Sissejuhatus
Kaks hiljutist dokumenti on näidanud, et aju arengu kriitilisel varasel perioodil aitab soolestiku mikrobioom – selles kasvavate bakterite valik – kujundada ajusüsteemi, mis on hilisemas elus sotsiaalsete oskuste jaoks oluline. Teadlased leidsid selle mõju kaladel, kuid molekulaarsed ja neuroloogilised tõendid viitavad usutavalt, et selle teatud vorm võib esineda ka imetajatel, sealhulgas inimestel.
In paber avaldati novembri alguses PLOS bioloogia, teadlased leidsid, et sebrakalad, kes kasvasid üles ilma soolestiku mikrobioomita, olid palju vähem sotsiaalsed kui nende koloniseeritud käärsoolega eakaaslased ja nende aju struktuur peegeldas erinevust. sisse seotud artikkel in BMC genoomika septembri lõpus, nad kirjeldasid soolestiku bakterite poolt mõjutatud neuronite molekulaarseid omadusi. Nende neuronite ekvivalendid ilmuvad närilistel ja teadlased saavad nüüd otsida neid teistelt liikidelt, sealhulgas inimestelt.
Viimastel aastakümnetel on teadlased mõistnud, et sooltel ja ajul on vastastikku võimas mõju. Näiteks teatud tüüpi soolehaavandeid on seostatud Parkinsoni tõvega inimeste sümptomite süvenemisega. Ja arstid on juba ammu teadnud, et seedetrakti häired on tavalisemad inimestel, kellel on ka neuroloogilisi häireid, nagu ADHD ja autismispektri häire.
"Aju ei mõjuta mitte ainult soolestikku, vaid see võib ka aju põhjalikult mõjutada," ütles ta. Kara Margolis, New Yorgi ülikooli Langone Healthi laste gastroenteroloog, kes ei osalenud uues uuringus. Kuidas need anatoomiliselt eraldiseisvad elundid oma mõju avaldavad, on aga palju vähem selge.
Philip Washbourne, Oregoni ülikooli molekulaarbioloog ja üks uute uuringute peamistest kaasautoritest, on rohkem kui kaks aastakümmet uurinud autismi ja sotsiaalse käitumise arenguga seotud geene. Kuid tema ja ta labor otsisid uut mudelorganismi, mis oleks sotsiaalse käitumisega, kuid mida oleks kiirem ja lihtsam aretada kui nende hiirtel. "Kas me saame seda kalaga teha?" ta meenutab, et mõtles ja siis: "Mõtleme selle kohta tõeliselt kvantitatiivselt ja vaatame, kas saame mõõta, kui sõbralikud kalad muutuvad."
Mikroobivaba kala
Sebrakalad, mida kasutatakse laialdaselt ka geneetikauuringutes, paljunevad kiiresti ja on loomulikult sotsiaalsed. Pärast kahenädalaseks saamist hakkavad nad veetma nelja- kuni kaheteistkümnepealistes parvedes. Samuti on need läbipaistvad kuni täiskasvanueani, mis võimaldab teadlastel jälgida nende sisemist arengut ilma, et peaks neid lahkama – see on imetajate mudelite, näiteks hiirte puhul võimatu.
Meeskond hakkas katsetama embrüotega, mis pärinesid "bakterivaba" sebrakalade liinist, mis on aretatud soolestiku mikrobioomi puudumise tõttu. Pärast pisikeste kalade koorumist nakatasid teadlased mõnda neist kohe tervisliku soolebakterite seguga. Kuid nad ootasid terve nädala enne allesjäänud kalade nakatamist, sundides neid alustama oma arengut tühjalt lehelt.
Sündides nakatatud kalad hakkasid parvetama täpselt ajakava järgi, umbes 15 päeva vanuselt. Aga kui saabus aeg mikroobivabade kalade loomiseks, "šokeerival kombel nad seda ei teinud," ütles Judith Eisen, Oregoni ülikooli neuroteadlane ja uue uurimistöö kaasautor. Kuigi kaladele oli doseeritud tagasiulatuvalt soolestiku mikroobe, ei saavutanud nad samu sotsiaalse arengu verstaposte kui nende eakaaslased.
Kui Eisen, Washbourne ja nende meeskond uurisid kalade ajusid, avastasid nad ilmsed struktuursed erinevused. Kaladel, kes veetsid oma esimese elunädala ilma mikrobioomita, näitas konkreetne eesaju neuronite klaster, mis mõjutab sotsiaalset käitumist, rohkem omavahelisi seoseid. Klastris oli ka oluliselt vähem mikrogliat, neuraalseid immuunrakke, mis vastutavad detriidi puhastamise eest ajus. "Need on suured ja suured muutused närvisüsteemis," ütles Eisen. "Minu jaoks on see tohutu."
