Как микробиом кишечника влияет на эволюцию и работу мозга: обзор исследования
Человеческий мозг — уникальный и загадочный орган, чье развитие потребовало колоссальных энергетических ресурсов в ходе эволюции. Почему наш мозг так велик относительно тела по сравнению с другими приматами? И как организм смог обеспечить его столь высокие метаболические потребности? Долгое время эти вопросы оставались без ответа, но новое исследование ученых Северо-Западного университета (Northwestern University) проливает свет на удивительного посредника в этом процессе — микробиом кишечника. Оказывается, триллионы бактерий, населяющих наш пищеварительный тракт, могут быть не просто пассивными обитателями, а активными участниками формирования функций мозга, влияя на его энергетику, пластичность и даже потенциальную уязвимость к психическим расстройствам.
Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, стало первым, где эмпирически доказывается прямая причинно-следственная связь между кишечными микробами разных видов приматов и функционированием мозга у животных-реципиентов. Руководитель работы, профессор биологической антропологии Кэти Амато, отмечает: «Наше исследование показывает, что микробы воздействуют на признаки, имеющие значение для нашего понимания эволюции, и особенно эволюции человеческого мозга».
Ученые продолжили свою предыдущую работу, в которой было обнаружено, что микробы приматов с большим мозгом (например, человека) при переносе мышам усиливают выработку метаболической энергии в кишечнике хозяина — ключевое условие для поддержания ресурсоемкого мозга. На новом этапе исследователи решили проверить, как микробы от приматов с разным относительным размером мозга (человека, беличьей обезьяны — как примеры видов с крупным мозгом, и макаки — как вид с меньшим мозгом) повлияют на сам мозг мышей. Для этого стерильным мышам, лишенным собственной микрофлоры, трансплантировали кишечные микробы этих приматов и наблюдали за изменениями в течение восьми недель.
Результаты оказались поразительными. Мозг мышей, получивших микробиом от приматов с большим мозгом, демонстрировал повышенную экспрессию генов, связанных с производством клеточной энергии и синаптической пластичностью — фундаментальным процессом, лежащим в основе обучения и памяти. У мышей с «маломозговыми» микробами от макак активность этих генов была существенно ниже. Более того, паттерны экспрессии генов в мозге мышей начали удивительным образом напоминать таковые у тех самых приматов, которые были донорами микробов. Как отмечает Амато, ученым фактически удалось «заставить» мозг мышей функционировать подобно мозгу приматов, просто изменив состав их кишечной микрофлоры.
Особенно интригующим стало второе ключевое открытие. У мышей с микробами от макак (приматов с меньшим размером мозга) обнаружилась характерная картина экспрессии генов, ассоциированных с такими нейропсихиатрическими расстройствами, как синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ), шизофрения, биполярное расстройство и расстройства аутистического спектра.
Хотя связь между составом микробиома и этими состояниями у людей ранее уже прослеживалась в корреляционных исследованиях, данная работа предоставляет новые доказательства возможной причинной роли микробов. «Если человеческий мозг подвергается воздействию «неправильных» микробов, его развитие изменится, — поясняет Амато. — То есть, если в критический ранний период развития вы не получите «правильные» микробы, ваш мозг будет работать иначе, что может способствовать появлению симптомов этих расстройств».
Это исследование открывает новые горизонты как для эволюционной биологии, так и для медицины. Оно не только предлагает оригинальное объяснение того, как микробиом мог способствовать эволюционному увеличению мозга у предков человека, обеспечивая необходимый энергетический ресурс, но и указывает на глубокую связь между кишечником и мозгом в процессе индивидуального развития.
Кэти Амато подчеркивает важность изучения «правил взаимодействия микробов с мозгом» — тех фундаментальных механизмов, которые, возможно, едины для разных видов. Понимание этих закономерностей может в будущем привести к разработке новых подходов в профилактике и терапии психических заболеваний через коррекцию микробиома, а также заставит нас по-новому взглянуть на роль среды и экологии в формировании самого сложного органа человека.