Hoe werkt fotobiomodulatie in het brein? Van lichtprikkel tot neuromodulatie

PBM zet het brein niet simpelweg harder aan

Een kleine lichtbron in de neus. Vier minuten later registreert een MRI-scanner reacties in verschillende hersengebieden, waaronder de thalamus, amygdala en hypothalamus.

In andere onderzoeken veranderden na één sessie ook de elektrische hersenritmes en de samenwerking tussen hersengebieden. Opvallend daarbij: licht dat pulseert op 10 Hz verhoogde niet alleen de alpha-activiteit rond 10 Hz. En een toestel dat pulseert op 40 Hz veranderde niet uitsluitend gamma.

De reactie van het brein blijkt dus veel breder en interessanter dan het eenvoudig overnemen van een aangeboden ritme.

De vijf bronnen in dit artikel bekijken PBM op verschillende niveaus: de doorbloeding van het brein, de dynamiek van het hersenvocht, de elektrische hersenritmes en de samenwerking tussen grote hersennetwerken.

Fotobiomodulatie en neuromodulatie: wat is het verschil?

Fotobiomodulatie, kortweg PBM, beschrijft de gebruikte methode: nabij-infrarood licht wordt via het hoofd, via de neus of via beide tegelijk aangebracht en lokt een biologische reactie uit.

Neuromodulatie beschrijft wat er vervolgens in het zenuwstelsel kan veranderen.

Wanneer EEG en MRI na een lichtprikkel veranderingen registreren in hersenritmes, doorbloeding of de samenwerking tussen hersengebieden, kunnen we PBM daarom ook als een vorm van neuromodulatie bekijken.

1. Via het hoofd en via de neus

Bij toepassing via het hoofd moet het licht eerst door de huid, het haar en de schedel. Een deel van het licht wordt daarbij geabsorbeerd of verstrooid.

Via de neus bestaat mogelijk een kortere route. Bovenaan de neusholte ligt de cribriforme plaat: een dun en geperforeerd stukje bot vlak onder de hersenen.

In een onderzoek met uitsluitend intranasale PBM kregen 45 gezonde jongvolwassenen licht toegediend via het rechterneusgat. Iedere meetperiode bestond uit vier minuten zonder licht, vier minuten met licht en opnieuw vier minuten zonder licht.

De MRI registreerde veranderingen in bloedtoevoer en bloedoxygenatie die samenvielen met het aan- en uitschakelen van de lichtbron. Die verschenen niet alleen dicht bij de neus, maar ook in dieper gelegen structuren zoals de thalamus, amygdala, hypothalamus en nucleus caudatus.

2. Doorbloeding en hersenvocht veranderen mee

In het Baycrest-onderzoek naar hersenvocht werden naast de doorbloeding ook MRI-signalen onderzocht die samenhangen met de dynamiek van het hersenvocht.

Hersenvocht bevindt zich rondom de hersenen en speelt onder andere een rol bij de verplaatsing van afvalstoffen. Tijdens vier minuten PBM veranderden bepaalde MRI-signalen in de gebieden waar dit vocht zich bevindt.

Een mogelijke verklaring is dat PBM de bloedvaten tijdelijk verwijdt. Omdat bloed en hersenvocht binnen de schedel dezelfde beperkte ruimte delen, kan zo’n verandering het hersenvocht in beweging brengen. De onderzoekers vergelijken dit met een mogelijk doorspoelmechanisme.

Dat is interessant voor het glymfatische systeem: het afvalverwerkingssysteem van de hersenen, waarbij hersenvocht helpt om afvalstoffen af te voeren. Daarbij wordt onder andere gekeken naar eiwitten zoals amyloïd-bèta en tau, omdat de ophoping daarvan kenmerkend is voor Alzheimer en een verstoorde afvoer ermee in verband wordt gebracht.

Opvallend was ook dat de intranasale toepassing een vergelijkbare verandering in deze MRI-signalen gaf bij een veel lagere aangebrachte energie dan de toepassing via het voorhoofd.

3. Ook de elektrische hersenritmes reageren

MRI toont vooral veranderingen in doorbloeding en de samenwerking tussen hersengebieden. EEG registreert de elektrische ritmes van het brein.

In een dubbelblind en sham-gecontroleerd onderzoek bij twintig gezonde oudere volwassenen werd het EEG vóór en na één sessie met de Vielight Neuro Gamma gemeten. De actieve sessie gebruikte nabij-infrarood licht van 810 nm, gepulseerd op 40 Hz.

