Introducere
Două lucrări recente au arătat că, în timpul unei perioade critice timpurii de dezvoltare a creierului, microbiomul intestinal - sortimentul de bacterii care cresc în el - ajută la modelarea unui sistem cerebral care este important pentru abilitățile sociale mai târziu în viață. Oamenii de știință au descoperit această influență la pești, dar dovezile moleculare și neurologice sugerează în mod plauzibil că o anumită formă a acesteia ar putea apărea și la mamifere, inclusiv la oameni.
In o hartie publicat la începutul lunii noiembrie în PLOS Biologie, cercetătorii au descoperit că peștii zebră care au crescut fără microbiom intestinal au fost mult mai puțin sociali decât semenii lor cu colon colonizați, iar structura creierului lor a reflectat diferența. În un articol înrudit in BMC Genomics la sfarsitul lui septembrie, au descris caracteristicile moleculare ale neuronilor afectați de bacteriile intestinale. Echivalenți ai acelor neuroni apar la rozătoare, iar oamenii de știință îi pot căuta acum și la alte specii, inclusiv la oameni.
În ultimele decenii, oamenii de știință au ajuns să înțeleagă că intestinul și creierul au influențe reciproce puternice. Anumite tipuri de ulcere intestinale, de exemplu, au fost legate de agravarea simptomelor la persoanele cu boala Parkinson. Și clinicienii știu de mult că tulburările gastrointestinale sunt mai frecvente la persoanele care au și tulburări de neurodezvoltare, cum ar fi ADHD și tulburarea din spectrul autismului.
„Nu numai că creierul are un impact asupra intestinului, dar intestinul poate afecta profund creierul”, a spus Kara Margolis, un gastroenterolog pediatru la Universitatea Langone Health din New York, care nu a fost implicat în noua cercetare. Cu toate acestea, modul în care aceste organe separate anatomic își exercită efectele este mult mai puțin clar.
Philip Washbourne, un biolog molecular la Universitatea din Oregon și unul dintre principalii coautori ai noilor studii, a studiat genele implicate în autism și dezvoltarea comportamentelor sociale de peste două decenii. Dar el și laboratorul său căutau un nou model de organism, unul care să prezinte un comportament social, dar care să fie mai rapid și mai ușor de înmulțit decât șoarecii lor. „Putem face asta în pește?” își amintește că s-a gândit, apoi: „Hai să fim cu adevărat cantitativi și să vedem dacă putem măsura cât de prietenoși devin peștii.”
Pește fără germeni
Peștii zebră, care sunt, de asemenea, folosiți pe scară largă în cercetarea genetică, se reproduc rapid și sunt în mod natural sociali. După ce împlinesc două săptămâni, încep să stea în bancuri de patru până la 12 pești. Ele sunt, de asemenea, transparente până la vârsta adultă, ceea ce le permite cercetătorilor să-și observe dezvoltarea internă fără a fi nevoiți să le disece - o performanță care este aproape imposibilă în modelele de mamifere, cum ar fi șoarecii.
Echipa a început să experimenteze cu embrioni dintr-o linie de pești zebră „fără germeni” crescuți pentru a nu avea un microbiom intestinal. După ce peștii mici au eclozat, cercetătorii i-au inoculat imediat pe unii dintre ei cu un amestec sănătos de bacterii intestinale. Dar au așteptat o săptămână întreagă înainte de a inocula peștii rămași, forțându-i să-și înceapă dezvoltarea cu o tablă goală.
Peștii care fuseseră inoculați la naștere au început să se înmulțească la timp, la vârsta de aproximativ 15 zile. Dar când a venit timpul ca peștii fără germeni să înceapă, „în mod șocant, nu au făcut-o”, a spus Judith Eisen, neurolog la Universitatea din Oregon și co-autor al noii cercetări. Chiar dacă peștii fuseseră dozați retroactiv cu microbi intestinali, ei nu atingeau aceleași etape de dezvoltare socială ca și semenii lor.
Când Eisen, Washbourne și echipa lor au examinat creierul peștilor, au descoperit diferențe structurale evidente. La peștii care și-au petrecut prima săptămână de viață fără microbiom, un grup specific de neuroni ai creierului anterior care afectează comportamentul social a arătat mai multe interconexiuni. Grupul a avut, de asemenea, mult mai puține microglie, celulele imune neuronale responsabile pentru curățarea detritusului din creier. „Acestea sunt schimbări mari și majore ale sistemului nervos”, a spus Eisen. „Pentru mine, asta este enorm.”
