Микроорганизмы, обитающие в кишечнике, и их гены ассоциированы с когнитивными способностями и нейроанатомией у детейМикроорганизмы, обитающие в кишечнике, и их гены ассоциированы с когнитивными способностями и нейроанатомией у детей
Появляющиеся данные свидетельствуют о том, что микробиом кишечника влияет на когнитивные показатели и нейроразвитие, однако влияние метаболизма микроорганизмов кишечника на общее нейроразвитие до сих пор детально не изучалось.
Кишечник и мозг тесно связаны между собой. Сигналы из мозга поступают в кишечник через вегетативную нервную систему и эндокринную систему, а кишечник может взаимодействовать с мозгом через блуждающий нерв и посредством эндокринных и иммунных (цитокиновых) сигнальных молекул. Кроме того, продукты микробного метаболизма, образующиеся в кишечнике, могут влиять на мозг как опосредованно, стимулируя энтеральную нервную и иммунную системы, так и напрямую - через молекулы, попадающие в кровоток и преодолевающие гематоэнцефалический барьер.
Все чаще выявляются причинно-следственные связи между микробиомом кишечника и развитием нервной системы, особенно атипичным развитием. Эпидемиология и животные модели указывают на влияние микробов кишечника на развитие расстройств аутистического спектра, а специфические микробные таксоны ассоциированы с депрессией и болезнью Альцгеймера. Однако информация об этой "микробиомно-кишечно-мозговой оси" в нормальном нейрокогнитивном развитии остается недостаточной, особенно в раннем возрасте.
Первые годы жизни являются критическими окнами развития как для микробиома, так и для мозга. Считается, что развитие плода происходит в стерильной среде, но новорожденные быстро приобретают микробиом при рождении благодаря контакту с родовым каналом (если роды были вагинальными), ухаживающими лицами, пищей (грудное молоко или смеси) и другими источниками окружающей среды.
Ранний микробиом характеризуется низким микробным разнообразием, быстрой сменой и эволюцией, в нем преобладают актинобактерии, особенно род Bifidobacterium, бактероиды и протеобактерии. Многие из этих бактерий обладают специализированными метаболическими способностями для переваривания человеческого молока, например, Bifidobacterium longum subsp. infantis и Bacteroides fragilis. После введения твердой пищи микробиом кишечника претерпевает еще одну категориальную трансформацию: его разнообразие увеличивается, и большинство таксонов микробиома младенцев заменяются таксонами, более напоминающими микробиом взрослых.
Предыдущие исследования обычно фокусировались либо на микробиомах младенцев, либо на микробиомах взрослых, поскольку проведение статистического анализа в этот переходный период сопряжено с особыми трудностями. Тем не менее, поскольку этот переход совпадает с критическими окнами нейронального развития и связанными с ним нейроразвивающими процессами, включая миелинизацию, нейрогенез и синаптическую обрезку, исследование этой границы является важным.
Мозг ребенка претерпевает значительные анатомические, микроструктурные, организационные и функциональные изменения в первые годы жизни. К 5 годам мозг ребенка достигает >85% своего взрослого размера и достигает почти взрослого уровня миелинизации, а также формируется схема аксональных связей. Большая часть этого развития происходит в дискретные окна, называемые периодами чувствительности (ПЧ), во время которых нейронная пластичность особенно высока. Появляющиеся данные свидетельствуют о том, что время и продолжительность ПЧ могут частично определяться сигналами, поступающими от развивающегося микробиома кишечника. Таким образом, понимание нормального спектра развития здорового микробиома и его связи с нормальным нейрокогнитивным развитием может предоставить возможности для раннего выявления нетипичного развития и предложить возможности для вмешательства.
Ученые из Wellesley College продемонстрировали, что различия в микробиоме кишечника ассоциируются с общей когнитивной функцией и структурой мозга у здоровых детей. В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, изучается эта взаимосвязь у 381 здорового ребенка, что позволяет по-новому взглянуть на развитие детей в раннем возрасте. Микробные сообщества кишечника оценивались с помощью дробного метагеномного секвенирования, что позволило провести профилирование как на таксономическом, так и на генно-функциональном уровне.
Результаты исследования выявили связь между микробиомом кишечника и когнитивными функциями у детей. Определенные виды кишечных микроорганизмов, такие как Alistipes obesi и Blautia wexlerae, ассоциируются с более высокими когнитивными функциями. И наоборот, такие виды, как Ruminococcus gnavus, более распространены среди детей с более низкими когнитивными показателями. Исследование подчеркивает роль микробных генов, особенно тех, которые участвуют в метаболизме нейроактивных соединений, таких как короткоцепочечные жирные кислоты, во влиянии на когнитивные способности.
Усовершенствованные модели машинного обучения продемонстрировали способность микробных профилей кишечника предсказывать изменения в структуре мозга и когнитивных способностях, подчеркивая потенциал для раннего обнаружения и стратегий вмешательства в нейроразвитие. Данная работа представляет собой важный первый шаг в понимании взаимосвязи между микробиомом кишечника и когнитивными функциями у детей.
В исследовании впервые изучается ось "кишечник-мозг-микробиом" в нормальном нейрокогнитивном развитии здоровых детей. Новаторской является интеграция многомерных линейных моделей и моделей машинного обучения для анализа сложной взаимосвязи между профилями микробиома кишечника и нейроразвитием. Эти модели не только установили связь микробиоты кишечника с когнитивными функциями, но и предсказали будущие когнитивные показатели на основе микробных профилей в раннем возрасте.
Полученные результаты открывают путь к разработке биомаркеров нейрокогнитивных функций и развития мозга. Это исследование может привести к раннему выявлению проблем развития и принятию соответствующих мер, что потенциально может смягчить долгосрочные когнитивные проблемы. Оно подчеркивает важность здоровья кишечника в раннем детстве, предлагая родителям и медицинским работникам рекомендации по питанию и образу жизни. Кроме того, эта работа знаменует собой первый шаг к формулированию гипотез, которые можно проверить экспериментально и на животных моделях.
