Det kan tyckas som om våra hjärnor är fysiskt avlägsna från tarmen, men under senare år har forskning gett starka bevis för att de enorma samhällen av mikrober som är koncentrerade i vårt mag-tarmkanal ger en koppling mellan hjärnan och tarmen. Tarmen mikrobiom påverkar kognitiv funktion och känslor, påverkar humör och mentala hälsoproblem och till och med hur information behandlas. Men det var svårt att förstå hur mikrofloran gör detta.
Fram till nyligen visade studier av sambandet mellan tarmen och hjärnan huvudsakligen endast en korrelation mellan tillståndet i tarmens mikroflora och de processer som äger rum i hjärnan. Men nya upptäckter hjälper till att skapa en mer detaljerad bild baserad på forskning som visar mikrobiomets engagemang i stressreaktioner. Genom att fokusera på svar som känslor av rädsla, och särskilt på hur rädsla försvinner över tid undersöker forskarna hur beteende hos möss med reducerad mikroflora skiljer sig. De identifierade skillnader i nervnätverk, hjärnaktivitet och genuttryck och fann också närvaron av ett kort tidsfönster efter en individs födelse, när återställandet av mikroflora, det vill säga bakteriekolonisering,fortfarande kan förhindra uppkomsten av beteendestörningar hos vuxna. De identifierade till och med fyra specifika ämnen som kan bidra till dessa förändringar. Det kan vara för tidigt att förutsäga vilka terapier som kan erbjudas när vi förstår detta samband mellan tarmmikroflora och hjärna, men dessa specifika skillnader stöder hypotesen om en djup relation mellan de två systemen.
Att fastställa dessa mekanismer för interaktion med hjärnan är en stor utmaning i mikrobiomforskning, enligt Christopher Lowry, biträdande professor vid Institutionen för integrativ fysiologi vid University of Colorado i Boulder. "Forskare har några intressanta idéer," sade han.
Coco Chu, huvudförfattare till den nya studien och forskaren vid Weill Cornell Medicine College, blev intresserad av konceptet att mikroorganismer som lever i våra kroppar kan påverka våra känslor och våra handlingar. För flera år sedan beslutade hon att studera dessa interaktioner i detalj i samarbete med psykiatriker, mikrobiologer, immunologer och forskare från andra områden.
Forskarna genomförde en klassisk övning för att utveckla beteendefärdigheter med möss, av vilka några fick antibiotika för att dramatiskt minska mängden mikroflora i deras kroppar, och några av dem höjdes isolerat så att de inte hade någon mikroflora alls. Alla möss lärde sig lika bra att frukta ljud följt av elektrisk chock. När forskare slutade använda elektriska stötar på möss, lärde vanliga möss gradvis att inte vara rädda för ljud. Men hos "sterila" möss, i vilka mängden mikroflora minskades eller det inte fanns någon mikroflora alls, försvann inte rädsla - när ljudet av en signal föll de som regel ofta i en dumhet än vanliga möss.
När man tittade inuti den mediala prefrontala cortex, regionen i hjärnbarken som behandlar rädsla svar, märkte forskarna tydliga skillnader i den minskade mikroflora-mössen: viss genaktivitet var lägre. Gliaceller av samma art utvecklades inte. De så kallade dendritiska ryggarna - utsprång på nervceller associerade med processen för informationsbearbetning och inlärning, dök upp mindre eller försvann oftare. En lägre nivå av neuronal aktivitet observerades i celler av en art. Intrycket är att möss utan friska mikrobiom inte kan glömma rädsla och lära sig att inte vara rädda. Och forskarna kunde se det på cellnivå.
Forskarna försökte också ta reda på hur tillståndet i tarmens mikroflora orsakade dessa förändringar. Ett möjligt alternativ var att mikrober skickade signaler till hjärnan genom den långa vagusnerven, som överför sensoriska signaler från matsmältningskanalen till hjärnstammen. Men efter att ha klippt vagusnerven förändrades inte mössens beteende. Dessutom verkade det möjligt att tarmfloran kunde utlösa immunrespons som påverkar hjärnan. Men antalet och procentandelen immunceller i alla möss var desamma.
Men forskarna fann fyra typer av ämnen utsöndrade av tarmmikroorganismer som påverkar neurala samband, som var mycket mindre i serum, cerebrospinalvätska och avföring av möss med otillräcklig mikroflora. Vissa av dessa ämnen har redan varit kopplade till neurologiska störningar hos människor. Enligt mikrobiolog David Artis, chef för Institute for Inflammatory Bowel Disease Research vid Weill Cornell Medicine College och huvudförfattare till studien, föreslog forskare som arbetade under hans ledning att mikroflora kan utsöndra vissa ämnen i stora mängder och att vissa molekyler tränger in i hjärna.
Kampanjvideo:
Intresset växer i många laboratorier för att identifiera specifika ämnen som utsöndras av bakterier som är involverade i överföring av signaler från nervsystemet, säger Melanie Gareau, biträdande professor vid avdelningen för anatomi, fysiologi och cytologi vid University of California, Davis. Många metaboliter kommer sannolikt att vara involverade i sådana processer och metaboliska vägar är involverade.
Emeran Mayer, professor i medicin vid University of California, Los Angeles och chef för Oppenheimer Center for Neurobiology of Stress and Resilience to Stress, konstaterar att forskningsresultat om andra störningar, såsom depression, också indikerar en koppling till vissa ämnen som frisätts av mikrober. Men det finns fortfarande ingen konsensus om vem av dem som bidrar till förekomsten av någon kränkning. Och även om många människor med hjärnstörningar tydligt har ändrat tarmmikroflora, är det ofta oklart om förändringen är en orsak eller en följd av sjukdomen, säger han. Förändringar i mikroflorans tillstånd kan leda till neurologiska problem, men sjukdomar kan också orsaka förändringar i mikrobiomet.
