Kok bisa gelombang cahaya dan suara 40 Hz

Pewarnaan cerah menyoroti interneuron pengekspres VIP di bagian koronal otak tikus ini. Neuron dapat membantu mengarahkan pembersihan amiloid secara glimfatik melalui pelepasan peptida. Kredit: Laboratorium Tsai/MIT Picower Institute

Menurut penelitian terbaru, mengaktifkan gelombang otak tertentu menggunakan terapi cahaya dan suara meningkatkan pelepasan peptida dari interneuron dan mendorong pembuangan protein terkait Alzheimer melalui sistem glimfatik otak.

Penelitian dari MIT dan institusi lain semakin menunjukkan bahwa kilatan cahaya dan suara klik pada frekuensi ritme otak gamma 40 Hz dapat memperlambat perkembangan penyakit Alzheimer (AD) dan meringankan gejala baik pada sukarelawan manusia maupun tikus laboratorium.

Dalam sebuah studi baru di Alam Dengan menggunakan model penyakit pada tikus, para ilmuwan dari The Picower Institute for Learning and Memory of MIT mengungkapkan mekanisme kunci yang mungkin berkontribusi terhadap efek menguntungkan ini: pembersihan protein amiloid, ciri khas patologi AD, melalui sistem glymphatic otak. menemukan jaringan “instalasi” yang sejajar dengan pembuluh darah otak.

“Sejak kami mempublikasikan hasil pertama kami pada tahun 2016, orang-orang bertanya kepada saya bagaimana cara kerjanya? Mengapa 40Hz? Mengapa bukan frekuensi lain?” kata penulis utama studi Li-Huei Tsai, Profesor Neurosains Picower dan direktur The Picower Institute dan Aging Brain Initiative di MIT. “Ini adalah pertanyaan-pertanyaan yang sangat penting yang telah kami upayakan dengan sangat keras untuk menjawabnya dalam laboratorium.”

Makalah baru ini menjelaskan serangkaian eksperimen yang dilakukan oleh Mitch Murdock ketika dia menjadi mahasiswa PhD di bidang Ilmu Otak dan Kognitif di MIT, menunjukkan bahwa ketika stimulasi gamma sensorik meningkatkan output 40 Hz dan sinkronisasi di otak tikus, hal itu memicu jenis gangguan tertentu. neuron untuk melepaskan peptida. Hasil penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa sinyal protein pendek ini kemudian mengarahkan proses spesifik yang mendorong peningkatan pembersihan amiloid melalui sistem glimfatik.

“Kami belum memiliki peta linier mengenai urutan pasti kejadian yang akan terjadi,” kata Murdock, yang diawasi oleh Tsai dan rekan penulis serta kolaborator Ed Boyden, Profesor Neuroteknologi Y. Eva Tan di MIT. , anggota McGovern Institute for Brain Research dan anggota asosiasi The Picower Institute. “Tetapi temuan dalam percobaan kami mendukung jalur pembersihan melalui jalur glimfatik utama.”

Dari gamma hingga glimfatik

Karena penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa sistem glimfatik adalah saluran utama untuk menghilangkan limbah otak dan dapat diatur oleh ritme otak, tim Tsai dan Murdock berhipotesis bahwa ini mungkin membantu menjelaskan pengamatan laboratorium sebelumnya bahwa stimulasi sensorik gamma mengurangi kadar amiloid pada tikus dengan Alzheimer. penyakit . .

Bekerja dengan tikus “5XFAD” yang secara genetis memodelkan penyakit Alzheimer, Murdock dan rekan penulisnya untuk pertama kalinya mereplikasi hasil laboratorium sebelumnya bahwa stimulasi sensorik 40Hz meningkatkan aktivitas saraf 40Hz di otak dan mengurangi kadar amiloid. Mereka kemudian mengukur apakah ada perubahan yang berkorelasi pada cairan yang mengalir melalui sistem glimfatik dan membawa limbah. Faktanya, mereka mengukur peningkatan cairan serebrospinal di jaringan otak tikus yang diobati dengan stimulasi gamma sensorik dibandingkan dengan kontrol yang tidak diobati. Mereka juga mengukur peningkatan laju cairan interstisial yang meninggalkan otak. Selain itu, pada tikus yang diobati dengan radiasi gamma, ia mengukur peningkatan diameter pembuluh limfatik yang mengalirkan cairan, dan ia mengukur peningkatan akumulasi amiloid di kelenjar getah bening leher, tempat drainase aliran ini.

Tur video yang menyoroti makalah baru oleh Murdock et. Al. dari Institut Pembelajaran dan Memori Picower. Kredit: Institut Pembelajaran dan Memori Picower di MIT

Untuk mengetahui bagaimana peningkatan aliran cairan ini dapat terjadi, tim berfokus pada saluran air sel astrosit aquaporin 4 (AQP4), yang memungkinkan sel memfasilitasi pertukaran cairan glimfatik. Ketika mereka memblokir fungsi APQ4 dengan bahan kimia yang mencegah stimulasi gamma sensorik mengurangi kadar amiloid dan mencegahnya meningkatkan pembelajaran dan memori pada tikus. Dan ketika, sebagai tes lainnya, mereka menggunakan teknik genetik untuk mengganggu AQP4, yang juga mengganggu pembersihan amiloid yang dipicu oleh gamma.

