Un nuovo studio condotto da scienziati del MIT mostra che i topi modello di Alzheimer esposti a vibrazioni di 40 Hz all’ora al giorno per diverse settimane hanno mostrato un miglioramento della salute del cervello e della funzione motoria rispetto ai controlli non trattati. La prova che la stimolazione sensoriale non invasiva dei ritmi cerebrali a frequenza gamma di 40 Hz può ridurre la patologia e i sintomi della malattia, già dimostrata con luce e suono da più gruppi di ricerca su topi e umani, ora si estende alla stimolazione tattile.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Frontiers in Aging Neuroscience.
Alzheimer: ecco come agiscono le vibrazioni a 40 Hz
Il gruppo del MIT non è il primo a dimostrare che la stimolazione tattile a frequenza gamma può influenzare l’attività cerebrale e migliorare la funzione motoria , ma sono i primi a dimostrare che la stimolazione può anche ridurre i livelli della proteina tau fosforilata, caratteristica dell’Alzheimer, impedire ai neuroni di morire o perdere le loro connessioni del circuito sinapsi e ridurre il danno al DNA neurale.
“Questo lavoro dimostra una terza modalità sensoriale che possiamo usare per aumentare la potenza gamma nel cervello”, ha detto Li-Huei Tsai, autore corrispondente dello studio, direttore del Picower Institute for Learning and Memory e dell’Aging Brain Initiative al MIT, e Picower Professor presso il Dipartimento di Cervello e Scienze Cognitive (BCS).
“Siamo molto entusiasti di vedere che la stimolazione tattile a 40 Hz avvantaggia le capacità motorie, cosa che non è stata dimostrata con le altre modalità. Sarebbe interessante vedere se la stimolazione tattile può giovare ai soggetti umani con compromissione della funzione motoria”.
In una serie di articoli iniziati nel 2016, una collaborazione guidata dal laboratorio di Tsai ha dimostrato che lo sfarfallio della luce e/o il ticchettio del suono a 40 Hz (una tecnologia chiamata GENUS per Gamma Entrainment Using Sensory stimuli), riduce i livelli di proteine beta-amiloide e tau , previene la morte dei neuroni e preserva le sinapsi e sostiene anche l’apprendimento e la memoria in una varietà di modelli murini di malattia di Alzheimer.
Più recentemente, in studi clinici pilota, il team ha dimostrato che la stimolazione luminosa e sonora a 40 Hz era sicura, aumentava con successo l’attività cerebrale e la connettività e sembrava produrre significativi benefici clinici in una piccola coorte di volontari umani con malattia di Alzheimer in fase iniziale.
Altri gruppi hanno replicato e confermato i benefici per la salute della stimolazione sensoriale a 40 Hz e una società spin-off del MIT, Cognito Therapeutics, ha avviato studi clinici di fase III sulla stimolazione luminosa e sonora come trattamento dell’Alzheimer.
Il nuovo studio ha testato se la stimolazione tattile a 40 Hz di tutto il corpo ha prodotto benefici significativi in due modelli murini comunemente usati della neurodegenerazione di Alzheimer, il topo Tau P301S, che ricapitola la patologia tau della malattia, e il topo CK-p25, che ricapitola la perdita di sinapsi e Danni al DNA osservati nelle malattie umane.
Il team ha concentrato le sue analisi in due aree del cervello: la corteccia somatosensoriale primaria (SSp), dove vengono elaborate le sensazioni tattili, e la corteccia motoria primaria (MOp), dove il cervello produce comandi di movimento per il corpo.
Per produrre la stimolazione della vibrazione, i ricercatori hanno posizionato gabbie di topo sopra altoparlanti che riproducevano un suono a 40 Hz, che ha fatto vibrare le gabbie. I topi di controllo non stimolati erano in gabbie intervallati nella stessa stanza in modo che tutti i topi sentissero lo stesso suono a 40 Hz. Le differenze misurate tra i topi stimolati e quelli di controllo sono state quindi effettuate mediante l’aggiunta della stimolazione tattile.
In primo luogo i ricercatori hanno confermato che la vibrazione a 40 Hz ha fatto la differenza nell’attività neurale nel cervello di topi sani (cioè non affetti da Alzheimer). Come misurato dall’espressione della proteina c-fos, l’attività è aumentata di due volte nella SSp e più di 3 volte nella MOp, un aumento statisticamente significativo in quest’ultimo caso.
Una volta che i ricercatori hanno saputo che la stimolazione tattile a 40 Hz poteva aumentare l’attività neurale, hanno valutato l’impatto sulla malattia nei due modelli murini. Per assicurarsi che entrambi i sessi fossero rappresentati, il team ha utilizzato topi P301S maschi e topi CK-p25 femmine.
I topi P301S stimolati per tre settimane hanno mostrato una significativa conservazione dei neuroni rispetto ai controlli non stimolati in entrambe le regioni del cervello. I topi stimolati hanno anche mostrato riduzioni significative della tau nella SSp di due misure e hanno mostrato tendenze simili nella MOp.
I topi CK-p25 hanno ricevuto sei settimane di stimolazione vibratoria. Questi topi hanno mostrato livelli più elevati di marcatori proteici sinaptici in entrambe le regioni del cervello rispetto ai topi di controllo non vibrati. Hanno anche mostrato livelli ridotti di danno al DNA.
