يساعد ميكروبيوم الأمعاء على تطوير المهارات الاجتماعية في الدماغ

أظهرت ورقتان حديثتان أنه خلال فترة مبكرة حرجة من نمو الدماغ ، يساعد ميكروبيوم الأمعاء - مجموعة متنوعة من البكتيريا التي تنمو بداخله - في تشكيل نظام دماغي مهم للمهارات الاجتماعية في وقت لاحق من الحياة. وجد العلماء هذا التأثير في الأسماك ، لكن الأدلة الجزيئية والعصبية تشير بشكل معقول إلى أن بعض أشكاله يمكن أن يحدث أيضًا في الثدييات ، بما في ذلك البشر.

In ورقة نشرت في أوائل نوفمبر في علم الأحياء بلوس ، وجد الباحثون أن أسماك الزيبرا التي نشأت تفتقر إلى ميكروبيوم الأمعاء كانت أقل اجتماعية بكثير من أقرانها مع القولون المستعمر ، وعكس هيكل أدمغتهم الاختلاف. في مقالة ذات صلة in BMC الجينوم في أواخر سبتمبر, لقد وصفوا الخصائص الجزيئية للخلايا العصبية المتأثرة ببكتيريا الأمعاء. تظهر مكافئات تلك الخلايا العصبية في القوارض ، ويمكن للعلماء الآن البحث عنها في الأنواع الأخرى ، بما في ذلك البشر.

في العقود الأخيرة ، أدرك العلماء أن القناة الهضمية والدماغ لهما تأثيرات متبادلة قوية. تم ربط أنواع معينة من القرحة المعوية ، على سبيل المثال ، بتفاقم الأعراض لدى الأشخاص المصابين بمرض باركنسون. وقد عرف الأطباء منذ فترة طويلة أن اضطرابات الجهاز الهضمي أكثر شيوعًا لدى الأشخاص الذين يعانون أيضًا من اضطرابات النمو العصبي ، مثل اضطراب فرط الحركة ونقص الانتباه واضطراب طيف التوحد.

قال: "لا يقتصر تأثير الدماغ على القناة الهضمية فحسب ، بل يمكن أيضًا أن تؤثر القناة الهضمية بعمق على الدماغ". كارا مارجوليس، أخصائي أمراض الجهاز الهضمي للأطفال في لانجون هيلث بجامعة نيويورك ، والذي لم يشارك في البحث الجديد. ومع ذلك ، فإن كيفية تأثير هذه الأعضاء المنفصلة تشريحيًا على تأثيرها ، ما زال أقل وضوحًا.

فيليب واشبورنعالم الأحياء الجزيئية في جامعة أوريغون وأحد المؤلفين المشاركين الرئيسيين للدراسات الجديدة ، كان يدرس الجينات المتورطة في التوحد وتطور السلوكيات الاجتماعية لأكثر من عقدين. لكنه ومختبره كانا يبحثان عن كائن نموذجي جديد ، كائن يظهر سلوكًا اجتماعيًا ولكنه كان أسرع وأسهل في التكاثر من فئرانها. "هل يمكننا القيام بذلك في الأسماك؟" يتذكر التفكير ، ثم: "دعنا نتحدث عن الأمر كميًا حقًا ونرى ما إذا كان بإمكاننا قياس مدى صداقة الأسماك."

أسماك خالية من الجراثيم

تتكاثر أسماك الزيبرا ، التي تستخدم أيضًا على نطاق واسع في أبحاث علم الوراثة ، بسرعة وتكون اجتماعية بشكل طبيعي. بعد أن يبلغوا من العمر أسبوعين ، يبدأون في التسكع في المياه الضحلة من 12 إلى XNUMX سمكة. كما أنها شفافة حتى سن البلوغ ، مما يسمح للباحثين بمراقبة تطورها الداخلي دون الحاجة إلى تشريحها - وهو إنجاز مستحيل في نماذج الثدييات ، مثل الفئران.

بدأ الفريق بتجربة أجنة من سلالة من أسماك الحمار الوحشي "الخالية من الجراثيم" التي تمت تربيتها لتفتقر إلى ميكروبيوم الأمعاء. بعد فقس السمكة الصغيرة ، قام الباحثون على الفور بتلقيح بعضها بمزيج صحي من بكتيريا الأمعاء. لكنهم انتظروا أسبوعًا كاملاً قبل تلقيح الأسماك المتبقية ، مما أجبرهم على البدء في نموهم بلوحة بيضاء.

بدأت الأسماك التي تم تلقيحها عند الولادة في الضحلة في الموعد المحدد لها ، في عمر 15 يومًا تقريبًا. ولكن عندما حان الوقت لبدء الأسماك الخالية من الجراثيم ، "بشكل صادم ، لم يفعلوا ذلك ،" قال جوديث ايزن، عالم أعصاب في جامعة أوريغون ومؤلف مشارك للبحث الجديد. على الرغم من أن الأسماك قد تم جرعاتها بأثر رجعي بميكروبات الأمعاء ، إلا أنها لم تصل إلى نفس مراحل التطور الاجتماعي مثل أقرانها.

عندما فحص آيزن وواشبورن وفريقهم أدمغة الأسماك ، اكتشفوا اختلافات هيكلية واضحة. في الأسماك التي قضت الأسبوع الأول من حياتها بدون ميكروبيوم ، أظهرت مجموعة معينة من الخلايا العصبية في الدماغ الأمامي التي تؤثر على السلوك الاجتماعي المزيد من الترابط. كان للعنقود أيضًا عددًا أقل من الخلايا الدبقية الصغيرة ، وهي الخلايا المناعية العصبية المسؤولة عن تنظيف المخلفات في الدماغ. قال إيسن: "هذه تغييرات كبيرة وكبيرة في الجهاز العصبي". "بالنسبة لي ، هذا ضخم."

