ไมโครไบโอมในลำไส้ช่วยพัฒนาทักษะทางสังคมในสมอง

เอกสารล่าสุด XNUMX ฉบับแสดงให้เห็นว่าในช่วงเริ่มต้นที่สำคัญของการพัฒนาสมอง ไมโครไบโอมของลำไส้ ซึ่งเป็นแบคทีเรียหลากหลายประเภทที่เติบโตอยู่ภายใน ช่วยสร้างระบบสมองที่สำคัญต่อทักษะทางสังคมในภายหลัง นักวิทยาศาสตร์พบอิทธิพลนี้ในปลา แต่หลักฐานระดับโมเลกุลและระบบประสาทบ่งชี้อย่างมีเหตุผลว่ารูปแบบบางอย่างอาจเกิดขึ้นได้ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม รวมทั้งมนุษย์ด้วย

In กระดาษ เผยแพร่เมื่อต้นเดือนพฤศจิกายน พ.ศ PLOS ชีววิทยา นักวิจัยพบว่าปลาม้าลายที่เติบโตมาโดยขาดไมโครไบโอมในลำไส้นั้นมีสังคมน้อยกว่าปลารุ่นเดียวกันที่มีลำไส้ใหญ่เป็นอาณานิคม และโครงสร้างของสมองของพวกมันก็สะท้อนให้เห็นถึงความแตกต่าง ใน บทความที่เกี่ยวข้อง in BMC จีโนมิกส์ ปลายเดือนกันยายน, พวกเขาอธิบายลักษณะโมเลกุลของเซลล์ประสาทที่ได้รับผลกระทบจากแบคทีเรียในลำไส้ เซลล์ประสาทที่เทียบเท่ากันเหล่านี้ปรากฏในสัตว์ฟันแทะ และตอนนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถมองหาเซลล์ประสาทเหล่านี้ในสายพันธุ์อื่นๆ รวมถึงมนุษย์ด้วย

ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้เข้าใจว่าลำไส้และสมองมีอิทธิพลร่วมกันอย่างมาก ตัวอย่างเช่น แผลในลำไส้บางประเภทเชื่อมโยงกับอาการแย่ลงในผู้ที่เป็นโรคพาร์กินสัน และแพทย์ทราบมานานแล้วว่าความผิดปกติของระบบทางเดินอาหารนั้นพบได้บ่อยในผู้ที่มีความผิดปกติทางพัฒนาการทางระบบประสาท เช่น โรคสมาธิสั้นและโรคออทิสติกสเปกตรัม

“สมองไม่เพียงส่งผลกระทบต่อลำไส้เท่านั้น แต่ลำไส้ยังส่งผลต่อสมองอย่างลึกซึ้งอีกด้วย” กล่าว คาร่า มาร์โกลิสกุมารแพทย์ระบบทางเดินอาหารใน Langone Health แห่งมหาวิทยาลัยนิวยอร์ก ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานวิจัยชิ้นใหม่นี้ อย่างไรก็ตาม อวัยวะที่แยกจากกันทางกายวิภาคเหล่านี้ส่งผลอย่างไรนั้นยังไม่ชัดเจนมากนัก

ฟิลิป วอชบอร์นนักอณูชีววิทยาแห่งมหาวิทยาลัยโอเรกอนและหนึ่งในผู้ร่วมวิจัยหลักของงานวิจัยชิ้นใหม่ ได้ศึกษายีนที่เกี่ยวข้องกับออทิสติกและการพัฒนาพฤติกรรมทางสังคมมากว่าสองทศวรรษ แต่เขาและห้องทดลองของเขากำลังมองหาสิ่งมีชีวิตรูปแบบใหม่ ซึ่งเป็นรูปแบบที่แสดงพฤติกรรมทางสังคม แต่ขยายพันธุ์ได้รวดเร็วและง่ายกว่าหนูทั่วไป “เราทำสิ่งนี้กับปลาได้ไหม” เขานึกถึงความคิดและจากนั้น: "เรามาวัดกันในเชิงปริมาณจริงๆ แล้วดูว่าเราสามารถวัดความเป็นมิตรของปลาได้หรือไม่"

ปลาปลอดเชื้อโรค

ปลาม้าลายซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการวิจัยทางพันธุศาสตร์ ขยายพันธุ์ได้อย่างรวดเร็วและเป็นสังคมตามธรรมชาติ หลังจากพวกมันอายุได้สองสัปดาห์พวกมันก็เริ่มออกไปเที่ยวตามสันดอนที่มีปลาสี่ถึง 12 ตัว พวกมันยังโปร่งใสจนกระทั่งโตเต็มวัย ซึ่งช่วยให้นักวิจัยสามารถสังเกตพัฒนาการภายในของพวกมันได้โดยไม่ต้องผ่าออก ซึ่งเป็นความสามารถที่เป็นไปไม่ได้เลยในแบบจำลองสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เช่น หนู