Infine il team ha valutato le capacità motorie dei topi esposti alla vibrazione rispetto a quelli non esposti. Hanno scoperto che entrambi i modelli di topo erano in grado di rimanere su un’asta rotante molto più a lungo. I topi P301S si sono anche aggrappati a una rete metallica per un tempo significativamente più lungo rispetto ai topi di controllo, mentre i topi CK-p25 hanno mostrato una tendenza positiva, sebbene non significativa.
“L’attuale studio, insieme ai nostri studi precedenti che utilizzano GENUS visivo o uditivo, dimostra la possibilità di utilizzare la stimolazione sensoriale non invasiva come una nuova strategia terapeutica per migliorare la patologia e migliorare le prestazioni comportamentali nelle malattie neurodegenerative”, hanno concluso gli autori.
Esponendo i topi a una combinazione unica di luce e suono, i neuroscienziati del MIT hanno dimostrato di poter migliorare i disturbi cognitivi e della memoria simili a quelli osservati nei malati di Alzheimer.
Questo trattamento non invasivo, che funziona inducendo onde cerebrali note come oscillazioni gamma, ha anche ridotto notevolmente il numero di placche amiloidi trovate nel cervello di questi topi. Le placche sono state eliminate in ampie aree del cervello, comprese le aree critiche per le funzioni cognitive come l’apprendimento e la memoria.
“Quando combiniamo la stimolazione visiva e uditiva per una settimana, vediamo l’impegno della corteccia prefrontale e una drastica riduzione dell’amiloide”, afferma Li-Huei Tsai, direttore del Picower Institute for Learning and Memory del MIT e autore senior dello studio studio.
Saranno necessari ulteriori studi, afferma, per determinare se questo tipo di trattamento funzionerà nei pazienti umani. I ricercatori hanno già eseguito alcuni test preliminari sulla sicurezza di questo tipo di stimolazione in soggetti umani sani.
Lo studente laureato del MIT Anthony Martorell e lo studente laureato della Georgia Tech Abigail Paulson sono gli autori principali dello studio.
I neuroni del cervello generano segnali elettrici che si sincronizzano per formare onde cerebrali in diversi intervalli di frequenza. Precedenti studi hanno suggerito che i malati di Alzheimer hanno menomazioni delle loro oscillazioni di frequenza gamma, che vanno da 25 a 80 hertz (cicli al secondo) e si ritiene che contribuiscano alle funzioni cerebrali come l’attenzione, la percezione e la memoria.
Nel 2016, Tsai e i suoi colleghi hanno segnalato per la prima volta gli effetti benefici del ripristino delle oscillazioni gamma nel cervello dei topi che sono geneticamente predisposti a sviluppare i sintomi dell’Alzheimer. In quello studio, i ricercatori hanno utilizzato lo sfarfallio della luce a 40 hertz, erogato per un’ora al giorno.
I ricercatori hanno scoperto che questo trattamento ha ridotto i livelli di placche beta-amiloidi e un altro marcatore patogeno correlato all’Alzheimer, la proteina tau fosforilata. Il trattamento ha anche stimolato l’attività delle cellule immunitarie che eliminano i detriti note come microglia.
In quello studio, i miglioramenti generati dalla luce tremolante erano limitati alla corteccia visiva . Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno deciso di esplorare la possibilità di raggiungere altre regioni del cervello, come quelle necessarie per l’apprendimento e la memoria, utilizzando stimoli sonori.
Gli studiosi hanno scoperto che l’esposizione a un’ora di toni a 40 hertz al giorno, per sette giorni, riduce drasticamente la quantità di beta-amiloide nella corteccia uditiva (che elabora il suono) così come nell’ippocampo, un sito di memoria chiave che si trova vicino al corteccia uditiva.
“Quello che abbiamo dimostrato qui è che possiamo usare una modalità sensoriale totalmente diversa per indurre oscillazioni gamma nel cervello. E in secondo luogo, questa gamma indotta dalla stimolazione uditiva può ridurre la patologia amiloide e tau non solo nella corteccia sensoriale ma anche nel ippocampo”, afferma Tsai, che è uno dei membri fondatori dell’Aging Brain Initiative del MIT.
I ricercatori hanno anche testato l’effetto della stimolazione uditiva sulle capacità cognitive dei topi. Hanno scoperto che dopo una settimana di trattamento, i topi si sono comportati molto meglio durante la navigazione in un labirinto che richiedeva loro di ricordare punti di riferimento chiave. Erano anche in grado di riconoscere meglio gli oggetti che avevano incontrato in precedenza.
I ricercatori hanno quindi deciso di provare a combinare la stimolazione visiva e uditiva e, con loro sorpresa, hanno scoperto che questo duplice trattamento aveva un effetto ancora maggiore di uno dei due da solo. Le placche amiloidi sono state ridotte in una porzione molto più ampia del cervello, inclusa la corteccia prefrontale, dove si svolgono le funzioni cognitive superiori. Anche la risposta della microglia era molto più forte: “Queste microglia si accumulano l’una sull’altra intorno alle placche”, dice Tsai. “È molto drammatico.”
In uno studio in corso, i ricercatori stanno ora analizzando come le oscillazioni gamma influenzano specifici tipi di cellule cerebrali , nella speranza di scoprire i meccanismi molecolari alla base dei fenomeni che hanno osservato. Tsai dice che spera anche di esplorare perché la frequenza specifica che usano, 40 hertz, ha un impatto così profondo.
Il trattamento combinato visivo e uditivo è già stato testato su volontari sani, per valutarne la sicurezza, e i ricercatori stanno ora iniziando ad arruolare pazienti con Alzheimer allo stadio iniziale per studiarne i possibili effetti sulla malattia.
