Ο ρόλος του εντερικού μικροβιώματος στην κοινωνική ανάπτυξη του εγκεφάλου:πρώιμη επιρροή στις κοινωνικές δεξιότητες

Δύο πρόσφατες εργασίες έδειξαν ότι κατά τη διάρκεια μιας κρίσιμης πρώιμης περιόδου ανάπτυξης του εγκεφάλου, το μικροβίωμα του εντέρου - η ποικιλία των βακτηρίων που αναπτύσσονται μέσα σε αυτό - βοηθά στη διαμόρφωση ενός εγκεφαλικού συστήματος που είναι σημαντικό για τις κοινωνικές δεξιότητες αργότερα στη ζωή. Οι επιστήμονες βρήκαν αυτή την επιρροή στα ψάρια, αλλά μοριακά και νευρολογικά στοιχεία υποδηλώνουν εύλογα ότι κάποια μορφή της θα μπορούσε επίσης να εμφανιστεί σε θηλαστικά, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων.

Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στις αρχές Νοεμβρίου στο PLOS Biology, Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα ψάρια ζέβρα που μεγάλωσαν χωρίς μικροβίωμα του εντέρου ήταν πολύ λιγότερο κοινωνικά από τα συνομήλικά τους με αποικισμένο κόλον και η δομή του εγκεφάλου τους αντικατόπτριζε τη διαφορά. Σε σχετικό άρθρο στο BMC Genomics στα τέλη Σεπτεμβρίου, περιέγραψαν μοριακά χαρακτηριστικά των νευρώνων που επηρεάζονται από τα βακτήρια του εντέρου. Ισοδύναμα αυτών των νευρώνων εμφανίζονται στα τρωκτικά και οι επιστήμονες μπορούν τώρα να τους αναζητήσουν σε άλλα είδη, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι επιστήμονες έχουν καταλάβει ότι το έντερο και ο εγκέφαλος έχουν ισχυρές αμοιβαίες επιρροές. Ορισμένοι τύποι εντερικών ελκών, για παράδειγμα, έχουν συνδεθεί με επιδείνωση των συμπτωμάτων σε άτομα με νόσο του Πάρκινσον. Και οι κλινικοί γιατροί γνωρίζουν από καιρό ότι οι γαστρεντερικές διαταραχές είναι πιο συχνές σε άτομα που έχουν επίσης νευροαναπτυξιακές διαταραχές, όπως η ΔΕΠΥ και η διαταραχή του φάσματος του αυτισμού.

«Όχι μόνο ο εγκέφαλος έχει αντίκτυπο στο έντερο, αλλά το έντερο μπορεί επίσης να επηρεάσει βαθιά τον εγκέφαλο», είπε η Κάρα Μαργκόλης, παιδογαστρεντερολόγος στο Langone Health του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης, η οποία δεν συμμετείχε στη νέα έρευνα. Ωστόσο, το πώς αυτά τα ανατομικά ξεχωριστά όργανα ασκούν τα αποτελέσματά τους είναι πολύ λιγότερο σαφές.

Ο Philip Washbourne, μοριακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον και ένας από τους κύριους συν-συγγραφείς των νέων μελετών, μελετά γονίδια που εμπλέκονται στον αυτισμό και την ανάπτυξη κοινωνικών συμπεριφορών για πάνω από δύο δεκαετίες. Αλλά αυτός και το εργαστήριό του έψαχναν για ένα νέο πρότυπο οργανισμό, που να παρουσίαζε κοινωνική συμπεριφορά, αλλά να ήταν πιο γρήγορο και πιο εύκολο να αναπαραχθεί από τα ποντίκια τους. «Μπορούμε να το κάνουμε αυτό στα ψάρια;» θυμάται ότι σκέφτηκε και μετά:«Ας το κάνουμε πραγματικά ποσοτικά και να δούμε αν μπορούμε να μετρήσουμε πόσο φιλικά γίνονται τα ψάρια».

Ψάρια χωρίς μικρόβια

Τα ψάρια ζέβρα, τα οποία χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως στη γενετική έρευνα, αναπαράγονται γρήγορα και είναι φυσικά κοινωνικά. Αφού γίνουν δύο εβδομάδων, αρχίζουν να κάνουν παρέα σε κοπάδια από τέσσερα έως 12 ψάρια. Είναι επίσης διαφανή μέχρι την ενηλικίωσή τους, γεγονός που επιτρέπει στους ερευνητές να παρατηρούν την εσωτερική τους ανάπτυξη χωρίς να χρειάζεται να τα ανατομεύουν — ένα κατόρθωμα που είναι εντελώς αδύνατο σε μοντέλα θηλαστικών, όπως τα ποντίκια.

Η ομάδα άρχισε να πειραματίζεται με έμβρυα από μια σειρά ψαριών ζέβρας «χωρίς μικρόβια» που εκτράφηκαν χωρίς μικροβίωμα του εντέρου. Μετά την εκκόλαψη των μικροσκοπικών ψαριών, οι ερευνητές εμβολίασαν αμέσως μερικά από αυτά με ένα υγιές μείγμα βακτηρίων του εντέρου. Όμως περίμεναν μια ολόκληρη εβδομάδα πριν εμβολιάσουν τα υπόλοιπα ψάρια, αναγκάζοντάς τα να ξεκινήσουν την ανάπτυξή τους με μια κενή πλάκα.