Selain pertukaran cairan yang didorong oleh aktivitas APQ4 pada astrosit, mekanisme lain gelombang gamma meningkatkan aliran glimfatik adalah dengan meningkatkan pulsatilitas pembuluh darah yang berdekatan. Beberapa pengukuran menunjukkan pulsatilitas arteri yang lebih kuat pada tikus yang diberi stimulasi gamma sensorik dibandingkan dengan kontrol yang tidak diobati.

Salah satu teknik baru terbaik untuk melihat bagaimana kondisi seperti stimulasi gamma sensorik memengaruhi berbagai jenis sel adalah dengan mengurutkan RNA sel untuk melacak perubahan dalam cara sel mengekspresikan gen. Dengan menggunakan metode ini, tim Tsai dan Murdock melihat bahwa stimulasi sensorik gamma memang mendorong perubahan yang konsisten dengan peningkatan aktivitas astrosit AQP4.

Didorong oleh peptida

Data pengurutan RNA juga mengungkapkan bahwa setelah stimulasi sensorik gamma, subset neuron, yang disebut “interneuron”, mengalami peningkatan luar biasa dalam produksi beberapa peptida. Hal ini tidak mengejutkan dalam arti bahwa pelepasan peptida diketahui bergantung pada frekuensi ritme otak, namun hal ini patut dicatat karena satu peptida khususnya, VIP, telah dikaitkan dengan manfaat dalam melawan penyakit Alzheimer dan membantu mengatur sel pembuluh darah, aliran darah dan pembersihan glimfatik.

Memanfaatkan hasil yang menarik ini, tim melakukan tes yang mengungkapkan peningkatan VIP pada otak tikus yang diobati dengan radiasi gamma. Para peneliti juga menggunakan sensor pelepasan peptida dan mengamati bahwa stimulasi gamma sensorik menyebabkan peningkatan pelepasan peptida dari interneuron pengekspres VIP.

Tetapi apakah pelepasan peptida yang distimulasi gamma ini memediasi pembersihan amiloid secara glimfatik? Untuk mengetahuinya, tim melakukan eksperimen lain: mematikan neuron VIP secara kimia. Ketika mereka melakukan hal tersebut dan kemudian memaparkan tikus pada rangsangan gamma sensorik, mereka menemukan bahwa tidak ada lagi peningkatan pulsatilitas arteri dan tidak ada lagi pembersihan amiloid yang distimulasi gamma.

“Kami pikir banyak neuropeptida yang terlibat,” kata Murdock. Tsai menambahkan bahwa arah baru yang besar bagi penelitian laboratorium ini adalah menentukan peptida atau faktor molekuler lain apa yang dapat dikontrol melalui stimulasi gamma sensorik.

Tsai dan Murdock menambahkan bahwa meskipun makalah ini berfokus pada mekanisme yang mungkin penting—pembersihan amiloid secara glimfatik—yang melaluinya stimulasi gamma sensorik membantu otak, kemungkinan besar itu bukan satu-satunya mekanisme mendasar yang penting. Efek pembersihan yang dilaporkan dalam penelitian ini muncul relatif cepat, tetapi dalam percobaan laboratorium dan uji klinis, diperlukan stimulasi gamma sensorik kronis selama berminggu-minggu atau berbulan-bulan untuk mendapatkan efek jangka panjang pada kognisi.

Namun dengan setiap studi baru, para ilmuwan belajar lebih banyak tentang bagaimana stimulasi sensorik pada ritme otak dapat membantu mengobati gangguan neurologis.

Referensi: “Stimulasi gamma multisensori meningkatkan pembersihan amiloid secara glimfatik” Mitchell H. Murdock, Cheng-Yi Yang, Na Sun, Ping-Chieh Pao, Cristina Blanco-Duque, Martin C. Kahn, TaeHyun Kim, Nicholas S. Lavoie, Matheus B . Victor, Md Rezaul Islam, Fabiola Galiana, Noelle Leary, Sidney Wang, Adele Bubnys, Emily Ma, Leyla A. Akay, Madison Snow, Yong Qian, Kitchen Lai, Michelle M. McCarthy, Nancy Kopell, Manolis Kellis, Kiryl D. Piatkevich , Edward S. Boyden dan Li-Huei Tsai, 28 Feb 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07132-6

Selain Tsai, Murdock dan Boyden, penulis makalah lainnya adalah Cheng-Yi Yang, Na Sun, Ping-Chieh Pao, Cristina Blanco-Duque, Martin C. Kahn, Nicolas S. Lavoie, Matheus B. Victor, Md. Rezaul Islam, Fabiola Galiana, Noelle Leary, Sidney Wang, Adele Bubnys, Emily Ma, Leyla A. Akay, TaeHyun Kim, Madison Snow, Yong Qian, Kitchen Lai, Michelle M. McCarthy, Nancy Kopell, Manolis Kellis, Kiryl D. Piatkevich .

Penelitian ini didukung oleh Barbara J. Weedon, Henry E. Singleton, Keluarga Hubolow, Robert A. dan Renee E. Belfer, Eduardo Eurnekian, Keluarga Ko Hahn, Yayasan Keluarga Carol dan Gene Ludwig, Yayasan Keluarga Halis, Lester A. Gimpelson, Keluarga Dolby, Jay L. dan Carroll D. Miller, Lawrence dan Debra Hilibrand, David B. Emmes, Marc Haas Foundation, Institut Pembelajaran dan Memori Picower, Yayasan JPB, dan Institut Kesehatan Nasional.