Микробы могут быть ключом к эволюции мозга

Новое исследование показывает, что изменения в микробиоме кишечника могут менять работу мозга.

У человека самый большой относительный размер мозга среди приматов, но мало известно о том, как млекопитающие с крупным мозгом эволюционировали, чтобы удовлетворить высокие энергетические потребности для его роста и поддержания.

Новое исследование Северо-Западного университета, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, впервые предоставляет эмпирические данные, показывающие прямую роль микробиома кишечника в формировании различий в функционировании мозга у разных видов приматов.

"Наше исследование показывает, что микробы влияют на признаки, важные для нашего понимания эволюции, и особенно эволюции человеческого мозга", — сказала Кэти Амато, доцент кафедры биологической антропологии и руководитель исследования.

Исследование основано на предыдущих выводах лаборатории Амато, которые показали, что микробы приматов с крупным мозгом, введённые мышам-реципиентам, производили больше метаболической энергии в их микробиоме — что является предпосылкой для развития крупного мозга, энергетически затратного в развитии и функционировании. На этот раз учёные хотели изучить сам мозг, чтобы увидеть, изменят ли микробы от приматов с разным относительным размером мозга работу мозга мышей-реципиентов.

Что обнаружили

В контролируемом лабораторном эксперименте исследователи имплантировали кишечные микробы от двух видов приматов с крупным мозгом (человек и беличья обезьяна) и одного вида с небольшим мозгом (макака) в стерильных мышей.

В течение восьми недель после изменения микробиома реципиентов они наблюдали, что мозг мышей с микробами от приматов с небольшим мозгом действительно работал иначе, чем мозг мышей с микробами от приматов с крупным мозгом.

У мышей с микробами приматов с крупным мозгом исследователи обнаружили повышенную экспрессию генов, связанных с производством энергии и синаптической пластичностью — физическим процессом обучения в мозге. У мышей с микробами приматов с небольшим мозгом экспрессия этих процессов была ниже.

"Особенно интересно, что мы смогли сравнить данные по мозгу мышей-реципиентов с данными по реальному мозгу макак и человека, и, к нашему удивлению, многие паттерны экспрессии генов мозга у мышей совпали с паттернами у самих приматов", — сказала Амато. "Другими словами, мы смогли сделать мозг мышей похожим на мозг реальных приматов, от которых были получены микробы".

Ещё одним неожиданным открытием стал паттерн экспрессии генов, связанный с СДВГ, шизофренией, биполярным расстройством и аутизмом, у мышей с микробами от приматов с небольшим мозгом.

Хотя существуют доказательства корреляции между такими состояниями, как аутизм, и составом микробиома кишечника, данных о причинно-следственной роли микробов в этих состояниях не хватает.

"Это исследование предоставляет дополнительные доказательства того, что микробы могут причинно способствовать этим расстройствам — в частности, микробиом кишечника формирует функцию мозга во время развития", — сказала Амато. "Основываясь на наших выводах, можно предположить, что если человеческий мозг подвергнется воздействию «неправильных» микробов, его развитие изменится, и мы увидим симптомы этих расстройств, т.е. если вы не подвергнетесь воздействию «правильных» человеческих микробов в раннем возрасте, ваш мозг будет работать иначе, и это может привести к симптомам этих состояний".

Значение и дальнейшие шаги

Амато видит клинические перспективы для дальнейшего изучения происхождения некоторых психологических расстройств и для применения эволюционной перспективы к тому, как микробы влияют на физиологию мозга.

"Интересно подумать о развитии мозга у видов и отдельных особей и исследовать, можем ли мы, изучая межвидовые различия в паттернах, обнаружить правила взаимодействия микробов с мозгом и можно ли эти правила перенести и на индивидуальное развитие".