Исследование № 22

Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей

Кишечная микрофлора – один из важнейших “факторов среды” для многих животных. Реакции организма на присутствие тех или иных компонентов кишечной микрофлоры могут быть на удивление сложными и многообразными. Эти реакции можно рассматривать как проявление фенотипической пластичности. В таком случае деление наших микроскопических спутников на “хороших” и “плохих”, полезных и вредных, будет зависеть от того, адаптивными или неадаптивными являются пластические изменения, возникающие в ответ на контакт с микробами. При этом, конечно, нужно помнить, что польза и вред всегда относительны: одно и то же изменение фенотипа может оказаться полезным или вредным в зависимости от обстоятельств. В последние годы стали появляться убедительные данные, показывающие, что кишечные бактерии способны влиять даже на такие сложные, “высокоуровневые” признаки, как особенности социального поведения. Здесь мы рассмотрим исследование, показавшее, что бактерия Lactobacillus reuteri может влиять на социализацию млекопитающих. Известно, что у матерей, страдающих ожирением, дети имеют повышенный риск расстройств аутистического спектра, у них чаще нарушается социальное поведение. Аналогичная закономерность прослеживается и у мышей. В основе этих отклонений, как показали эксперименты, могут лежать изменения кишечной микробиоты. Если самки питались жирной пищей, то у их мышат кишечная микрофлора оказывалась нарушенной. Кроме того, снижалось производство окситоцина в гипоталамусе, слабела реакция системы внутреннего подкрепления на социальные стимулы и, как следствие, пропадал интерес к общению. Но все эти печальные симптомы исчезли, когда мышатам в пищу добавили один-единственный вид кишечных бактерий – L. reuteri. По-видимому, эта бактерия стимулирует адаптивную фенотипическую пластичность по признакам социального поведения, направляя развитие мозга в “выгодную” для животного сторону. Предполагается, что кишечные бактерии влияют на развивающийся мозг при посредничестве блуждающего нерва.

Симбиотическая микробиота, в том числе кишечная, влияет на многие аспекты физиологии, поведения и эволюции животных. Состав кишечной микробиоты частично наследуется (например, у млекопитающих бактерии передаются от матери к детям во время родов и при грудном вскармливании), а частично зависит от контактов с другими особями и, конечно, от диеты.

Также известно, что диета матери может влиять на неврологические и поведенческие характеристики потомства. В частности, у людей вероятность расстройств аутистического спектра повышается в полтора-два раза, если мать во время беременности имеет избыточный вес (Krakowiak et al., 2012). Ранее было показано, что у мышей некоторые симптомы, характерные для аутизма (тревожность, стереотипные движения), можно ослабить, добавляя в пищу кишечную бактерию Bacteroides fragilis. Впрочем, на социальное поведение мышей и их интерес к общению с сородичами эта процедура не влияет (Hsiao et al., 2013). Но так или иначе, позволительно предположить, что связь между ожирением матери и аутизмом у потомства опосредуется изменениями кишечной микробиоты.

Нейробиологи и микробиологи из Медицинского колледжа Бейлора (США) решили проверить эту гипотезу экспериментально. Поскольку на людях проводить такие опыты невозможно, в качестве модельного объекта снова были выбраны мыши. Основное внимание уделялось нарушениям социального поведения (Buffington et al., 2016).

Для начала нужно было удостовериться, что у мышей, как и (предположительно) у людей, работает цепочка причинно-следственных связей “избыточное питание матери → ожирение → аутизм у потомства”. Для этого самок разделили на контрольную и опытную группы. Контрольных самок держали на стандартной диете, а опытных – на диете с повышенным содержанием жиров, что, как и ожидалось, привело к ожирению.

Затем от всех самок было получено потомство, которое после трехнедельного периода грудного вскармливания в течение четырех недель кормили стандартной (нежирной) пищей. Потомство толстых матерей не отличалось от потомства нормальных матерей по массе тела. Однако по своему социальному поведению они различались радикально: потомки перекормленных матерей демонстрировали резко пониженный интерес к общению по сравнению с потомками нормально питавшихся матерей (рис. 22.1).

Социальное поведение оценивалось разными способами: например, двух незнакомых мышей сажали в камеру и подсчитывали число и длительность контактов. Дизайн другого теста показан на рис. 22.2.

Потомки перекормленных матерей во всех тестах продемонстрировали нарушенное социальное поведение: они не хотели общаться с сородичами и не проявляли характерного для нормальных мышей повышенного интереса к незнакомцам (рис. 22.2).

