Osundig tarmmikrobiom minskar hjärnsynaptisk beskärning,

försämrar inlärningen En ny studie av Weill Cornell Medicine och Cornell University har kommit med fler förklaringar till hur tarmmikrober kommunicerar med hjärnneuronerna. Studien, publicerad i tidningen Natur den 23 oktober, 2019, undersökte hjärnan hos musmodeller och fann att när tarmmikrobiomet reduceras avsevärt, det finns förändringar i genuttryck i hjärnans mikroglialceller. Dessa förändringar påverkar synaptisk beskärning, en aktivitet som normalt sker för att främja internuronala förbindelser och producera lärande.

Tidigare forskning

Tarmmikrobioten påverkar hur många kroppsprocesser fungerar, såsom immunfunktion, normal metabolism, och organismens utveckling. Det påverkar också värdens beteende, inklusive social aktivitet och stressreaktioner, som är associerade med många olika störningar i hjärnan och/eller sinnet. Dock, det finns inte mycket kunskap om de bakomliggande mekanismerna genom vilka tarmbakterier kan förändra hur hjärncellerna fungerar, eller beteendet hos den större organismen.

Tidigare forskning ger starka indikationer på kopplingen mellan tarmhälsa och en rad olika sjukdomar som ASD och posttraumatisk stressstörning. Många studier har visat att autoimmuna sjukdomar är kopplade till ett onormalt tarmmikrobiom, och även till flera psykiatriska och neurologiska tillstånd. Till exempel, inflammatorisk tarmsjukdom, multipel skleros och psoriasis är alla störningar av autoimmunitet, och dessa individer har en högre risk att ha ett lägre antal olika tarmbakterier, liksom större chanser till ångest, humörstörningar och depression. Vanliga gener verkar också vara närvarande vid både psykiatriska och autoimmuna tillstånd.

Osundlig tarmmikrobiom och dålig inlärningskapacitet

I den aktuella studien, forskarna tittade på hjärnan hos två typer av möss med onormal tarmmikrobiota:möss som fått antibiotika för att minska bakterietillväxt i tarmen, eller möss som har fötts upp i en helt steril miljö för att vara bakteriefri (GF). De utsatte först dessa muspopulationer för en fara, och tog sedan bort den. På att studera inlärningssvar i dessa muspopulationer, de fann att båda visade en sänkt förmåga att lära sig att en fara som hotade dem inte längre var att frukta (kallad skräckutrotningslärande). Med andra ord, normala möss utvecklar ett reflexskräck på en hotad fara, men med tiden, eftersom stimulansen inte lyckades orsaka någon skada efter exponering, deras betingade rädslarsvar minskar. Denna inlärning var inte uppenbar hos GF eller antibiotikabehandlade möss som fortsatte att visa konditionerade rädslarsvar över tid.

Imaging hjärnan. Medial prefrontal cortex som visar kortikala neuroner (grön), mikroglia (röd), och den postsynaptiska markören PSD95 (blå). Bild med tillstånd av Drs. Christopher Parkhurst och David Artis (WCM).

Anledningen till

För att ta reda på varför, forskarna sekvenserade RNA inom mikroglia, hjärnans immunceller. RNA är den mellanliggande molekylen mellan den genetiska ritningen i kärnan och det slutliga proteinet i cytoplasman, producerad från den kodade genen. Således visar en RNA -sekvens en gen uttryckt i den specifika cellen.

Synaptisk beskärning

RNA -sekvensering visade ett annat mönster för genuttryck i hjärncellerna hos dessa muspopulationer, vilket i sin tur påverkade den normala ombyggnaden som sker som en del av inlärningen. Hjärnceller bildar förbindelser eller synapser för att överföra information mellan sig. Dock, när lärandet fortskrider, vissa synapser tas bort och andra läggs till, enligt impulstrafiken längs den vägen. Detta kallas synapsbeskärning och är en viktig process för inlärning.

Vid undersökning av skillnaderna i genuttryck i mushjärnans mediala prefrontala cortex, forskarna upptäckte att till skillnad från mikroglia hos friska möss, dessa mikroglia visade inte normala beskärningsändringar, och detta i sin tur minskade antalet nya synapser som bildades under en inlärningsupplevelse. Denna förändring påverkade deras förmåga att lära sig negativt.

Postsynaptiska dendritiska ryggrader byggdes inte heller om normalt, och cue-kodande neuroner i denna del av hjärnan visade inte normala aktivitetsnivåer. Tillsammans med mikroglia, excitatoriska neuroner och andra hjärncelltyper visade liknande förändringar.

Förändrade neurokemikalier

Dessutom, forskarna fann att det fanns förändringar i nivåerna av fyra kemikalier i hjärnan hos GF -mössen. Dessa kemikalier är vanligtvis associerade med neuropsykiatriska sjukdomar som schizofreni och autismspektrumstörning. Förändringar i dessa kemikalier är därför nära kopplade till förändringar i hjärnans funktion, som i sin tur avgör hur vi känner vår omgivning och hur vi reagerar på dem. Det faktum att ett förändrat tarmmikrobiom är kopplat till något så fundamentalt som hjärnkemi är därför viktigt för att reda ut det underliggande mönstret. Som forskaren Frank Schroeder säger, "Hjärnkemi avgör i huvudsak hur vi känner och reagerar på vår miljö, och bevis bygger på att kemikalier som härrör från tarmmikrober spelar en stor roll. ”

Restaurering av frisk tarmmikrobiota och uppföljaren

Till steg 3 - forskarna försökte nu återställa normal inlärningskapacitet hos möss genom att sätta tillbaka tarmorganismer för att ersätta de som gick förlorade, i den första gruppen, eller genom att transplantera normala mikrobiomer, i GF -befolkningen. De lyckades om tarmmikrobiomet återställdes till det normala direkt efter födseln, med de behandlade mössen som visar normala inlärningsmönster. Å andra sidan, bristen på förbättring med senare ingrepp tyder på det väsentliga behovet av signaler från ett friskt tarmmikrobiom till den utvecklande hjärnan så snart barnet föds.

Implikationer

Forskare Conor Liston kommentarer, ”Det här var ett intressant fynd, med tanke på att många psykiatriska tillstånd som är associerade med autoimmun sjukdom är associerade med problem under tidig hjärnutveckling. ”

Forskaren David Artis säger, ”Tarm-hjärnaxeln påverkar varje människa varje dag i sitt liv. Ingen har ännu förstått hur IBD och andra kroniska gastrointestinala tillstånd påverkar beteende och mental hälsa. Vår studie ger en ny förståelse för hur mekanismerna fungerar. ”

Upplysningen om hur tarmdysbios påverkar hjärnans funktion på molekylär och cellulär nivå kommer, förhoppningsvis, påskynda identifiering av målmolekyler eller vägar för att behandla drabbade människor i framtiden.

• Tarmmikrobiom är också en verklighet i fosterlivet
• Proteinmutation som orsakar inflammatoriska tarmsjukdomar blir dysfunktionell