Microbiomul intestinal și evoluția creierului: dovezi experimentale privind influența microbilor asupra funcției cerebrale

Un studiu realizat la Universitatea Northwestern și publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America arată că microbiomul intestinal poate influența direct funcționarea creierului, iar cercetarea arată existența unei legături profunde între microorganismele intestinale și activitatea cerebrală de tip evolutiv.

• Microbiomul intestinal contribuie la diferențele interspecii privind funcția cerebrală.
• Șoareci inoculați cu microbi din primate cu creier mare prezintă activare crescută a genelor energetice și a celor implicate în plasticitatea sinaptică.
• Modelele de expresie genică la șoareci reflectă tiparele din creierele primatelor donatoare.
• Microbiota provenită de la primate cu creier mic generează profile genetice asociate tulburărilor neurodezvoltării.
• Rezultatele sugerează că microbiomul ar putea fi implicat în evoluția encefalizării primatelor.

Context

Dimensiunea mare a creierului uman, în raport cu greutatea corporală, reprezintă una dintre caracteristicile definitorii ale speciei. Creșterea și funcționarea unui creier voluminos implică un consum energetic substanțial, iar studiile anterioare au sugerat că microbiomul intestinal poate contribui la furnizarea energiei necesare. Cercetări precedente din același laborator au demonstrat că microbii proveniți de la primate cu creier mare produc, în modele murine, cantități crescute de energie metabolică. Această observație a deschis ipoteza că microbiota ar fi putut facilita, din perspectivă evolutivă, expansiunea cerebrală.

Despre studiu

Studiul a urmărit verificarea directă a efectelor microbiomului asupra funcției cerebrale. Pentru aceasta, cercetătorii au utilizat șoareci complet lipsiți de microbi, pe care i-au inoculat cu microbiote provenite de la trei specii de primate atent selectate:

• O specie cu creier mare: Homo sapiens.
• O specie cu creier mare, dar filogenetic îndepărtată: maimuța veveriță (squirrel monkey).
• O specie cu creier mai mic: macacul.

Designul experimental a permis separarea efectelor mărimii creierului de gradul de înrudire evolutivă. Șoarecii au fost supuși unei perioade de opt săptămâni de colonizare microbiană, după care au fost analizate activitatea cerebrală, expresia genelor și căile metabolice din creier.

În plus, cercetătorii au comparat tiparele de expresie genică din creierul șoarecilor cu cele din creiere reale de primate, pentru a identifica paralelisme evolutive. S-au analizat gene implicate în metabolismul glucozei, producția energetică, procesele neuroplastice și gene asociate cu tulburările neurodezvoltării.

Rezultate

Diferențe în activitatea cerebrală

Șoarecii colonizați cu microbi proveniți de la primate cu creier mic au prezentat tipare distincte de activitate cerebrală comparativ cu cei inoculați cu microbi din specii cu creier mare. Aceste diferențe au afectat atât gene implicate în funcția neuronală, cât și rețele cerebrale legate de învățare și adaptare.

Activarea căilor energetice și plasticitatea sinaptică

Șoarecii care au primit microbi proveniți de la oameni și maimuțele veveriță au prezentat:

• activare crescută a genelor responsabile de producția de energie (inclusiv gene pentru fosforilare oxidativă);
• stimularea căilor implicate în plasticitatea sinaptică, proces fundamental pentru memorie și învățare.

Aceste modificări nu au fost observate în aceeași măsură la șoarecii inoculați cu microbi din macac.

Paralelisme evolutive între șoareci și primate

Un rezultat remarcabil al cercetării este faptul că modelele de expresie genică din creierul șoarecilor colonizați cu microbi din specii diferite reproduc tiparele întâlnite în creierele reale ale primatelor donatoare. Astfel, microbiomul uman a indus expresii genetice apropiate de cele observate în creierul uman, un indicator puternic al rolului cauzal exercitat de compoziția microbiotei.

Asocieri cu tulburările neurodezvoltării

Șoarecii colonizați cu microbi din primate cu creier mic au prezentat expresii genetice similare celor observate în condiții precum deficitul de atenție, schizofrenia, bipolaritatea și autismul.

• Gene conservate implicate în aceste tulburări au fost atenuate în prezența microbiotei umane, sugerând un posibil efect protector al compoziției microbiene tipice speciilor cu creier mare.
• Aceste observații susțin ideea că absența expunerii timpurii la „microbii potriviți” ar putea modifica traiectoria neurodezvoltării.

Implicații metabolice

Microbiomul uman a crescut expresia genelor implicate în metabolismul glucozei și în gluconeogeneză, ceea ce sugerează că acești microbi au capacitatea de a crește furnizarea energetică la nivel cerebral. Această adaptare ar putea reprezenta un mecanism evolutiv prin care primatele cu creier mare au susținut costurile energetice ridicate ale encefalizării.

Discuții și implicații

Rezultatele oferă o perspectivă nouă asupra modului în care microbiomul intestinal ar fi putut contribui la evoluția creierului. Datele sugerează că anumite combinații microbiene ar putea fi necesare pentru dezvoltarea optimă a creierului uman. Totodată, studiul oferă o bază mecanistică pentru legăturile dintre tulburările neurodezvoltării și microbiom.

Există implicații clinice importante:

• posibilitatea de a folosi profilul microbiomului ca biomarker pentru riscul neuropsihiatric;
• potențiala dezvoltare de intervenții microbiene pentru susținerea dezvoltării cerebrale;
• identificarea căilor metabolice modulate de microbi, relevante pentru prevenție și tratament.

Autorii subliniază caracterul preliminar al concluziilor, dat fiind numărul limitat de specii investigate. Totuși, studiul deschide un drum promițător pentru cercetările viitoare privind interacțiunile evolutive dintre microbi și creier.