Τα ψάρια που είχαν ενοφθαλμιστεί κατά τη γέννηση άρχισαν να κοπανίζουν σύμφωνα με το πρόγραμμα, περίπου σε ηλικία 15 ημερών. Αλλά όταν ήρθε η ώρα να ξεκινήσουν τα ψάρια χωρίς μικρόβια, «συγκλονιστικά, δεν το έκαναν», είπε η Judith Eisen, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον και συν-συγγραφέας της νέας έρευνας. Παρόλο που τα ψάρια είχαν λάβει αναδρομική δόση με μικρόβια του εντέρου, δεν πέτυχαν τα ίδια ορόσημα κοινωνικής ανάπτυξης με τους συνομηλίκους τους.

Όταν ο Eisen, ο Washbourne και η ομάδα τους εξέτασαν τον εγκέφαλο των ψαριών, ανακάλυψαν προφανείς δομικές διαφορές. Στα ψάρια που πέρασαν την πρώτη εβδομάδα της ζωής τους χωρίς μικροβίωμα, μια συγκεκριμένη ομάδα νευρώνων του πρόσθιου εγκεφάλου που επηρεάζει την κοινωνική συμπεριφορά έδειξε περισσότερες διασυνδέσεις. Το σύμπλεγμα είχε επίσης σημαντικά λιγότερα μικρογλοία, τα νευρικά κύτταρα του ανοσοποιητικού που είναι υπεύθυνα για τον καθαρισμό των υπολειμμάτων στον εγκέφαλο. «Αυτές είναι μεγάλες, σημαντικές αλλαγές στο νευρικό σύστημα», είπε ο Eisen. "Για μένα, αυτό είναι τεράστιο."

Οι γραμμές ανιχνεύουν τα μονοπάτια των ψαριών ζέβρας που κολυμπούν σε μια ειδική πειραματική δεξαμενή. Τα ψάρια που μεγάλωσαν με ένα κανονικό μικροβίωμα περνούσαν τον περισσότερο χρόνο τους κοντά σε ένα διαφανές διαχωριστικό για να παραμείνουν κοντά στα ψάρια στην άλλη πλευρά. Τα ψάρια που ήταν «χωρίς μικρόβια» την πρώτη τους εβδομάδα ήταν λιγότερο κοινωνικά και κολύμπησαν πιο τυχαία.

Samuel Velasco/Quanta Magazine; Πηγή:doi.org/10.1371/journal.pbio.3001838

Η ομάδα υπέθεσε ότι ένα υγιές μικροβίωμα του εντέρου με κάποιο τρόπο επιτρέπει στη μικρογλοία να ανθίσει στον εγκέφαλο των ψαριών ζέβρας. Στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια ορισμένων κρίσιμων αναπτυξιακών περιόδων, τα μικρογλοία ενεργούν σαν εργάτες συντήρησης, κλαδεύοντας τους άγρια ​​διακλαδιζόμενους «βραχίονες» στους νευρώνες. Χωρίς μικρογλοία για να τα κόψει πίσω, οι κοινωνικοί νευρώνες των ψαριών χωρίς μικρόβια μπλέχτηκαν και μεγάλωσαν σαν ακατάλληλη ράχη.

Το πώς τα μικρόβια του εντέρου στέλνουν σήματα στον αναπτυσσόμενο εγκέφαλο των ψαριών για να παράγουν αυτά τα αποτελέσματα δεν είναι ξεκάθαρο. Τα βακτήρια απελευθερώνουν μια εκπληκτική σειρά χημικών ουσιών και οποιαδήποτε αρκετά μικρή ένωση θα μπορούσε θεωρητικά να διασχίσει τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό. Αλλά είναι επίσης πιθανό τα κύτταρα του ανοσοποιητικού που κινούνται μεταξύ του εντέρου και του εγκεφάλου να μεταφέρουν μόρια σήματος μαζί τους ή ορισμένα σήματα να ανεβαίνουν από το έντερο κατά μήκος του πνευμονογαστρικού νεύρου.

Πολλά κοινωνικά είδη

Παρόμοιοι μηχανισμοί μπορεί να παίζουν στην κοινωνική ανάπτυξη άλλων σπονδυλωτών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Η κοινωνική ομαδοποίηση είναι μια κοινή στρατηγική επιβίωσης σε όλο το ζωικό βασίλειο. «Είναι μια από τις συμπεριφορές που διατηρείται περισσότερο στην εξέλιξη», είπε η Livia Hecke Morais, ερευνήτρια βιολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια που δεν συμμετείχε στις νέες μελέτες.

Στην πραγματικότητα, ο Washbourne και ο Eisen είχαν προηγουμένως εντοπίσει σχεδόν πανομοιότυπους κοινωνικούς νευρώνες σε ποντίκια. "Εάν μπορείτε να βρείτε τους ίδιους τύπους κυττάρων μεταξύ ενός ψαριού και ενός ποντικιού, πιθανότατα μπορείτε να βρείτε τους ίδιους τύπους κυττάρων στους ανθρώπους", δήλωσε ο Washbourne.