Представьте себе кухонную лампу, в которой внезапно занялся небольшой пожар. При наличии огнетушителя вы можете быстро ликвидировать возгорание. Однако, если активируется спринклерная система, она зальёт водой весь дом, превратив локальную неприятность в масштабное бедствие. Исследователи утверждают, что аналогичный сценарий разворачивается в головном мозге людей, страдающих болезнью Альцгеймера. Амилоидные бляшки — липкие белковые скопления, накапливающиеся в мозге, — выступают в роли огня, тогда как микроглия, резидентные иммунные клетки центральной нервной системы, выполняют функцию разбрызгивателей. Их изначальная цель — защита мозга, однако в итоге они способны лишь усугубить патологическую ситуацию.
Группа специалистов из Университета Кентукки впервые выявила этот разрушительный механизм и продемонстрировала способ его блокировки. В исследовании, опубликованном в журнале Alzheimer’s & Dementia, учёные под руководством Шеннон Л. Маколи, доктора философии и доцента кафедры физиологии Медицинского колледжа Великобритании, а также первого автора Николаса Дж. Константино, доктора философии и недавнего выпускника докторантуры, установили, что именно микроглия является ключевой причиной нарушений сна у животных с моделью болезни Альцгеймера.
Иммунные клетки головного мозга и потеря сна при болезни Альцгеймера
Когда исследователи применили препарат для временного уничтожения значительной части этих клеток, подопытные животные начали спать более чем на два часа дольше каждые сутки. Этот результат указывает на потенциально новую терапевтическую мишень, которую Маколи охарактеризовала как «смену парадигмы». Ранее учёные связывали нарушения сна при болезни Альцгеймера главным образом с повреждением нейронов или физическим присутствием амилоидных бляшек. Новые данные, однако, позволяют предположить, что сбой может провоцироваться гораздо более бурной иммунной реакцией, напоминающей «реакцию всего дома».
«По сути, мы показываем, что не сами по себе бляшки или дисфункциональные нейроны вызывают нарушения сна, а именно микроглия, — пояснила Маколи. — Микроглия — это иммунные клетки, которые, реагируя на бляшки, запускают сложный воспалительный каскад, словно микроглия веселится всю ночь и не даёт мозгу отдыхать».
Чтобы отделить изменения, обусловленные болезнью Альцгеймера, от изменений, связанных с нормальным старением, исследователи изучили две группы мышей. Одна группа имела генетическую предрасположенность к образованию амилоидных бляшек, тогда как другая состояла из особей «дикого типа», стареющих естественным образом. Животных наблюдали в возрасте шести месяцев, когда бляшки только появляются, и повторно — в возрасте 18 месяцев, что соответствует поздней стадии заболевания.
Команда применила несколько передовых инструментов для тщательного мониторинга сна и мозговой активности. На голове мышей было закреплено миниатюрное устройство, регистрирующее электроэнцефалографию (ЭЭГ) и электромиографию (ЭМГ). ЭЭГ фиксирует паттерны электрической активности и колебаний в нейронных сетях, создавая своеобразный электрический отпечаток мозга, а ЭМГ измеряет мышечную активность. Совместно эти методы позволяют точно определить, когда животные бодрствуют, находятся в фазе глубокого сна или сна со сновидениями.
Для локализации иммунных клеток, которые, по образному выражению Маколи, «тусовались всю ночь», учёные также использовали метод световой листовой микроскопии. Эта техника делает ткань мозга прозрачной, после чего тонкая плоскость лазерного света создаёт трёхмерные изображения мельчайших структур. Данный подход предоставил команде полную картину распределения амилоидных бляшек и иммунных клеток по всему мозгу.
Чтобы проверить, действительно ли микроглия вызывает нарушение сна, исследователи применили препарат под названием пексидартиниб (PLX3397). Этот препарат изначально разрабатывался для терапии рака и блокирует сигнальный путь, необходимый для выживания микроглии. После 14-дневного введения препарата мышам около 87% иммунных клеток мозга были временно удалены. Это позволило учёным определить, нормализуется ли сон в отсутствие этих клеток.
Команда также использовала математический метод под названием «Подходящая зависимость» и «На одной цепи», чтобы разделить электрическую активность мозга на две категории: периодическую активность и фоновый шум. Это дало возможность более точно оценить изменения, связанные с удалением микроглии и восстановлением сна.
ть (ритмические волны, которые мы обычно называем мозговыми волнами) и апериодическую активность (фоновый машинный шум).
Сравнивая автомобили, исследователи эффективно проверяли, продолжает ли двигатель мозга работать с необычно высокой скоростью, даже когда животные отдыхают.
Ранние бляшки включают дополнительный дефицит сна
Результаты Маколи назвали «умопомрачительными и неожиданными». Результаты, которые показали, что накопление бляшек и нарушение сна не были заметны вместе и не имели значения.
«Я ожидал, что по мере того, как количество бляшек станет более важным, нарушения также будут противодействовать», — сказал он. — сказал Константино. «Нарушения сна и кортикальной ЭЭГ-активности, возникшие через шесть месяцев, когда впервые механические бляшки не ухудшились к 18 месяцам, несмотря на более чем удвоенное количество бляшек».
Команда разработала этот шаблон как эффект потолка. Несмотря на то, что уровень бляшек увеличился более чем вдвое, количество потерянного сна осталось примерно таким же.
Этот результат предполагает, что первых волн иммунной активности, вызванной ранними бляшками, может быть достаточно, чтобы выявить проблему со сном. Дополнительные бляшки могут не привести к пропорциональному увеличению размеров сна.
Цели для восстановления сна при мальчике Альцгеймера
В исследовании также использовались эффекты нормального старения от тех, которые связаны с патологией Альцгеймера.