рис. 22.1. Графическое резюме исследования, продемонстрировавшего влияние кишечных бактерий на социальное поведение мышей. Потомство матерей, питавшихся жирной пищей, имеет измененную кишечную микробиоту (дисбиоз), нарушенное социальное поведение, меньшее число производящих окситоцин нейронов в гипоталамусе (PVN – паравентрикулярное ядро гипоталамуса), а также пониженную синаптическую пластичность в вентральной области покрышки среднего мозга (VTA) в ответ на социальные стимулы. Все это проходит, если искусственно заразить мышей кишечными бактериями Lactobacillus reuteri. По рисунку из Buffington et al., 2016.

рис. 22.2. Тестирование на социабельность и интерес к незнакомцам. Тестируемую мышь сажают в камеру, подразделенную на три отсека проволочной сеткой, и дают немного освоиться (привыкание). Затем в левый отсек сажают другую мышь (M₁), а правый оставляют пустым (П) – и измеряют время, проведенное тестируемым животным около каждого из двух отсеков (тест на социабельность). После этого в правый отсек сажают еще одну мышь (M₂) и смотрят, привлечет ли незнакомка повышенное внимание тестируемой особи (тест на социальную новизну). По рисунку из Buffington et al., 2016.

Анализ микробиоты показал, что структура бактериальных сообществ в кишечнике потомков перекормленных и нормально питавшихся матерей существенно различается, причем у их матерей эти различия примерно такие же. Теперь нужно было выяснить, существует ли связь между измененной кишечной микробиотой и нарушенным социальным поведением.

Мыши практикуют копрофагию, поэтому совместное проживание с другими мышами должно способствовать обмену кишечными бактериями между особями. Оказалось, что если мышонок толстой матери поживет в одном боксе с тремя нормальными мышами 4-5 недель, то его кишечная микробиота становится почти такой же, как у обычных мышей, а социальное поведение полностью нормализуется. В качестве контроля в данном случае использовались потомки перекормленных матерей, жившие с тремя товарищами по несчастью (эти мышата так и остались социально ущербными). Таким образом, результат согласуется с предположением о том, что изменение кишечной микробиоты служит причиной нарушенного социального поведения.

Следующий вопрос – какие именно изменения микробиоты ответственны за асоциальность потомства перекормленных матерей. Может быть, у них в кишечнике живут какие-то особые бактерии, нарушающие социальное поведение? Или, наоборот, у них не хватает каких-то микроорганизмов, обеспечивающих нормальное поведение здоровых мышей? Ученые проверили, что будет, если три потомка перекормленных матерей поживут несколько недель с одной нормальной мышью. Оказалось, что и в этом случае их поведение нормализуется, а нормальная мышь асоциальной не становится. Значит, дело скорее в том, что в микробиоте асоциальных мышей чего-то не хватает, а не в том, что в ней присутствует что-то вредное.

Тогда мыши, полностью лишенные бактериальной микробиоты (безмикробные), тоже должны быть асоциальными. Это было проверено и подтвердилось: безмикробные мыши показали во всех тестах на социальность примерно такие же результаты, как и потомки перекормленных матерей.

Каким образом кишечные микробы влияют на поведение? Может быть, у мышей с нарушенной микробиотой просто все время болит живот и поэтому им не до общения? Дальнейшие опыты, однако, показали нечто более интересное.

Оказалось, что если искусственно заразить четырехнедельных безмикробных мышей микробиотой здоровых (скармливая помет), то их социальное поведение нормализуется, так же как и состав кишечных бактерий. Этого, однако, не происходит, если такую же процедуру проделать с безмикробными мышами в восьминедельном возрасте (состав кишечной микробиоты нормализуется, а социальное поведение – нет). Фекалии потомков перекормленных матерей, как и следовало ожидать, не обладают таким целительным действием, в каком бы возрасте их ни скармливали безмикробным мышам. Эти результаты показывают, что микробиота, похоже, как-то влияет на развитие мозга мышат.

Метагеномный анализ выявил несколько видов кишечных бактерий, численность которых высока у контрольных мышей, но резко понижена у потомков перекормленных матерей. Сильнее всего (на порядок) сократилась численность бактерии Lactobacillus reuteri. Ранее было показано, что присутствие L. reuteri влияет на выработку окситоцина (Poutahidis et al., 2013). Таким образом, начал прорисовываться возможный механизм влияния микробиоты на социальное поведение: жирная диета снижает численность L. reuteri у матерей и их потомства, что ведет к снижению производства окситоцина в мозге и, как следствие, к асоциальности.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые добавляли живых бактерий L. reuteri в воду, которой поили потомство перекормленных матерей в возрасте от 3 до 7 недель. В соответствии с ожиданиями, эта “биодобавка” нормализовала социальное поведение подопытных животных. На обычных мышей она не повлияла – очевидно, потому что у них и так есть достаточное количество L. reuteri в кишечнике. Мертвые бактерии L. reuteri от асоциальности не излечивают. Неэффективным оказалось и добавление в воду другого вида того же рода, L. johnsonii, численность которого тоже понижена у потомков перекормленных матерей.