Vergeleken met de shamconditie werd de actieve sessie gevolgd door:

• minder delta- en theta-activiteit;
• meer alpha-, bèta- en gamma-activiteit;
• veranderingen in verschillende maten voor de samenwerking en organisatie van het hersennetwerk.

Vielight interpreteert dit patroon als een verschuiving van tragere naar actievere hersenritmes. De studie onderzocht echter niet of de deelnemers zich alerter voelden of beter presteerden op aandachtstaken.

Het belangrijke resultaat is dat één actieve PBM-sessie, vergeleken met een shamconditie, werd gevolgd door meetbare veranderingen in de elektrische hersenactiviteit.

Dat is een duidelijke reden om PBM ook onder de brede noemer neuromodulatie te plaatsen.

4. Het brein neemt de pulsfrequentie niet zomaar over

Een tweede EEG-onderzoek met 10 Hz-PBM onderzocht 25 gezonde oudere volwassenen. Zij kregen vier verschillende condities:

• een standaardplaatsing boven vier knooppunten van het Default Mode Network;
• een alternatieve plaatsing aan de rechter zijkant en achterkant van het hoofd;
• alleen de intranasale lichtbron;
• een shamconditie.

De verschillende plaatsingen leverden verschillende EEG-patronen op.

Bij de standaardplaatsing namen theta, alpha, bèta en gamma toe. Bij de alternatieve plaatsing nam alpha toe en volgde later ook een toename van theta. Alleen de intranasale lichtbron werd dan weer gevolgd door meer bèta en gamma, vooral in de achterste EEG-kanalen. Na de shamconditie werd geen betekenisvolle verandering gevonden.

Dit is een belangrijk inzicht. Licht dat pulseert op 10 Hz zorgt er niet noodzakelijk voor dat uitsluitend de hersenactiviteit rond 10 Hz toeneemt.

Het brein werkt niet als een metronoom die het aangeboden ritme eenvoudig kopieert. De pulsfrequentie is één onderdeel van de prikkel. Ook de plaatsing van het licht en de manier waarop verschillende hersengebieden daarop reageren, spelen een rol.

De onderzoeken met 10 en 40 Hz werden afzonderlijk uitgevoerd. Ze tonen dus niet welke frequentie beter werkt of welk deel van de reactie uitsluitend door de pulsfrequentie werd veroorzaakt.

5. PBM lijkt hersennetwerken eerder te reguleren

Een gezond brein zet niet alles tegelijk harder aan. Het schakelt tussen netwerken: tijdens rust is het Default Mode Network actief, terwijl het bij een gerichte taak meer naar de achtergrond hoort te verschuiven.

De beeldvormingsonderzoeken tonen veranderingen die bij zo’n flexibele omschakeling passen:

• Bij gezonde jongvolwassenen werden hersengebieden die vooral tijdens rust actief zijn, tijdens een taak minder actief. Dit past bij een brein dat zijn activiteit aanpast aan wat op dat moment nodig is.
• In een kleine dementiepilot werden verbindingen binnen het Default Mode Network sterker en verbeterden ook cognitieve en gedragsscores.
• Na herhaalde hoofdimpacten ontstond meer samenhang binnen netwerken en minder ongewenste communicatie tussen verschillende netwerken.

PBM lijkt het brein dus niet zomaar sterker te activeren, maar de samenwerking tussen hersengebieden gerichter te organiseren. Afhankelijk van wat nodig is, kan activiteit naar de achtergrond verschuiven, kunnen verzwakte verbindingen sterker worden en kunnen netwerken duidelijker van elkaar worden afgebakend.

Wat kunnen we besluiten?

PBM is meer dan licht dat uitsluitend iets doet op de plaats waar het wordt aangebracht.

MRI en EEG laten zien dat de reactie kan samenvallen met veranderingen in doorbloeding, hersenvocht, elektrische hersenritmes en de samenwerking tussen hersengebieden.

De interessantste boodschap is daarbij niet dat PBM het hele brein actiever maakt. De onderzoeken wijzen eerder op contextafhankelijke regulatie: bepaalde activiteit neemt af wanneer een taak dat vraagt, verbindingen binnen een verzwakt netwerk kunnen sterker worden en de grenzen tussen verschillende netwerken kunnen duidelijker worden.

Dat maakt PBM interessant als vorm van neuromodulatie.

Niet omdat het brein automatisch het ritme van het licht overneemt, maar omdat een lichtprikkel meetbaar kan veranderen hoe het brein functioneert en zich als netwerk organiseert.