Изменения в микробиоте кишечника способствуют когнитивным нарушениям

Как микробы могут усугубить когнитивный спад

Изменения в микробиоте кишечника способствуют когнитивным нарушениям, вызванным кетогенной диетой и гипоксией

Недавние исследования показали, что изменения микробиоты кишечника - триллионы бактерий и других микробов, которые живут в кишечнике, - могут изменить мозг и поведение. Теперь исследование, проведенное учеными из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, может объяснить, как и почему происходит это явление.

В эксперименте, который проводился на мышах, исследователи обнаружили, что кишечные микробы могут усугублять последствия когнитивных нарушений из-за того, как они влияют на гиппокамп, область мозга, которая имеет решающее значение для памяти и обучения. Они обнаружили, что концентрация одной группы бактерий под названием 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 разновидностью Bilophila, называемой Bilophila wadsworthia, нарушают работу гиппокампа, что приводит 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.

Затем ученые наблюдали за их способностью перемещаться по лабиринту. Пытаясь выбраться из лабиринта, мыши на кетогенной диете совершали в среднем на 30% больше ошибок, чем мыши, получавшие стандартную диету (разница между двумя группами составляла от 25% до 75%).

Исследователи также оценили, могут ли разные 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 найти выход из лабиринта в зависимости от того, придерживались ли они кетогенной диеты или стандартной диеты, что указывает на то, что отрицательное влияние на когнитивные способности происходило только в сочетании с кислородным голоданием.

«Эти результаты подчеркивают способность различных факторов окружающей среды взаимодействовать друг с другом и влиять на когнитивное поведение мышей», - сказала ведущий автор исследования Кристин Олсон (Christine Olson), аспирантка Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Затем исследователи изучили, что произойдет, если они истощат микробиоту мышей до введения кетогенной диеты и воздействия на них гипоксии. Интересно, что мыши, у которых была истощена микробиота, сначала совершали значительно меньше ошибок в лабиринте, чем мыши, которые подвергались гипоксии и получали кетогенную диету, но не претерпели сначала изменений в своей микробиоте.

«Это говорит о том, что микробы, связанные с кетогенной диетой и гипоксией, могут способствовать пагубному влиянию на когнитивные нарушения», - сказала Олсон.

Авторы определили, что Bilophila wadsworthia изменяет то, какие гены включаются или выключаются в гиппокампе, и что бактерия снижает нормальную клеточную передачу сигналов в гиппокампе.

«Bilophila wadsworthia нарушила активность гиппокампа и когнитивное поведение, подобно тому, как это сделали вместе гипоксия и кетогенная диета», - сказала Олсон. Она добавила, что, учитывая важную роль гиппокампа в обучении и памяти, изменения предлагают ключи к разгадке того, как Bilophila влияет на когнитивное поведение.

По словам соавтора исследования Элейн Сяо (Elaine Y. Hsiao), ученые только сейчас открывают виды микробов, которые могут влиять на изменения в поведении мышей и других животных. Она добавила, что будет важно более конкретно изучить, как виды микробов могут влиять на мозг - например, через клеточные изменения, которые происходят в ответ на микробы.

Когнитивные нарушения поражают миллионы людей старше 65 лет и связаны с широким спектром хронических метаболических, иммунологических и нейродегенеративных нарушений, таких как болезнь Альцгеймера. Элейн Сяо, профессор биологических наук De Logi Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и доцент кафедры заболеваний пищеварительной системы Медицинской школы Дэвида Геффена (David Geffen School) в Калифорнийском университете, сказала, что новое исследование может стать важным шагом на пути к изучению того, какие микробы влияют на когнитивные способности или ухудшают их.

«Выявление факторов риска на раннем этапе имеет решающее значение для раннего выявления когнитивных нарушений и принятия соответствующих мер», - сказала Сяо, старший автор статьи.

Элейн Сяо добавила, 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.

Исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения, Управлением армейских исследований Министерства обороны США, Фондом стволовых клеток Нью-Йорка и Инициативой Чана Цукерберга (CZI).

Источник: Материалы предоставлены University of California - Los Angeles.

См. дополнительно:

Краткие выводы и резюме из статьи в журнале CellHost & Microbe

Особенности

• Кетогенная диета и гипоксия синергетически ухудшают когнитивное поведение мышей
• Истощение или трансплантация кишечной микробиоты модулирует когнитивное поведение мышей
• Bilophila wadsworthia нарушает когнитивное поведение и физиологию гиппокампа
• IFNγ-продуцирующие клетки Th1 способствуют когнитивным нарушениям, опосредованным микробиотой

Резюме

Многие генетические факторы и факторы окружающей среды повышают восприимчивость к когнитивным нарушениям (CI, cognitive impairment), и микробиом кишечника становится все более вовлеченным в этот процесс. Однако идентичность кишечных микробов, связанных с риском CI, их влияние на CI и их механизмы остаются неясными. Здесь мы показываем, что диета с ограничением углеводов (кетогенная) усиливает CI, вызванный перемежающейся гипоксией у мышей, и изменяет микробиоту кишечника. Истощение микробиома снижает CI, тогда как трансплантация микробиома, связанного с риском, или моноколонизация с Bilophila wadsworthia приводит к CI у мышей, получавших стандартную диету. B. wadsworthia и связанный с риском микробиом нарушают синаптическую пластичность гиппокампа, нейрогенез и экспрессию генов. CI связаны с микробиом-зависимым увеличением количества клеток Th1, продуцирующих интерферон-гамма (IFNγ). Ингибирование развития клеток Th1 устраняет неблагоприятное воздействие как B. wadsworthia, так и факторов риска окружающей среды на CI. Вместе эти результаты позволяют идентифицировать отдельные кишечные бактерии, которые способствуют экологическому риску развития CI у мышей, способствуя воспалению и дисфункции гиппокампа.

Статья в журнале: Christine A. Olson, Elaine Y. Hsiao, et al. Alterations in the gut microbiota contribute to cognitive impairment induced by the ketogenic diet and hypoxia. CellHost & Microbe, 2021

К разделу: Ось кишечник – мозг

Будьте здоровы!