PNAS: кишечные микробы сыграли важную роль в эволюции человеческого мозга

Фото из открытых источников

По сравнению с другими приматами, у человека мозг удивительно большой по отношению к размерам тела. Высокие потребности в глюкозе, как следствие, могли быть обусловлены изменениями в кишечной микробиоте, которые могут влиять на метаболизм хозяина. В новом исследовании ученые проверили эту гипотезу, инокулировав безмикробных мышей кишечными микробами трех видов приматов, различающихся размером мозга. 

Различия в экспрессии генов в мозге мышей, инокулированных человеческими и макаковскими кишечными микробами, отражали закономерности, наблюдаемые в мозге человека и макаки, а человеческие кишечные микробы стимулировали выработку и использование глюкозы в мозге мышей. Полученные результаты свидетельствуют о том, что видовые различия в кишечной микробиоте могут влиять на метаболизм мозга и позволяют предположить, что кишечная микробиота могла поддерживать энергетические потребности, связанные с большим размером мозга у приматов. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Наше исследование показывает, что микробы воздействуют на признаки, имеющие значение для нашего понимания эволюции, и особенно эволюции человеческого мозга», — сказала соавтор исследования Кэти Амато из Северо-Западного университета.

Данное исследование основывается на предыдущих результатах, показавших, что микробы, выделенные из более крупных мозговых приматов, при введении их в организм мышей-хозяев, вырабатывают больше метаболической энергии в микробиоме хозяина — необходимое условие для развития и функционирования большого мозга, что требует больших энергетических затрат.

На этот раз исследователи хотели изучить сам мозг, чтобы выяснить, изменят ли микробы от разных приматов с разным относительным размером мозга то, как функционирует мозг мышей-хозяев.

В ходе контролируемого лабораторного эксперимента они имплантировали кишечные микробы двух видов приматов с большим мозгом (человека и беличьей обезьяны) и одного вида приматов с малым мозгом (макаки) мышам, не имевшим доступа к микробам.

В течение восьми недель после внесения изменений в микробиом хозяев исследователи обнаружили, что мозг мышей с микробами от приматов с маленьким мозгом действительно функционировал иначе, чем мозг мышей с микробами от приматов с большим мозгом.

У мышей с микробами, поражающими большой мозг приматов, ученые обнаружили повышенную экспрессию генов, связанных с производством энергии и синаптической пластичностью — физическим процессом обучения в мозге.

У мышей с меньшим размером мозга, пораженного микробами приматов, наблюдалось менее выраженное проявление этих процессов.

«Что было особенно интересно, так это то, что мы смогли сравнить данные, полученные из мозга мышей-хозяев, с данными из мозга настоящих макак и людей, и, к нашему удивлению, многие закономерности, которые мы наблюдали в экспрессии генов в мозге мышей, совпадали с закономерностями, наблюдаемыми у самих приматов», — сказала Амато. «Иными словами, нам удалось сделать так, чтобы мозг мышей выглядел как мозг настоящих приматов, от которых произошли микробы».

Еще одним неожиданным открытием авторов стала выявленная закономерность в экспрессии генов, связанных с СДВГ, шизофренией, биполярным расстройством и аутизмом, у мышей, зараженных микробами от приматов с меньшим размером мозга.

Хотя существуют данные, свидетельствующие о корреляции между такими состояниями, как аутизм, и составом кишечного микробиома, данных, подтверждающих вклад кишечных микробов в развитие этих состояний, недостаточно.

«Это исследование предоставляет дополнительные доказательства того, что микробы могут быть причинно связаны с этими расстройствами — в частности, микробиом кишечника влияет на функции мозга в процессе развития», — сказала Амато.«На основании наших выводов мы можем предположить, что если человеческий мозг подвергается воздействию «неправильных» микробов, его развитие изменится, и мы увидим симптомы этих расстройств, то есть, если вы не подвергаетесь воздействию «правильных» человеческих микробов в раннем детстве, ваш мозг будет работать по-другому, и это может привести к симптомам этих состояний».