Meeskond püstitas hüpoteesi, et terve soolestiku mikrobioom võimaldab kuidagi mikroglial sebrakalade ajus õitseda. Seejärel toimivad mikrogliia teatud kriitilistel arenguperioodidel nagu hooldustöötajad, kärpides neuronite metsikult hargnevaid "käsi". Ilma mikrogliiata, mis neid tagasi lõigaks, läksid mikroobivabade kalade sotsiaalsed neuronid sassi ja kasvasid üle nagu hooldamata kalju.
Ei ole selge, kuidas soolestiku mikroobid saadavad signaale kalade arenevatele ajudele, et neid mõjusid tekitada. Bakterid vabastavad hämmastava hulga kemikaale ja iga piisavalt väike ühend võib teoreetiliselt ületada hematoentsefaalbarjääri. Kuid on ka võimalik, et soolestiku ja aju vahel liikuvad immuunrakud kannavad endaga kaasas signaalmolekule või liiguvad teatud signaalid soolestikust mööda vagusnärvi üles.
Paljud seltskondlikud liigid
Sarnased mehhanismid võivad olla mängus ka teiste selgroogsete, sealhulgas inimeste sotsiaalses arengus. Sotsiaalne rühmitamine on kogu loomariigis levinud ellujäämisstrateegia. "See on üks käitumisviisidest, mis on evolutsiooni käigus rohkem säilinud," ütles Livia Hecke Morais, California Tehnoloogiainstituudi teadusbioloog, kes ei osalenud uutes uuringutes.
Tegelikult olid Washbourne ja Eisen varem hiirtel tuvastanud peaaegu identsed sotsiaalsed neuronid. "Kui leiate samad rakutüübid kala ja hiire vahel, võite tõenäoliselt leida samad rakutüübid ka inimestel," ütles Washbourne.
Sissejuhatus
Morais hoiatas siiski, et ei sebrakalad ega hiired pole inimestele ega ka üksteisele ideaalsed analoogid. Ta ütles, et närvirajad on kaladel ja hiirtel veidi erinevad. Ja igal neist organismidest on erinev kogum soolestiku mikroobe, mis võivad vabastada erinevaid keemilisi signaale.
Sellegipoolest võib see põhimõte kehtida erinevate organismirühmade puhul. Võimalik, et erinevad mikroobsed kemikaalid võivad siiski mõjutada mikrogliia arvukust sebrakalade, hiirte, inimeste ja teiste loomade ajus, ütles Eisen. Kuid ta nõustub, et erinevate liikide ühemõtteline segamine on ohtlik. Mudelorganismid "ei ole täpselt samad, mis inimesed," ütles ta.
Mikrobioomide hulk
Tulevikus tahavad Eisen, Washbourne ja nende meeskonnad täpselt kindlaks teha, kuidas sebrakala soolestiku mikroobid saadavad signaale tema ajju. Samuti soovivad nad kindlaks teha, kui pikk on neurodearengu tundlik periood, et näha, kas varajane sekkumine soolestikku võib aju arengu õigele teele viia. Lõpuks loodavad nad, et see uuring annab sügavama arusaama sellest, kuidas inimestel tekivad neuroloogilised häired, kuigi see võib osutuda keeruliseks.
"Probleem on selles, et hüpoteesi tuleb inimestel testida," ütles Margolis, "kuid seda on väga keeruline teha." Imikute soolestiku sekkumiste testimise kliinilise uuringu kavandamise logistika oleks keeruline, sest selliseid haigusseisundeid nagu autismispektri häire diagnoositakse tavaliselt alles 7. eluaastal või hiljem, tõenäoliselt kaua pärast kriitilise akna sulgumist.
Mikrobioomid erinevad oluliselt isegi sama liigi isendite vahel. Kahel inimesel, kes tunduvad enamikus aspektides peaaegu identsed, võivad olla soolestiku mikroobide kooslused, mis erinevad rohkem kui 70%. Lihtsalt inimese mikrobioomi vaatamine ei ole neuroarenguhäirete jaoks kasulik diagnostikavahend. "Ei ole ühtegi autismi mikrobioomi," ütles Margolis.
Washbourne'i jaoks võib see tundlik arenguperiood inimestel muuta sekkumise peaaegu võimatuks. "Ma ei usu, et me võlukuulile lähemale jõuame," ütles ta. Kuid isegi soolestiku mõju ajule mõnel väikesel viisil iseloomustamine aitab lahti harutada sügavalt keeruka inimliku mõistatuse. Praeguseks, ütles ta, piisab.