ทีมงานเริ่มทำการทดลองกับเอ็มบริโอจากปลาม้าลายที่เลี้ยงแบบ "ปลอดเชื้อโรค" ซึ่งไม่มีไมโครไบโอมในลำไส้ หลังจากที่ลูกปลาตัวเล็กๆ ฟักตัวออกมา นักวิจัยได้ฉีดวัคซีนบางตัวทันทีด้วยแบคทีเรียในลำไส้ที่ดีต่อสุขภาพ แต่พวกเขารอหนึ่งสัปดาห์เต็มก่อนที่จะฉีดวัคซีนปลาที่เหลือ บังคับให้พวกเขาเริ่มการพัฒนาด้วยกระดานเปล่า

ปลาที่ได้รับการฉีดวัคซีนตั้งแต่แรกเกิดเริ่มลงจอดตามกำหนดเวลาเมื่ออายุประมาณ 15 วัน แต่เมื่อถึงเวลาเริ่มทำปลาปลอดเชื้อ “ตกใจมาก ไม่ได้ทำ” บอกว่า จูดิธ ไอเซนนักประสาทวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยโอเรกอนและผู้ร่วมเขียนงานวิจัยชิ้นใหม่ แม้ว่าปลาจะได้รับการเติมจุลินทรีย์ในลำไส้ย้อนหลัง แต่พวกมันก็ไม่ได้มีพัฒนาการทางสังคมที่สำคัญเท่ากับปลารุ่นเดียวกัน

เมื่อ Eisen, Washbourne และทีมของพวกเขาตรวจสอบสมองของปลา พวกเขาค้นพบความแตกต่างทางโครงสร้างที่ชัดเจน ในปลาที่ใช้ชีวิตในสัปดาห์แรกโดยไม่มีไมโครไบโอม กลุ่มเซลล์ประสาทสมองส่วนหน้ากลุ่มหนึ่งซึ่งส่งผลต่อพฤติกรรมทางสังคมแสดงการเชื่อมต่อระหว่างกันมากขึ้น กลุ่มนี้ยังมี microglia น้อยกว่ามาก ซึ่งเป็นเซลล์ภูมิคุ้มกันของระบบประสาทที่มีหน้าที่ในการทำความสะอาดเศษซากในสมอง “สิ่งเหล่านี้เป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในระบบประสาท” ไอเซ็นกล่าว “สำหรับฉัน มันใหญ่มาก”

ทีมงานตั้งสมมติฐานว่าไมโครไบโอมในลำไส้ที่แข็งแรงช่วยให้ไมโครเกลียเติบโตในสมองของปลาม้าลายได้ จากนั้น ในช่วงพัฒนาการที่สำคัญบางช่วง ไมโครเกลียจะทำหน้าที่เหมือนคนงานซ่อมบำรุง โดยตัด "แขน" ที่แตกแขนงออกไปอย่างดุเดือดบนเซลล์ประสาท หากไม่มีไมโครเกลียคอยเล็มพวกมันกลับ เซลล์ประสาททางสังคมของปลาที่ปราศจากเชื้อโรคก็จะยุ่งเหยิงและรกเหมือนหนามที่ไม่ได้รับการดูแล

จุลินทรีย์ในลำไส้ส่งสัญญาณไปยังสมองที่กำลังพัฒนาของปลาเพื่อสร้างผลกระทบเหล่านี้อย่างไรนั้นไม่ชัดเจน แบคทีเรียปล่อยสารเคมีออกมามากมาย และสารประกอบใดๆ ที่มีขนาดเล็กเพียงพอในทางทฤษฎีก็สามารถข้ามสิ่งกีดขวางระหว่างเลือดและสมองได้ แต่ก็เป็นไปได้เช่นกันว่าเซลล์ภูมิคุ้มกันที่เคลื่อนที่ระหว่างลำไส้และสมองจะนำพาโมเลกุลของสัญญาณไปด้วย หรือสัญญาณบางอย่างเดินทางขึ้นจากลำไส้ไปตามเส้นประสาทวากัส

หลายสายพันธุ์ที่เข้ากับคนง่าย

กลไกที่คล้ายกันนี้อาจมีบทบาทในการพัฒนาทางสังคมของสัตว์มีกระดูกสันหลังอื่นๆ รวมทั้งมนุษย์ด้วย การจัดกลุ่มทางสังคมเป็นกลยุทธ์การอยู่รอดทั่วอาณาจักรสัตว์ “มันเป็นหนึ่งในพฤติกรรมที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้มากกว่าในวิวัฒนาการ” กล่าว ลิเวีย เฮกเก้ โมไรส์นักชีววิทยาการวิจัยที่ California Institute of Technology ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาใหม่นี้