افترض الفريق أن ميكروبيوم الأمعاء الصحي يمكّن بطريقة ما الخلايا الدبقية الصغيرة من الازدهار في أدمغة أسماك الزيبرا. ثم ، خلال فترات نمو حرجة معينة ، تعمل الخلايا الدبقية الصغيرة مثل عمال الصيانة ، حيث تقوم بتقليم "الأذرع" المتفرعة بشكل كبير على الخلايا العصبية. بدون الخلايا الدبقية الصغيرة لتقليمها مرة أخرى ، أصبحت الخلايا العصبية الاجتماعية للأسماك الخالية من الجراثيم متشابكة ومتضخمة مثل العوسج غير المعالج.

ليس من الواضح كيف ترسل ميكروبات الأمعاء إشارات إلى أدمغة الأسماك النامية لإنتاج هذه التأثيرات. تطلق البكتيريا مجموعة مذهلة من المواد الكيميائية ، وأي مركب صغير بما فيه الكفاية يمكن نظريًا عبور الحاجز الدموي الدماغي. ولكن من الممكن أيضًا أن تحمل الخلايا المناعية التي تتحرك بين الأمعاء والدماغ جزيئات إشارة معها ، أو أن إشارات معينة تنتقل من القناة الهضمية على طول العصب المبهم.

العديد من الأنواع المؤنسة

قد تلعب آليات مماثلة دورًا في التطور الاجتماعي للفقاريات الأخرى ، بما في ذلك البشر. التجميع الاجتماعي هو استراتيجية بقاء شائعة في جميع أنحاء المملكة الحيوانية. قال "إنه أحد السلوكيات التي يتم الحفاظ عليها بشكل أكبر عبر التطور" ليفيا هيك مورايس، عالم الأحياء البحثي في ​​معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ولم يشارك في الدراسات الجديدة.

في الواقع ، حدد واشبورن وأيزن سابقًا خلايا عصبية اجتماعية متطابقة تقريبًا في الفئران. قال واشبورن: "إذا تمكنت من العثور على نفس أنواع الخلايا بين سمكة وفأر ، فمن المحتمل أن تجد نفس أنواع الخلايا لدى البشر".

ومع ذلك ، حذر مورايس من أنه لا أسماك الزيبرا ولا الفئران هي نظائر مثالية للبشر - أو لبعضهم البعض. قالت إن المسارات العصبية تختلف قليلاً في الأسماك والفئران. ولكل من هذه الكائنات مجموعة متميزة من ميكروبات الأمعاء ، والتي قد تطلق إشارات كيميائية مختلفة.

ومع ذلك ، يمكن أن يكون المبدأ صحيحًا بشكل عام لمجموعات متنوعة من الكائنات الحية. قال آيزن إنه من المحتمل أن المواد الكيميائية الميكروبية المختلفة لا تزال قادرة على التأثير على وفرة الخلايا الدبقية الصغيرة في أدمغة أسماك الزيبرا والفئران والبشر والحيوانات الأخرى. لكنها توافق على أنه من الخطر الخلط بين الأنواع المختلفة بشكل لا لبس فيه. وقالت إن الكائنات الحية النموذجية "ليست بالضبط نفس الأشخاص".

تعدد الميكروبيوم

في المستقبل ، يريد آيزن وواشبورن وفرقهما تحديد كيفية إرسال ميكروبات أمعاء سمكة الحمار الوحشي إشارات إلى دماغها. إنهم يريدون أيضًا تحديد المدة الزمنية الحساسة للنمو العصبي ، لمعرفة ما إذا كان التدخل المبكر في القناة الهضمية يمكن أن يعيد نمو الدماغ إلى المسار الصحيح. في النهاية ، يأملون أن يوفر هذا البحث فهماً أعمق لكيفية ظهور اضطرابات النمو العصبي لدى الناس - على الرغم من أن هذا قد يكون صعبًا.

قالت مارغوليس: "المشكلة هي أن الفرضية تحتاج إلى اختبار على البشر ، لكن هذا صعب للغاية". قد تكون الخدمات اللوجستية لتصميم تجربة سريرية لاختبار التدخلات المعوية عند الرضع البشريين صعبة لأن حالات مثل اضطراب طيف التوحد لا يتم تشخيصها عادةً حتى سن السابعة أو بعد ذلك ، ومن المحتمل بعد فترة طويلة من إغلاق النافذة الحرجة.

تختلف الميكروبيومات أيضًا بشكل كبير حتى بين الأفراد من نفس النوع. يمكن أن يكون لدى شخصين يبدوان متطابقين تقريبًا في معظم النواحي مجتمعات ميكروبية في الأمعاء تختلف بأكثر من 70٪. إن مجرد النظر إلى ميكروبيوم الشخص ليس أداة تشخيصية مفيدة لاضطرابات النمو العصبي. قالت مارغوليس: "لا يوجد ميكروبيوم واحد للتوحد".

بالنسبة إلى واشبورن ، إذا كانت هذه الفترة التنموية الحساسة موجودة لدى البشر ، فقد تجعل التدخل شبه مستحيل. قال: "لا أعتقد أننا نقترب أكثر من رصاصة سحرية". ولكن حتى القدرة على وصف تأثير القناة الهضمية على الدماغ بطريقة صغيرة تساعد في كشف لغز بشري معقد للغاية. في الوقت الحالي ، قال ، هذا يكفي.