Недавние исследования показали, что изменения в микробиоте кишечника - триллионах бактерий и других микробов, живущих в кишечнике, - могут изменить мозг и поведение. Теперь исследование, проведенное учеными из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, может пролить свет на то, как и почему происходит это явление.
В эксперименте, проведенном на мышах, исследователи обнаружили, что кишечные микробы могут усугублять последствия когнитивных нарушений из-за того, как они воздействуют на гиппокамп, область мозга, которая имеет решающее значение для памяти и обучения. Они обнаружили, что концентрация одной группы бактерий, называемых Bilophila, резко увеличилась в микробиоте кишечника мышей, которых кормили кетогенной диетой с высоким содержанием жиров и низким содержанием углеводов, и которые периодически лишались кислорода, создавая состояние, называемое гипоксией.
Ученые также обнаружили, что кетогенная диета, гипоксия и лечение видом Bilophila под названием Bilophila wadsworthia нарушили работу гиппокампа, что привело к снижению когнитивных способностей у мышей.
Исследование опубликовано в рецензируемом журнале Cell Host & Microbe.
Исследователи дали нескольким мышам кетогенную диету, а другим - стандартную диету. Затем все мыши получали пониженный уровень кислорода в течение пяти дней подряд, а затем им давали четыре дня на восстановление. Лишение животных некоторого количества кислорода было для ученых способом вызвать когнитивные нарушения, чтобы имитировать когнитивные нарушения у людей, которые могут быть вызваны неврологическими заболеваниями или старением.
Далее ученые наблюдали за их способностью ориентироваться в лабиринте. Пытаясь найти выход из лабиринта, мыши на кетогенной диете совершали в среднем на 30% больше ошибок, чем мыши на стандартной диете. (Разница между двумя группами составляла от 25% до 75%.)
Исследователи также оценили, могут ли различные диеты сами по себе вызывать какие-либо изменения в когнитивном поведении у мышей, которые не были лишены кислорода. В этом эксперименте не было заметной разницы в способности мышей находить выход из лабиринта в зависимости от того, придерживались ли они кетогенной или стандартной диеты, что указывает на то, что негативное влияние на когнитивные способности происходило только в сочетании с кислородным голоданием.
«Эти результаты подчеркивают способность различных факторов окружающей среды взаимодействовать друг с другом, влияя на когнитивное поведение мышей», - говорит ведущий автор Кристин Олсон, аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Затем исследователи исследовали, что произойдет, если они истощат микробиоту мышей, прежде чем вводить кетогенную диету и подвергать их гипоксии. Интересно, что мыши, у которых сначала была истощена микробиота, совершили значительно меньше ошибок в лабиринте, чем мыши, подвергшиеся гипоксии и получавшие кетогенную диету, но у которых сначала не было изменений в их микробиоте.
«Это говорит о том, что микробы, связанные с кетогенной диетой и гипоксией, могут способствовать пагубному воздействию на когнитивные нарушения», - сказал Олсон.
Авторы определили, что Bilophila wadsworthia изменяет, какие гены включены или выключены в гиппокампе, и что бактерия снижает нормальную клеточную передачу сигналов в гиппокампе.
«Bilophila wadsworthia нарушала активность гиппокампа и когнитивное поведение способами, подобными тому, как гипоксия и кетогенная диета вместе взятые», - сказал Олсон. Она добавила, что, учитывая важную роль гиппокампа в обучении и памяти, эти изменения дают представление о том, как Bilophila влияет на когнитивное поведение.
Ученые только сейчас открывают виды микробов, которые могут влиять на поведенческие изменения у мышей и других животных, сказал Сяо. Она добавила, что будет важно более конкретно изучить, как микробные виды могут влиять на мозг - например, через клеточные изменения, которые происходят в ответ на микробы.
Когнитивные нарушения затрагивают миллионы людей старше 65 лет и связаны с широким спектром хронических метаболических, иммунологических и нейродегенеративных расстройств, таких как болезнь Альцгеймера. Элейн Сяо, профессор биологических наук Де Логи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и доцент кафедры болезней пищеварения в Медицинской школе Дэвида Геффена в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, сказала, что новое исследование может стать важным шагом к изучению того, какие микробы влияют или ухудшают когнитивные способности.
«Выявление факторов риска на ранней стадии имеет решающее значение для обеспечения раннего выявления и вмешательства при когнитивных нарушениях», - сказал Сяо, старший автор статьи.
Сяо добавил, что необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, могут ли другие кишечные микробы, помимо Bilophila, также влиять на когнитивные способности и может ли микробиота влиять на снижение когнитивных функций у людей.
Соавторы исследования - бывший аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Алонсо Иньигес, студентка бакалавриата Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Грейс Янг, постдокторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Пинг Фан, докторанты Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Джефф Проновост и Келли Джеймсон, специалисты-исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Томико Рендон и Хорхе Парамо, профессор Калифорнийского технологического института Рустем Исмагилов и аспирант Калифорнийского технологического института Джейкоб Барлоу.
Исследование было поддержано Национальным институтом здравоохранения, Армейским исследовательским бюро Министерства обороны США, Нью-Йоркским фондом стволовых клеток и Инициативой Чана Цукерберга.