Физические упражнения являются, пожалуй, наиболее мощным и доступным фактором образа жизни, который человек может использовать для защиты от большого числа заболеваний, включая метаболические, сердечно-сосудистые, нейродегенеративные и онкологические заболевания.
Несмотря на огромную пользу для здоровья, лишь небольшая часть населения придерживается рекомендаций Всемирной организации здравоохранения о 150-300 минутах физических упражнений умеренной интенсивности в неделю. Если не принимать во внимание плотный график работы и дождливую погоду, то какие физиологические проблемы мешают нам регулярно заниматься физической активностью?
Моя исследовательская группа в Пенсильванском университете попыталась ответить на этот вопрос, используя большую когорту генетически разнообразных аутбредных мышей. Мы наблюдали выраженную межиндивидуальную вариабельность способности к физическим нагрузкам, причем лучшие животные превосходили слабых более чем в 10 раз. Затем мы провели глубокое молекулярное и физиологическое профилирование этих мышей и с помощью машинного обучения определили индивидуальные параметры, предсказывающие бег на беговой дорожке и в колесе.
К нашему удивлению, элементы микробиома кишечника возглавили список. Таким образом, мы выяснили функциональное значение микробиома в выполнении физических упражнений и провели эргометрические измерения в гнотобиотических условиях (т.е. с определенной микробной колонизацией). Мы отметили, что отсутствие микробиома у безмикробных или леченных антибиотиками мышей снижает способность к физической нагрузке на ∼50%. Мы установили, что этот эффект микробиоты обусловлен определенными таксономическими элементами, в том числе представителями семейства Lachnospiraceae.
Эти эксперименты позволяют предположить, что микробиом кишечника может вносить важный вклад в межиндивидуальную вариабельность физической активности.
Вопрос о том, как микробиом влияет на физическую активность, привел нас к интригующему открытию. Вопреки нашим ожиданиям, влияние кишечных микроорганизмов на физическую работоспособность не было опосредовано тканями, классически связанными с физической нагрузкой, такими как скелетная мускулатура. Напротив, оказалось, что микробиом оказывает фундаментальное влияние на воздействие физических упражнений на мозг. Интенсивная физическая нагрузка стимулирует многочисленные нейрохимические реакции в мозге, включая резкое высвобождение дофамина в стриатуме (полосатом теле). И что интересно, в отсутствие микробиома этот всплеск резко снижался.
Известно, что высвобождение дофамина в полосатом теле вызывает чувство удовольствия, мотивации и вознаграждения - все элементы феномена "кайфа бегуна", который испытывают некоторые люди после интенсивной физической нагрузки. Основываясь на этих данных, мы предположили, что микробиом может повышать физическую работоспособность благодаря своей способности модулировать дофаминовые реакции, вызываемые физической нагрузкой. Проведя ряд фармакологических и химиогенетических вмешательств, мы обнаружили, что дефицит дофамина действительно является причиной снижения физической активности у животных, лишенных микробиома. Восстановление дофаминовой сигнализации полностью восстанавливало их способность к бегу.
Как микроорганизмы, обитающие в желудочно-кишечном тракте, контролируют уровень нейротрансмиттеров в мозге? Связь между микробиомом и мозгом может происходить либо через молекулы микроорганизмов, попадающие в системную циркуляцию, либо через прямые нейронные связи между кишечником и мозгом. Мы не нашли доказательств того, что системные медиаторы, выделяемые микробиомом, влияют на физическую работоспособность. Напротив, ингибирование сенсорных нейронов, иннервирующих кишечник, повторяло эффект истощения микробиома на физическую активность, в то время как стимуляция сенсорных афферентов восстанавливала работоспособность даже в отсутствие микробиома.
Для определения механизмов влияния микробиома на активность сенсорных нейронов во время тренировки мы объединили микробную генетику, метаболомику и нейронную регистрацию. Мы выявили путь, по которому микробное производство амидов жирных кислот (АЖК) повышает активность сенсорных нейронов через эндоканнабиноидный рецептор CB1. Это повышение активности нейронов, в свою очередь, усиливало стриатумную дофаминовую сигнализацию во время физической нагрузки. Интересно, что этот путь может быть использован для модуляции физической активности с помощью вмешательства в работу желудочно-кишечного тракта. Например, колонизация безмикробных мышей генно-инженерными бактериями, продуцирующими АЖК, или кормление мышей, получавших антибиотики, пищей, содержащей АЖК, восстанавливали их работоспособность. Однако при использовании периферического ингибитора CB1 или центрального блокатора дофаминовых рецепторов положительный эффект этих вмешательств сводился на нет.
Полученные нами результаты имеют несколько важных следствий. Они свидетельствуют о том, что сигналы желудочно-кишечного тракта могут служить фактором, регулирующим активность нейронов мозга, реагирующих на физические нагрузки, и, возможно, усиливать возникновение ощущения "кайфа бегуна". Эволюционное назначение этой связи между кишечником и мозгом еще предстоит выяснить, но мы предполагаем, что она может связывать необходимость длительной физической активности с пищевым статусом желудочно-кишечного тракта.
Психическое состояние играет решающую роль в участии в тренировках и их результативности как у профессиональных спортсменов, так и у любителей бега. Открытие нами микробиом-зависимого пути может способствовать лучшему пониманию факторов, побуждающих одних людей достигать максимальных результатов, в то время как другие предпочитают наблюдать за происходящим со стороны. Изменчивость микробиома и его метаболитов открывает потенциальные возможности для повышения уровня физической активности и увеличения пользы для здоровья в глобальном масштабе.
Стриатальный дофамин является важнейшим медиатором мотивированного поведения не только при занятиях спортом. Наше открытие дает возможность использования этого механизма для влияния на другие дофамин-зависимые функции мозга, такие как обучение, настроение и зависимости. Дальнейшие исследования огромного количества молекул, производимых микробиомом и влияющих на активность нейронов, позволят получить ценные сведения о возможностях формирования психики посредством воздействия на желудочно-кишечный тракт.
Автор: Christoph A. Thaiss, Департамент микробиологии, Медицинская школа Перельмана, Университет Пенсильвании, США.