Нормальное старение в первую очередь скорости сна с быстрым движением глаз (REM), стадию, связанную со сновидениями и консолидацией памяти. Напротив, амилоидная патология избирательно излучает сон с замедленным движением глаз (NREM), глубоко восстанавливающую стадию сна.
«Восстановительный сон очень важен для физического восстановления, обучения и памяти, а также для вымывания дневных токсинов», — говорит он. — сказал Маколи. «Когда пациенты с болезнью Альцгеймера добиваются этой стадии, они применяют первичный цикл очистки мозга, создающий петлю прямой связи, которая может привести к продолжительному повреждению».
Таким образом, потеря этого восстановительного периода может создать вредный цикл. Плохой сон может снизить способность мозга выводить отходы, что может обеспечить дальнейшее повреждение и еще большее нарушение сна.
Восстановлено более двух часов сна
Самый поразительный результат был получен после того, как исследователи истощили микроглию.
Мыши с патологией, связанной с болезнью Альцгеймера, стали спать более двух часов в сутки после того, как большая часть иммунных клеток их мозга была удалена. Их периоды восстановления медленного сна также стали длиннее, что дало им больше возможностей войти в здоровый сон со сновидениями, которые поддерживают новые воспоминания.
Важное замечание: улучшение произошло, даже несмотря на то, что количество амилоидных бляшек в мозге не изменилось.
Это открытие предполагает, что воспалительная реакция на бляшки может стать причиной потери сна, и лечение может проводиться отдельно от собственных бляшек.
Это также поднимает серьезный вопрос для будущих исследований: может ли восстановление этого необходимого сна у людей помочь прервать циклическую прямую связь, связанную с болезнью Альцгеймера?
Культура совместной работы в лаборатории
Открытие стало результатом исследовательской среды в лаборатории Маколи на факультете физиологии Центра старения Сандерса-Брауна. Маколи объяснил этот прогресс «прекрасным партнерством». между ней, ее учениками и другими стажерами.
«Мне нравятся люди, которые проявляют инициативу, находят свой любопытный интерес и продолжают искать ответ», — сказала она. — сказал Маколи.
Она поощряет членов своей команды становиться «рассчитанными на риск», т.е. и хранит в своем офисе цитату Уэйна Гретцки: «Вы промахиваетесь в 100% случаев, когда не наносите удары».
Константино, который недавно защищал докторскую степень в Великобритании, сказал, что эта атмосфера придала ему уверенности в том, что он может решать сложные вопросы, затрагивающие множество регионов.
«Доктор. Маколи также научил меня учитывать неопределенности и неудачи как части научного процесса». — сказал Константино. «Ни одно из наиболее интересных исследований, в которых я принимал участие, произошло потому, что наша первоначальная гипотеза была ошибочной».
Когда эксперименты столкнулись с препятствиями, Маколи назначил продолжить расследование, а не останавливаться.
"Следите за данными, задайте более точные вопросы и исследуйте, что происходит на самом деле."
Такой подход помог исследователям выйти за рамки традиционного внимания к нейронам и выяснить, может ли микроглия быть целью лечения.
Портативная ЭЭГ может помочь более обучению обнаружению
Более широкой целью исследования является разработка доступных и неинвазивных инструментов для людей, страдающих болезнью Альцгеймера. Текущие результаты определяют несколько предстоящих работ.
Исследователи определили принципы электрической активности мозга, которые, по-видимому, выделяют изменения, связанные с болезнью Альцгеймера, от нормального старения. Они полагают, что технология ЭЭГ в конечном итоге может стать «легкодоступным, доступным и долгосрочным биомаркером для Альцгеймера».
«Портативные системы ЭГГ могут позволить нам контролировать людей в их домашних условиях и надежно контролировать изменения, связанные с болезнью Альцгеймера, без предварительной необходимости в таких или инвазивных тестах», — сказал Маколи.
Такие устройства могут разрешать работу клиник по всему Кентукки проверять людей из группы риска, прежде чем требовать от них поездок на большие расстояния в большие лаборатории для более специализированного тестирования.
Успокаивание микроглины без ее удаления
Лаборатория Маколи сейчас изучает способы снижения гиперактивности микроглии без полного уничтожения клеток.
Команда уже изучает использование безопасных лекарств, в том числе лекарств от диабета метформина и противосудорожного средства стирипентола. Исследователи хотят определить, могут ли эти лекарства изменить, как обрабатывает микроглию, и снизить ее склонность к гиперактивности.
Не позволяет иммунным клеткам поддерживать работу мозга в усиленном состоянии, команда надеется восстановить здоровый сон и улучшить качество жизни на протяжении многих лет до того, как разовьется заметная потеря памяти.
«Если мы сможем нацелиться на этот процесс, это может улучшить качество жизни, внимание, когнитивные способности и спутанность сознания», — говорит он. — сказал Маколи.
Поиск эффективных решений начинается с определения источника проблемы и дополнительного инструмента для ее решения. Команда Маколи добивается прогресса на обоих фронтах.
Исследование, представленное в этой публикации, было поддержано Национальным институтом старения национальных институтов здравоохранения под номерами R01AG068330, R01AG093847 и P30AG072946, а также Национальным институтом групп мировых наук, получившим награды. Номера P30GM127211 и P20GM148326. Ответственность за содержание несут исключительно авторы, и они не обязательно отражают официальную точку зрения национальных институтов здравоохранения.
Эта работа была удержана под премией в обществе 287 236 долларов США от Фонда лечения больного Альцгеймера.
Эта работа была сохранена под наградой в обществе в 250 000 долларов США из фонда CART (монеты для фонда исследований болезни Альцгеймера).