ในความเป็นจริง Washbourne และ Eisen เคยระบุเซลล์ประสาททางสังคมที่เหมือนกันเกือบทุกประการในหนู “ถ้าคุณพบเซลล์ประเภทเดียวกันระหว่างปลากับหนู คุณก็น่าจะพบเซลล์ประเภทเดียวกันในมนุษย์” วอชบอร์นกล่าว

อย่างไรก็ตาม โมไรส์เตือนว่าทั้งปลาม้าลายและหนูต่างก็เป็นอุปมาอุปไมยที่สมบูรณ์แบบสำหรับมนุษย์ หรือสำหรับกันและกัน ทางเดินของระบบประสาทนั้นแตกต่างกันเล็กน้อยในปลาและหนู เธอกล่าว และสิ่งมีชีวิตเหล่านี้แต่ละชนิดมีชุดของจุลินทรีย์ในลำไส้ที่แตกต่างกัน ซึ่งอาจปล่อยสัญญาณทางเคมีที่แตกต่างกัน

อย่างไรก็ตาม หลักการนี้อาจเป็นจริงในวงกว้างสำหรับกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่หลากหลาย เป็นไปได้ว่าสารเคมีของจุลินทรีย์ต่างๆ ยังคงมีอิทธิพลต่อความอุดมสมบูรณ์ของจุลินทรีย์ในสมองของปลาม้าลาย หนู มนุษย์ และสัตว์อื่นๆ Eisen กล่าว แต่เธอเห็นด้วยว่ามันอันตรายที่จะรวมสายพันธุ์ที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน สิ่งมีชีวิตจำลอง “ไม่เหมือนกับมนุษย์ทุกประการ” เธอกล่าว

ความหลากหลายของไมโครไบโอม

ในอนาคต Eisen, Washbourne และทีมของพวกเขาต้องการที่จะระบุให้ชัดเจนว่าจุลินทรีย์ในลำไส้ของปลาม้าลายส่งสัญญาณไปยังสมองของมันอย่างไร พวกเขายังต้องการกำหนดระยะเวลาที่ละเอียดอ่อนสำหรับพัฒนาการทางระบบประสาทเพื่อดูว่าการแทรกแซงในระยะแรกในลำไส้สามารถทำให้การพัฒนาสมองกลับมาเป็นปกติได้หรือไม่ ในที่สุด พวกเขาหวังว่างานวิจัยนี้จะช่วยให้เข้าใจลึกซึ้งยิ่งขึ้นว่าความผิดปกติทางพัฒนาการทางระบบประสาทเกิดขึ้นในคนได้อย่างไร แม้ว่าสิ่งนี้อาจพิสูจน์ได้ยาก

“ประเด็นคือสมมติฐานนี้จำเป็นต้องได้รับการทดสอบในมนุษย์” Margolis กล่าว “แต่สิ่งนี้เป็นสิ่งที่ท้าทายมากที่จะทำ” การขนส่งในการออกแบบการทดลองทางคลินิกเพื่อทดสอบการแทรกแซงทางเดินอาหารในทารกของมนุษย์นั้นค่อนข้างยาก เนื่องจากเงื่อนไขต่างๆ เช่น ความผิดปกติของออทิสติกสเปกตรัมมักไม่ได้รับการวินิจฉัยจนกว่าจะอายุ 7 ขวบหรือหลังจากนั้น ซึ่งน่าจะนานหลังจากปิดหน้าต่างวิกฤตแล้ว

ไมโครไบโอมยังมีความแตกต่างกันอย่างมากแม้ระหว่างบุคคลในสปีชีส์เดียวกัน คนสองคนที่ดูเกือบจะเหมือนกันทุกประการสามารถมีชุมชนจุลินทรีย์ในลำไส้ที่แตกต่างกันมากกว่า 70% การดู microbiome ของคนๆ เดียวไม่ได้เป็นเครื่องมือวินิจฉัยที่มีประโยชน์สำหรับความผิดปกติทางพัฒนาการทางระบบประสาท Margolis กล่าวว่า "ไม่มีใครเป็นออทิสติก microbiome"

สำหรับ Washbourne หากมีช่วงพัฒนาการที่ละเอียดอ่อนนี้ในมนุษย์ ก็แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะเข้าไปแทรกแซง “ผมไม่คิดว่าเราจะเข้าใกล้กระสุนวิเศษไปมากกว่านี้แล้ว” เขากล่าว แต่ถึงแม้สามารถบอกลักษณะผลกระทบของลำไส้ต่อสมองได้ด้วยวิธีเล็กๆ น้อยๆ ก็ช่วยไขปริศนาอันซับซ้อนลึกล้ำของมนุษย์ได้ ตอนนี้เขาบอกว่าพอแล้ว