可能性があることは良い兆候でしたが、ツァイのチームは、倫理的な懸念から、光遺伝学的アプローチがこの病気の人間には選択肢にならないことを知っていました.彼らは、脳のガンマ波活動を高める他の方法を探し始めました。 Tsai の MIT の同僚である Emery Brown は、40 ヘルツを含む特定の周波数で点滅するストロボ ライトで照らされた画面を猫に見つめさせるだけで、猫の脳内のガンマ波のパワーを高めることができることを示す古い論文を彼女に指摘しました。 「Hannah と私たちの共同研究者は、マウスでその感覚刺激を試すシステムを構築しましたが、うまくいきました」と Tsai は私に語った。その考えは、リズミカルな感覚入力がこの周波数で神経回路を「揺さぶる」ように設定するため、点滅するライトがガンマ波を発生させるというものです。これは、人がリズムに合わせて力を合わせて轍から立ち往生している車を揺さぶるときのようにです。
実際、ストロボ光はマウスに追加の効果をもたらしました。それらはアミロイド斑も一掃しました。しかし、光遺伝学的刺激や点滅光療法がどのようにそれを行うことができるかは正確には明らかではありませんでした.
Alois Alzheimer 自身からの手がかりに従って、研究者はすぐにニューロンからミクログリアに注意を向けました。 20世紀の変わり目近くにアルツハイマー病患者が顕微鏡で調べた「初老期認知症」患者から採取した脳組織の最初の記述で、彼はアミロイド斑の沈着物がこれらの免疫細胞に囲まれていることに注目しました.その後の研究で、ミクログリアがこれらの患者の脳に点在するプラークを飲み込むことが確認されました.
ツァイと同僚は、脳波をブーストした動物のこれらの免疫細胞を調べることにしました。彼らは、治療を受けたすべての動物のミクログリアのサイズが大きくなり、それらの多くがアミロイド斑を消化していることを観察しました.
これらの細胞はどのようにしてこれを行うことを知ったのでしょうか?ニューロン伝達を認識しない血流中の免疫細胞とは異なり、脳のミクログリアは脳内の電気的活動のリズムに同調しています。血流中の免疫細胞と脳内のミクログリアはどちらも病気や損傷を検出するための細胞センサーを持っていますが、ミクログリアは電気インパルスを発するニューロンも検出できます。これは、ニューロンがシナプスを介して信号を伝達するために使用するのと同じ神経伝達物質受容体を持っているためです。これにより、ミクログリアはニューラル ネットワークを流れる情報を「聞く」ことができ、それらの伝達が妨げられると、回路を修復するための行動を取ることができます。したがって、右脳波はミクログリアを駆り立てて有毒なタンパク質沈着を消費することができます.
「この [脳波とミクログリアの交点] は、私たちの研究の最も刺激的で興味深い結果の 1 つだと思います」と Tsai は私に語った。彼女のチームは昨年 Neuron で報告しました LED ストロボ ライトの点滅を 3 ～ 6 週間延長すると、マウスの脳内の有毒なプラークが一掃されるだけでなく、神経細胞の死滅が防止され、認知症によって破壊される可能性があるシナプスさえも保護されます。
チームは、他のタイプのリズミカルな感覚入力も、動かなくなった車のように神経回路を揺さぶり、ガンマ波を生成してアミロイド斑を減らすことができるかどうかを知りたがっていました. Cell の拡張スタディで 、彼らは、40ヘルツで閃光を見ると視覚野のプラークが少なくなるのと同じように、40ヘルツで音を刺激すると聴覚野のアミロイドタンパク質が減少することを報告しました.学習と記憶に重要な海馬を含む他の領域も同様に影響を受け、治療を受けたマウスは記憶テストでより良い成績を収めました。マウスを両方の刺激（脈動音と同期した光のショー）にさらすと、さらに強力な効果があり、アルツハイマー病で損なわれる高レベルの実行機能を実行する前頭前野を含む大脳皮質全体の領域でアミロイド斑が減少しました。 .
私は驚いたので、点滅する光と音を使って人間を治療する可能性について過度に興奮しないようにするために、日本の神戸大学の神経科学者である和気宏明氏に話を聞きました。 「それは素晴らしいでしょう！」彼は言った。 「この治療法は、パーキンソン病や ALS などの多くの神経変性疾患にも有効である可能性があります」と、ミクログリアも関与しています。しかし、ミクログリアと脳の振動との関連性は十分に確立されているものの、40 ヘルツの刺激がミクログリアを刺激してプラークを除去し、ニューロンを破壊から救う生物学的メカニズムは不明のままである.
蔡氏は、謎はすぐに解けるかもしれないと語った。ツァイ研究所のベテランであるアナベル・シンガーを含むジョージア工科大学の研究者チームは、2月の論文で可能性を提示しました。彼らは、正常なマウスでは、LEDライトによるガンマ刺激がミクログリアを急速に誘導してサイトカインを生成することを報告しました.それらは、脳の損傷や病気に反応する神経炎症の主要な調節因子の 1 つであり、ミクログリアは、刺激からわずか 15 ～ 60 分以内という驚くべき速さでそれらを放出しました。 「これらの効果は、免疫シグナル伝達や炎症を標的とする多くの薬で見られるよりも速いです」と Singer 氏は述べています。
サイトカインには多くの形態があり、この研究では、ミクログリアがさまざまな種類を生成するには特定の周波数が必要であることがわかりました。 「神経刺激は、免疫シグナル伝達をオンにするだけではありません」とシンガーは言いました。これらの特定のタンパク質を生成するには、特定のリズムが必要でした。 「さまざまな種類の刺激を使用して、免疫シグナル伝達を必要に応じて調整できます。」
これは、医師が使用する光と音のリズムを変えるだけで、さまざまな病気を治療できる可能性があることを意味します。さまざまな刺激が適切な脳波周波数を生成するようにニューロンを揺さぶり、近くのミクログリアに特定のタイプのサイトカインを放出させ、ミクログリアに一般的に脳を修復する方法を伝えます.
もちろん、そのような治療法が患者に利用できるようになるまでには、まだしばらく時間がかかるかもしれません。また、その場合でも副作用が出る場合があります。 「リズミカルな感覚刺激は、脳組織の多くの種類の細胞に影響を与える可能性があります」と Tsai 氏は述べています。 「それぞれがガンマ振動をどのように感知し、反応するかは不明です。」 Wake はまた、リズミカルな刺激は、多くの精神疾患や神経変性疾患でよく見られる発作を誘発する可能性があるため、リズミカルな刺激は良いことよりも害を及ぼす可能性があることを指摘しました.
それでも、潜在的なメリットは大きいです。 Tsai のチームは、患者に対するストロボ光法の評価を開始したばかりであり、この有望な研究についてより多くの研究者が知るにつれて、他の研究者が参加することは間違いありません。 (私が話したほとんどの専門家は、私が尋ねるまでこの研究を知りませんでした。)
新しい種が生態系の境界で出現するのと同じように、新しい科学は分野間の境界で栄えることができます。それを見つけるには鋭い目が必要ですが、Richard Caton が発見したように、他の人を納得させるには少し説得力が必要な場合もあります.