У потомства матерей, страдавших ожирением, и у безмикробных мышей, помимо асоциальности, наблюдаются и другие симптомы, характерные для аутизма: повторяющиеся действия и повышенная тревожность. Эти симптомы не исчезают ни от добавления L. reuteri в воду, ни от скармливания мышатам помета обычных мышей. Правда, ранее было показано, что они снимаются добавлением в пищу человеческой кишечной бактерии B. fragilis. Так или иначе, влияние L. reuteri весьма специфично: оно затрагивает только социальное поведение, но не другие признаки расстройств аутистического спектра, характерные для мышей с нарушенной кишечной микробиотой.

В полном соответствии с гипотезой, согласно которой L. reuteri влияет на социальное поведение через активацию окситоциновой системы мозга, у потомства перекормленных матерей в паравентрикулярном ядре гипоталамуса, отвечающем за производство окситоцина, оказалось пониженным число нейронов, производящих этот самый окситоцин (при неизменном общем числе нейронов в этом ядре). Добавление L. reuteri в питьевую воду нормализует количество выделяющих окситоцин нейронов (рис. 22.1).

Важнейшую роль в социальном поведении млекопитающих играет система внутреннего подкрепления, фундамент которой составляют дофаминовые нейроны вентральной области покрышки среднего мозга (VTA, Ventral Tegmental Area). Эти нейроны получают окситоциновые сигналы из паравентрикулярного ядра, что повышает их восприимчивость к другим сигналам (глутаматэргическим), несущим социально значимую информацию. Попросту говоря, от окситоцина, приходящего в VTA из паравентрикулярного ядра, зависит интерес к сородичам и удовольствие, получаемое от общения с ними.

Анализ работы дофаминовых нейронов VTA у мышей показал, что у потомков нормально питавшихся матерей через сутки после десятиминутного общения с незнакомой мышью возбудимость этих нейронов повышена по сравнению с потомками перекормленных матерей. Через сутки после общения со знакомой особью возбудимость этих нейронов одинаково низкая у всех мышей. Таким образом, диета матерей влияет на силу долговременного ответа системы внутреннего подкрепления на социальную новизну.

Наконец, в заключительной серии экспериментов исследователи показали, что искусственное заражение мышат, рожденных от толстых матерей, бактериями L. reuteri восстанавливает нормальное реагирование VTA на социальные контакты. Такой же эффект дает и простое закапывание мышам в нос окситоцина.

Таким образом, картинка получается вполне складная и убедительная. Диета с повышенным содержанием жиров у мышей приводит к ожирению (людям, кстати, для этого лучше налегать на углеводы) и резко снижает численность L. reuteri в кишечнике самки. Мать передает свою нарушенную микробиоту потомству. Поскольку бактерии L. reuteri необходимы для нормального развития окситоцинэргической системы мозга, у такого потомства количество окситоциновых нейронов в гипоталамусе оказывается пониженным. Из-за этого система внутреннего подкрепления (VTA) не учится генерировать приятные чувства в ответ на социальные стимулы – и животные вырастают безразличными к общению.

Механизм влияния L. reuteri на производство окситоцина еще предстоит выяснить. Однако есть основания полагать, что тут задействован блуждающий нерв, который передает сигналы от кишечника в мозг, в том числе в паравентрикулярное ядро. Именно таким путем поступает в мозг, например, информация о кишечных инфекциях, что, в свою очередь, стимулирует иммунную реакцию.

Приложимы ли эти выводы к человеку? Очень может быть. Как уже говорилось, избыточный вес матери повышает вероятность расстройств аутистического спектра у детей. Известно, что у многих людей с такими расстройствами нарушена кишечная микробиота. Известно также, что ожирение сопровождается изменениями кишечной микробиоты у людей и других приматов. Поскольку L. reuteri излечивает “аутичных” мышат от асоциальности, а бактерия B. fragilis снимает повышенную тревожность и повторяющиеся действия, вполне можно допустить, что правильно подобранный комплекс кишечных бактерий окажется эффективным средством лечения симптомов аутизма не только у мышей.

Здесь можно еще порассуждать о том, что бактериям самим может быть выгодно стимулировать общительность своих хозяев и особенно интерес к незнакомцам, поскольку это помогает микробам заражать новых хозяев. Продолжая эту линию рассуждений, можно пофантазировать о возможной роли микробиоты в эволюции социального поведения в целом и отдельных его форм в частности, включая даже религиозные культы (как то ли в шутку, то ли всерьез предположил известный популяризатор науки, биолог Александр Панчин с соавторами; см. Panchin et al., 2014). Однако на данный момент это не более чем фантазии.