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.

In ένα χαρτί δημοσιεύθηκε στις αρχές Νοεμβρίου στο PLOS Βιολογία, 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 in 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. Καρά Μαργόλης, παιδογαστρεντερολόγος στο Langone Health του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα έρευνα. Το πώς αυτά τα ανατομικά ξεχωριστά όργανα ασκούν τα αποτελέσματά τους, ωστόσο, είναι πολύ λιγότερο σαφές.

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 σκέφτεται 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 ενηλικίωση, γεγονός που επιτρέπει στους ερευνητές να παρατηρούν την εσωτερική τους ανάπτυξη χωρίς να χρειάζεται να τα ανατέμνουν - 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. Αλλά 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 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 τους εγκεφάλους 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».

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 σε όλη την εξέλιξη», είπε Livia Hecke Morais, ερευνητής 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», είπε ο Washbourne.

Ο Morais προειδοποίησε, ωστόσο, ότι ούτε τα ψάρια ζέβρα ούτε τα ποντίκια είναι τέλεια ανάλογα για τους ανθρώπους — ή το ένα για το άλλο. Τα νευρικά μονοπάτια είναι λίγο διαφορετικά στα ψάρια και στα ποντίκια, είπε. Και καθένας από αυτούς τους οργανισμούς έχει ένα ξεχωριστό σύνολο μικροβίων του εντέρου, τα οποία μπορεί να απελευθερώνουν διαφορετικά χημικά σήματα.

Ωστόσο, η αρχή θα μπορούσε να ισχύει σε γενικές γραμμές για διάφορες ομάδες οργανισμών. Είναι πιθανό ότι διαφορετικές μικροβιακές χημικές ουσίες θα μπορούσαν ακόμα να επηρεάσουν την αφθονία των μικρογλοίων στον εγκέφαλο των ψαριών ζέβρας, των ποντικών, των ανθρώπων και άλλων ζώων, είπε ο Eisen. Αλλά συμφωνεί ότι είναι επικίνδυνο να συγχέουμε κατηγορηματικά διαφορετικά είδη. Οι πρότυποι οργανισμοί «δεν είναι ακριβώς ίδιοι με τους ανθρώπους», είπε.

Μια πολλαπλότητα μικροβιωμάτων

Στο μέλλον, οι Eisen, Washbourne και οι ομάδες τους θέλουν να εντοπίσουν ακριβώς πώς τα μικρόβια του εντέρου του ψαριού ζέβρα στέλνουν σήματα στον εγκέφαλό του. Θέλουν επίσης να καθορίσουν πόσο μεγάλη είναι η ευαίσθητη περίοδος για τη νευροανάπτυξη, για να δουν εάν η έγκαιρη παρέμβαση στο έντερο μπορεί να επαναφέρει την ανάπτυξη του εγκεφάλου σε καλό δρόμο. Τελικά, ελπίζουν ότι αυτή η έρευνα θα προσφέρει μια βαθύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εμφανίζονται οι νευροαναπτυξιακές διαταραχές στους ανθρώπους - αν και αυτό μπορεί να αποδειχθεί δύσκολο.

«Το θέμα είναι ότι η υπόθεση πρέπει να δοκιμαστεί σε ανθρώπους», είπε ο Μαργκόλης, «αλλά αυτό είναι πολύ δύσκολο να γίνει». Η υλικοτεχνική υποστήριξη του σχεδιασμού μιας κλινικής δοκιμής για τον έλεγχο των εντερικών παρεμβάσεων σε ανθρώπινα βρέφη θα ήταν δύσκολη, επειδή καταστάσεις όπως η διαταραχή του φάσματος του αυτισμού δεν διαγιγνώσκονται συνήθως μέχρι την ηλικία των 7 ετών ή αργότερα, πιθανότατα πολύ μετά το κλείσιμο του κρίσιμου παραθύρου.

Τα μικροβιώματα ποικίλλουν επίσης σημαντικά ακόμη και μεταξύ ατόμων του ίδιου είδους. Δύο άτομα που φαίνονται σχεδόν πανομοιότυπα από τις περισσότερες απόψεις μπορεί να έχουν μικροβιακές κοινότητες του εντέρου που διαφέρουν περισσότερο από 70%. Η απλή εξέταση του μικροβιώματος ενός ατόμου δεν είναι ένα χρήσιμο διαγνωστικό εργαλείο για νευροαναπτυξιακές διαταραχές. «Δεν υπάρχει κανένα μικροβίωμα αυτισμού», είπε ο Μαργκόλης.

Για τον Washbourne, εάν αυτή η ευαίσθητη αναπτυξιακή περίοδος υπάρχει στους ανθρώπους, θα μπορούσε να καταστήσει σχεδόν αδύνατη την παρέμβαση. «Δεν νομίζω ότι πλησιάζουμε περισσότερο σε μια μαγική σφαίρα», είπε. Αλλά ακόμη και το να μπορείς να χαρακτηρίσεις την επίδραση του εντέρου στον εγκέφαλο με κάποιο μικρό τρόπο βοηθά στην αποκάλυψη ενός βαθιά πολύπλοκου ανθρώπινου μυστηρίου. Προς το παρόν, είπε, φτάνει.