Echipa a emis ipoteza că un microbiom intestinal sănătos permite cumva microglia să înflorească în creierul peștilor zebră. Apoi, în anumite perioade critice de dezvoltare, microglia acționează ca lucrători de întreținere, tăind „brațele” sălbatice ramificate pe neuroni. Fără microglia care să-i taie înapoi, neuronii sociali ai peștilor lipsiți de germeni s-au încurcat și s-au înmulțit ca un mărăcini neîngrijiți.
Modul în care microbii intestinali trimit semnale către creierul în curs de dezvoltare al peștilor pentru a produce aceste efecte nu este clar. Bacteriile eliberează o serie uluitoare de substanțe chimice și orice compus suficient de mic ar putea teoretic traversa bariera hematoencefalică. Dar este, de asemenea, posibil ca celulele imune care se deplasează între intestin și creier să poarte cu ele molecule semnal sau ca anumite semnale să circule din intestin de-a lungul nervului vag.
Multe specii sociabile
Mecanisme similare pot fi în joc în dezvoltarea socială a altor vertebrate, inclusiv a oamenilor. Gruparea socială este o strategie de supraviețuire comună în regnul animal. „Este unul dintre comportamentele care sunt mai păstrate de-a lungul evoluției”, a spus Livia Hecke Morais, un biolog cercetător la Institutul de Tehnologie din California care nu a fost implicat în noile studii.
De fapt, Washbourne și Eisen au identificat anterior neuroni sociali aproape identici la șoareci. „Dacă puteți găsi aceleași tipuri de celule între un pește și un șoarece, probabil că puteți găsi aceleași tipuri de celule la oameni”, a spus Washbourne.
Introducere
Morais a avertizat, totuși, că nici peștii zebră, nici șoarecii nu sunt analogi perfecti pentru ființele umane - sau unul pentru celălalt. Căile neuronale sunt puțin diferite la pești și șoareci, a spus ea. Și fiecare dintre aceste organisme are un set distinct de microbi intestinali, care pot elibera semnale chimice diferite.
Cu toate acestea, principiul ar putea fi valabil în linii mari pentru diverse grupuri de organisme. Este posibil ca diferite substanțe chimice microbiene să influențeze în continuare abundența microglială în creierul peștilor zebră, șoarecilor, oamenilor și altor animale, a spus Eisen. Dar ea este de acord că este periculos să combinați fără echivoc diferite specii. Organismele model „nu sunt exact la fel ca oamenii”, a spus ea.
O multiplicitate de microbiomi
În viitor, Eisen, Washbourne și echipele lor vor să identifice exact modul în care microbii intestinali ai peștelui zebră trimit semnale către creierul său. Ei doresc, de asemenea, să stabilească cât de lungă este perioada sensibilă pentru neurodezvoltare, pentru a vedea dacă intervenția timpurie în intestin poate readuce dezvoltarea creierului pe drumul cel bun. În cele din urmă, ei speră că această cercetare va oferi o înțelegere mai profundă a modului în care apar tulburările de neurodezvoltare la oameni - deși acest lucru se poate dovedi dificil.
„Problema este că ipoteza trebuie testată la oameni”, a spus Margolis, „dar acest lucru este foarte dificil de făcut”. Logistica proiectării unui studiu clinic pentru a testa intervențiile intestinale la sugari umani ar fi dificilă, deoarece afecțiuni precum tulburarea spectrului autist nu sunt de obicei diagnosticate până la vârsta de 7 ani sau mai târziu, probabil mult după ce fereastra critică s-a închis.
De asemenea, microbiomele variază semnificativ chiar și între indivizii aceleiași specii. Doi oameni care par aproape identici în majoritatea privințelor pot avea comunități microbiene intestinale care diferă cu mai mult de 70%. Simpla privire la microbiomul unei persoane nu este un instrument de diagnostic util pentru tulburările de neurodezvoltare. „Nu există niciun microbiom al autismului”, a spus Margolis.
Pentru Washbourne, dacă această perioadă sensibilă de dezvoltare există la oameni, ar putea face intervenția aproape imposibilă. „Nu cred că ne apropiem mai mult de un glonț magic”, a spus el. Dar chiar și capacitatea de a caracteriza efectul intestinului asupra creierului într-un fel mic ajută la dezlegarea unui mister uman profund complex. Deocamdată, a spus el, este suficient.