Inom detta område finns det meningsskiljaktigheter inte bara om konsekvenserna av mikroflorastörningar, utan också om hälsosam mikroflora.”Vi har länge fokuserat på det faktum att vi kunde identifiera specifika typer av bakterier som antingen utgör en risk för stressrelaterade störningar och sjukdomar, eller ger resistens mot dem, och det kanske inte behöver vara en specifik mikrobe”Säger Lowry. Även hos friska människor är mikrofloran mycket annorlunda. Specifika mikrober kanske inte spelar någon roll om mikrofloran är tillräckligt mångfaldig - precis som med många olika typer av friska skogar, kanske det inte behövs en viss typ av träd.
Emellertid är studien av effekterna av mikroflora på nervsystemet ett nytt vetenskapligt område, och det råder osäkerhet om vad denna effekt är. Slutsatserna från resultaten från tidigare experiment om huruvida förändringar i mikroflora bidrar till att djur glömmer den lärda färdigheten och slutar känna rädsla var antingen grundlösa eller motsägelsefulla. När det gäller de slutsatser som Coco Chu och hennes kollegor har nåt är de av särskild betydelse, eftersom forskare kan ge bevis för att det finns en specifik mekanism som orsakar beteendet de observerade. Sådana djurstudier är särskilt viktiga för att stärka den tydliga kopplingen mellan nervsystemet och tarmens mikroflora, även om de inte syftar till att hitta sätt att behandla människor, säger Kirsten Tillisch. Professor i medicin vid David Geffen School of Medicine vid University of California Los Angeles. "Det sätt på vilket processen att 'bearbeta' känslor, fysiska känslor och kunskap sker i den mänskliga hjärnan är så annorlunda från hur det händer hos djur att det helt enkelt är mycket svårt att tillämpa," säger hon.
I teorin kan närvaron av vissa ämnen som frigörs av mikroflora hjälpa till att bestämma vem som är mest sårbar för störningar såsom posttraumatisk stressstörning (PTSD). Experiment som dessa kan till och med identifiera vägar för interaktioner mellan hjärnan och mikrobiomet som kan påverkas av behandlingen. "Dessa experiment med möss ger oss alltid stort hopp om att vi närmar oss scenen för interventionsforskning," säger Emeran Meyer, och genom att använda exakta metoder ger dessa studier ofta fantastiska resultat. Men de processer som sker i hjärnan hos möss motsvarar inte riktigt den mänskliga hjärnans aktivitet. Dessutom, hos människor och möss, skiljer sig processerna för interaktion mellan hjärnan och tarmens mikroflora, och denna skillnad förvärras av det faktum attatt deras tarmmikroflora skiljer sig på grund av skillnaden i konsumerad mat.
Hos människor kan interventioner för att förändra tarmens mikroflora vara mest effektiva under spädbarn och tidig barndom, när tarmens mikroflora fortfarande utvecklas och initial programmering äger rum i hjärnan, säger Mayer. I sin senaste studie såg forskarna ett visst tidsfönster i spädbarnet, då möss behövde gemensam mikroflora för att utveckla förmågan att undertrycka rädsla i vuxen ålder. Mössen, som under de första tre veckorna var helt isolerade från effekterna av mikrober, placerades sedan under förhållanden där de var tillsammans med möss som hade den vanliga tarmmikrofloran. De "sterila" mössen tog upp mikrober från andra möss, och som ett resultat utvecklade de en rik mikroflora. Men när de växte upp och med dem genomfördes samma experiment på "avvänjning från rädsla",deras resultat var fortfarande låga. Vid bara några veckors ålder var de för tidigt för gamla för att få den normala färdigheten att lära sig att undertrycka sin rädsla.
Men när mikroflora återställdes i nyfödda möss, som fick ett rikt mikrobiom efter att ha placerats hos fosterföräldrar, växte möss upp och uppförde sig normalt. Det visade sig att de första veckorna efter födseln är mikroflora mycket viktig - och denna observation överensstämmer helt med det mer universella konceptet att de neuralkretsar som styr förmågan att uppleva rädsla är känsliga i en tidig ålder, säger Tillisch.
Förmågan att”avvika från rädsla”, som forskarna studerade, är evolutionärt en grundläggande färdighet, sade Artis. Att veta vad som utlöser rädsla och förmågan att anpassa sig när det inte längre är ett hot kan vara avgörande för överlevnad. Underlåtenhet att undertrycka rädsla ses också hos personer med PTSD och är förknippade med andra hjärnstörningar, så fördjupande vetenskaplig kunskap om mekanismerna som påverkar detta nervnätverk kan hjälpa till att förstå grundläggande mänskliga beteenden och sätta scenen för behandlingsalternativ.
I evolutionär skala har människans tarmflora förändrats med stadsbefolkningens tillväxt, och hjärnskador blir mer framträdande. De många mikroberna som lever i var och en av oss har utvecklats med vår art, och det är mycket viktigt att vi förstår hur de påverkar fysisk och mental hälsa, säger Lowry. Genom mikrofloraen kan miljön också påverka vårt nervsystem, vilket ytterligare komplicerar processen att studera hälsa och sjukdomar i hjärnan.
Elena Renken