Giới thiệu
Hai bài báo gần đây đã chỉ ra rằng trong giai đoạn đầu quan trọng của quá trình phát triển não bộ, hệ vi sinh vật đường ruột - một loại vi khuẩn phát triển bên trong nó - giúp hình thành một hệ thống não bộ quan trọng đối với các kỹ năng xã hội sau này trong cuộc sống. Các nhà khoa học đã tìm thấy ảnh hưởng này ở cá, nhưng bằng chứng phân tử và thần kinh cho thấy một số dạng của nó cũng có thể xảy ra ở động vật có vú, bao gồm cả con người.
In một tờ giấy xuất bản vào đầu tháng XNUMX năm PLOS Sinh học, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng những con cá ngựa vằn lớn lên thiếu hệ vi sinh vật đường ruột kém hòa đồng hơn nhiều so với những con cá cùng lứa có ruột kết và cấu trúc não của chúng phản ánh sự khác biệt. Trong một bài viết liên quan in Bộ gen BMC vào cuối tháng chín, họ đã mô tả các đặc điểm phân tử của các tế bào thần kinh bị ảnh hưởng bởi vi khuẩn đường ruột. Các chất tương đương của các tế bào thần kinh đó xuất hiện ở loài gặm nhấm và giờ đây các nhà khoa học có thể tìm kiếm chúng ở các loài khác, bao gồm cả con người.
Trong những thập kỷ gần đây, các nhà khoa học đã hiểu rằng ruột và não có ảnh hưởng lẫn nhau mạnh mẽ. Ví dụ, một số loại loét đường ruột có liên quan đến các triệu chứng xấu đi ở những người mắc bệnh Parkinson. Và các bác sĩ lâm sàng từ lâu đã biết rằng rối loạn tiêu hóa phổ biến hơn ở những người cũng bị rối loạn phát triển thần kinh, chẳng hạn như rối loạn tăng động giảm chú ý và rối loạn phổ tự kỷ.
“Không chỉ não có tác động đến ruột, mà ruột cũng có thể ảnh hưởng sâu sắc đến não,” ông nói Kara Margolis, một bác sĩ chuyên khoa tiêu hóa nhi khoa tại Langone Health của Đại học New York, người không tham gia vào nghiên cứu mới. Tuy nhiên, làm thế nào các cơ quan riêng biệt về mặt giải phẫu này phát huy tác dụng của chúng thì vẫn chưa rõ ràng.
Philip Washbourne, một nhà sinh học phân tử tại Đại học Oregon và là một trong những đồng tác giả chính của nghiên cứu mới, đã nghiên cứu các gen liên quan đến bệnh tự kỷ và sự phát triển các hành vi xã hội trong hơn hai thập kỷ. Nhưng anh ấy và phòng thí nghiệm của anh ấy đang tìm kiếm một sinh vật mẫu mới, một sinh vật thể hiện hành vi xã hội nhưng nhanh hơn và dễ sinh sản hơn so với chuột. “Chúng ta có thể làm điều này với cá không?” anh ấy nhớ lại mình đã nghĩ, và sau đó: “Hãy thực sự định lượng về nó và xem liệu chúng ta có thể đo lường mức độ thân thiện của loài cá hay không.”
Cá không có mầm bệnh
Cá ngựa vằn, cũng được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu di truyền học, sinh sản nhanh chóng và có tính xã hội tự nhiên. Sau khi được hai tuần tuổi, chúng bắt đầu đi chơi thành đàn từ 12 đến XNUMX con. Chúng cũng trong suốt cho đến khi trưởng thành, điều này cho phép các nhà nghiên cứu quan sát sự phát triển bên trong của chúng mà không cần phải mổ xẻ chúng — một kỳ tích hầu như không thể có ở các mô hình động vật có vú, chẳng hạn như chuột.
Nhóm nghiên cứu bắt đầu thử nghiệm với phôi từ một dòng cá ngựa vằn “không có mầm bệnh” được lai tạo để thiếu hệ vi sinh vật đường ruột. Sau khi những con cá nhỏ nở ra, các nhà nghiên cứu đã ngay lập tức tiêm một số trong số chúng với hỗn hợp vi khuẩn đường ruột lành mạnh. Nhưng họ đã đợi cả tuần trước khi cấy cho những con cá còn lại, buộc chúng phải bắt đầu quá trình phát triển của mình với một bảng trắng.
Cá được tiêm phòng khi mới sinh bắt đầu lên đàn đúng lịch, khoảng 15 ngày tuổi. Nhưng khi đến lúc bắt đầu cho cá sạch mầm bệnh, “thật đáng kinh ngạc, họ đã không làm điều đó,” anh nói Judith Eisen, một nhà thần kinh học tại Đại học Oregon và là đồng tác giả của nghiên cứu mới. Mặc dù cá đã được tiêm vi khuẩn đường ruột hồi tố, nhưng chúng không đạt được các mốc phát triển xã hội giống như các đồng loại của chúng.
Khi Eisen, Washbourne và nhóm của họ kiểm tra não của cá, họ đã phát hiện ra sự khác biệt rõ ràng về cấu trúc. Ở những con cá trải qua tuần đầu tiên của cuộc đời mà không có hệ vi sinh vật, một cụm tế bào thần kinh tiền đình cụ thể ảnh hưởng đến hành vi xã hội cho thấy nhiều mối liên kết với nhau hơn. Cụm này cũng có ít microglia hơn đáng kể, các tế bào miễn dịch thần kinh chịu trách nhiệm dọn dẹp mảnh vụn trong não. “Đây là những thay đổi lớn, quan trọng trong hệ thống thần kinh,” Eisen nói. "Đối với tôi, đó là rất lớn."
Nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng một hệ vi sinh vật đường ruột khỏe mạnh bằng cách nào đó cho phép microglia phát triển trong não cá ngựa vằn. Sau đó, trong một số giai đoạn phát triển quan trọng nhất định, microglia hoạt động giống như công nhân bảo trì, cắt tỉa các “cánh tay” phân nhánh dữ dội trên các tế bào thần kinh. Không có microglia để cắt chúng lại, các tế bào thần kinh xã hội của cá không có mầm bệnh trở nên rối rắm và phát triển quá mức như một bụi gai không được chăm sóc.
Làm thế nào các vi khuẩn đường ruột gửi tín hiệu đến bộ não đang phát triển của cá để tạo ra những hiệu ứng này vẫn chưa rõ ràng. Vi khuẩn giải phóng một loạt các hóa chất đáng kinh ngạc và bất kỳ hợp chất đủ nhỏ nào về mặt lý thuyết đều có thể vượt qua hàng rào máu não. Nhưng cũng có thể các tế bào miễn dịch di chuyển giữa ruột và não mang theo các phân tử tín hiệu, hoặc một số tín hiệu nhất định truyền từ ruột dọc theo dây thần kinh phế vị.
Nhiều loài hòa đồng
Các cơ chế tương tự có thể đóng vai trò trong quá trình phát triển xã hội của các động vật có xương sống khác, bao gồm cả con người. Nhóm xã hội là một chiến lược sinh tồn phổ biến trong vương quốc động vật. “Đó là một trong những hành vi được bảo tồn nhiều hơn trong suốt quá trình tiến hóa,” nói Livia Hecke Morais, một nhà sinh vật học nghiên cứu tại Viện Công nghệ California, người không tham gia vào các nghiên cứu mới.
Trên thực tế, Washbourne và Eisen trước đây đã xác định được các tế bào thần kinh xã hội gần như giống hệt nhau ở chuột. Washbourne cho biết: “Nếu bạn có thể tìm thấy các loại tế bào giống nhau giữa cá và chuột, thì bạn có thể tìm thấy các loại tế bào giống nhau ở người.
Giới thiệu
Tuy nhiên, Morais cảnh báo rằng cả cá ngựa vằn và chuột đều không phải là những đối tượng tương tự hoàn hảo đối với con người - hoặc đối với nhau. Bà cho biết, các đường dẫn truyền thần kinh ở cá và chuột có một chút khác biệt. Và mỗi sinh vật này có một bộ vi khuẩn đường ruột riêng biệt, có thể phát ra các tín hiệu hóa học khác nhau.
Tuy nhiên, nguyên tắc này có thể đúng với nhiều nhóm sinh vật khác nhau. Eisen cho biết, có thể các hóa chất vi sinh vật khác nhau vẫn có thể ảnh hưởng đến sự phong phú của vi mô trong não của cá ngựa vằn, chuột, người và các động vật khác. Nhưng cô ấy đồng ý rằng thật nguy hiểm khi kết hợp các loài khác nhau một cách rõ ràng. Bà nói: “Các sinh vật mẫu không hoàn toàn giống với con người.
Sự đa dạng của Microbiome
Trong tương lai, Eisen, Washbourne và nhóm của họ muốn xác định chính xác cách vi khuẩn đường ruột của cá ngựa vằn gửi tín hiệu đến não của nó. Họ cũng muốn thiết lập khoảng thời gian nhạy cảm cho sự phát triển thần kinh là bao lâu, để xem liệu can thiệp sớm vào đường ruột có thể đưa sự phát triển của não trở lại đúng hướng hay không. Cuối cùng, họ hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ mang lại hiểu biết sâu sắc hơn về cách các rối loạn phát triển thần kinh phát sinh ở người - mặc dù điều này có thể khó khăn.
“Vấn đề là giả thuyết cần được thử nghiệm trên người,” Margolis nói, “nhưng điều này rất khó thực hiện.” Hậu cần của việc thiết kế một thử nghiệm lâm sàng để kiểm tra các can thiệp đường ruột ở trẻ sơ sinh sẽ rất khó khăn vì các tình trạng như rối loạn phổ tự kỷ thường không được chẩn đoán cho đến khi 7 tuổi hoặc muộn hơn, có thể là rất lâu sau khi cửa sổ quan trọng đã đóng lại.
Hệ vi sinh vật cũng khác nhau đáng kể ngay cả giữa các cá thể cùng loài. Hai người có vẻ gần giống nhau ở hầu hết các khía cạnh có thể có cộng đồng vi khuẩn đường ruột khác nhau hơn 70%. Chỉ cần nhìn vào hệ vi sinh vật của một người không phải là một công cụ chẩn đoán hữu ích cho các rối loạn phát triển thần kinh. Margolis nói: “Không có một hệ vi sinh vật tự kỷ nào.
Đối với Washbourne, nếu giai đoạn phát triển nhạy cảm này tồn tại ở người, nó có thể khiến việc can thiệp gần như không thể. “Tôi không nghĩ chúng ta đang tiến gần hơn đến một viên đạn ma thuật,” anh nói. Nhưng ngay cả việc có thể mô tả tác động của ruột lên não theo một cách nhỏ nào đó cũng giúp làm sáng tỏ một bí ẩn vô cùng phức tạp của con người. Hiện tại, anh ấy nói, thế là đủ.
