Es mag scheinen, als ob unser Gehirn physisch von unserem Darm entfernt ist, aber in den letzten Jahren hat die Forschung starke Beweise dafür geliefert, dass die riesigen Gemeinschaften von Mikroben, die in unserem Darm konzentriert sind, eine Verbindung zwischen dem Gehirn und dem Darm herstellen. Das Darmmikrobiom beeinflusst kognitive Funktionen und Emotionen, beeinflusst Stimmungs- und psychische Gesundheitsprobleme und sogar die Verarbeitung von Informationen. Es war jedoch schwer zu verstehen, wie die Mikroflora dies tut.
Bis vor kurzem zeigten Studien zur Verbindung zwischen Darm und Gehirn hauptsächlich nur eine Korrelation zwischen dem Zustand der Darmmikroflora und den im Gehirn ablaufenden Prozessen. Neue Entdeckungen tragen jedoch dazu bei, ein detaillierteres Bild zu erstellen, das auf Untersuchungen basiert, die die Beteiligung des Mikrobioms an Stressreaktionen belegen. Indem sie sich auf Reaktionen wie Angstgefühle konzentrieren und insbesondere darauf, wie die Angst mit der Zeit verschwindet, untersuchen die Forscher nun, wie sich das Verhalten von Mäusen mit reduzierter Mikroflora unterscheidet. Sie identifizierten Unterschiede in neuronalen Netzen, Gehirnaktivität und Genexpression und fanden auch das Vorhandensein eines kurzen Zeitfensters nach der Geburt eines Individuums, wenn die Wiederherstellung der Mikroflora, dh die bakterielle Besiedlung,immer noch in der Lage, das Auftreten von Verhaltensstörungen bei Erwachsenen zu verhindern. Sie identifizierten sogar vier spezifische Substanzen, die zu diesen Veränderungen beitragen können. Es mag zu früh sein, um vorherzusagen, welche Therapien angeboten werden könnten, wenn wir diesen Zusammenhang zwischen Darmflora und Gehirn verstehen, aber diese spezifischen Unterschiede stützen die Hypothese einer tiefen Beziehung zwischen den beiden Systemen.
Die Bestimmung dieser Interaktionsmechanismen mit dem Gehirn ist laut Christopher Lowry, Assistenzprofessor am Department of Integrative Physiology der University of Colorado in Boulder, eine große Herausforderung in der Mikrobiomforschung. "Wissenschaftler haben einige interessante Ideen", sagte er.
Coco Chu, Hauptautor der neuen Studie und Forscher am Weill Cornell Medicine College, interessierte sich für das Konzept, dass in unserem Körper lebende Mikroorganismen unsere Gefühle und unser Handeln beeinflussen können. Vor einigen Jahren beschloss sie, diese Wechselwirkungen in Zusammenarbeit mit Psychiatern, Mikrobiologen, Immunologen und Wissenschaftlern aus anderen Bereichen eingehend zu untersuchen.
Die Forscher führten eine klassische Übung durch, um Verhaltensfähigkeiten bei Mäusen zu entwickeln. Einige von ihnen erhielten Antibiotika, um die Menge an Mikroflora in ihrem Körper drastisch zu reduzieren, und einige wurden isoliert aufgezogen, so dass sie überhaupt keine Mikroflora hatten. Alle Mäuse lernten gleich gut, Geräusche zu fürchten, gefolgt von einem elektrischen Schlag. Als Wissenschaftler aufhörten, Elektroschocks bei Mäusen anzuwenden, lernten gewöhnliche Mäuse allmählich, keine Angst vor Geräuschen zu haben. Aber bei "sterilen" Mäusen, bei denen die Menge an Mikroflora reduziert war oder es überhaupt keine Mikroflora gab, verschwand die Angst nicht - beim Klang eines Signals gerieten sie in der Regel häufiger in einen Stupor als gewöhnliche Mäuse.
Bei einem Blick in die mediale präfrontale Kortikalis, die Region der Großhirnrinde, die Angstreaktionen verarbeitet, stellten die Forscher deutliche Unterschiede bei den reduzierten Mikrofloramäusen fest: Einige Genaktivitäten waren geringer. Gliazellen der gleichen Art wurden nicht entwickelt. Die sogenannten dendritischen Stacheln - Vorsprünge an Neuronen, die mit dem Prozess der Informationsverarbeitung und des Lernens verbunden sind - traten seltener auf und verschwanden häufiger. In Zellen einer Spezies wurde eine geringere neuronale Aktivität beobachtet. Der Eindruck ist, dass Mäuse ohne gesunde Mikrobiome die Angst nicht vergessen und lernen können, keine Angst zu haben. Und die Forscher konnten es auf zellulärer Ebene sehen.
Die Forscher wollten auch herausfinden, wie der Zustand der Darmflora diese Veränderungen verursacht hat. Eine mögliche Option war, dass Mikroben über den langen Vagusnerv Signale an das Gehirn senden, die sensorische Signale vom Verdauungstrakt zum Hirnstamm übertragen. Aber nach dem Schneiden des Vagusnervs änderte sich das Verhalten der Mäuse nicht. Darüber hinaus schien es möglich, dass die Darmflora Immunantworten auslösen könnte, die das Gehirn betreffen. Die Anzahl und der Prozentsatz der Immunzellen in allen Mäusen waren jedoch gleich.
Die Forscher fanden jedoch vier Arten von Substanzen, die von Darmmikroorganismen ausgeschieden werden und die neuralen Verbindungen beeinflussen, die in Serum, Liquor cerebrospinalis und Stuhl von Mäusen mit unzureichender Mikroflora viel weniger vorhanden waren. Einige dieser Substanzen wurden bereits mit neurologischen Störungen beim Menschen in Verbindung gebracht. Laut dem Mikrobiologen David Artis, Direktor des Instituts für entzündliche Darmerkrankungen am Weill Cornell Medicine College und Hauptautor der Studie, haben Wissenschaftler unter seiner Leitung vorgeschlagen, dass Mikroflora bestimmte Substanzen in großen Mengen freisetzen kann und einige Moleküle eindringen Gehirn.
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In vielen Labors wächst das Interesse an der Identifizierung spezifischer Substanzen, die von Bakterien ausgeschieden werden, die an der Übertragung von Signalen vom Nervensystem beteiligt sind, sagt Melanie Gareau, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Anatomie, Physiologie und Zytologie an der University of California, Davis. Es ist wahrscheinlich, dass zahlreiche Metaboliten an solchen Prozessen beteiligt sind und Stoffwechselwege beteiligt sind.
Emeran Mayer, Professor für Medizin an der Universität von Kalifornien in Los Angeles und Direktor des Oppenheimer Zentrums für Neurobiologie von Stress und Belastbarkeit, stellt fest, dass Forschungsergebnisse zu anderen Erkrankungen wie Depressionen ebenfalls auf einen Zusammenhang mit bestimmten von Mikroben abgesonderten Substanzen hinweisen. Es besteht jedoch noch kein Konsens darüber, welche von ihnen zum Auftreten eines Verstoßes beitragen. Und während viele Menschen mit Hirnstörungen die Darmflora eindeutig verändert haben, ist es oft unklar, ob die Veränderung eine Ursache oder eine Folge der Krankheit ist, sagt er. Änderungen im Zustand der Mikroflora können zu neurologischen Problemen führen, aber Krankheiten können auch Änderungen im Zustand des Mikrobioms verursachen.
In diesem Bereich gibt es nicht nur Meinungsverschiedenheiten über die Folgen von Mikroflora-Störungen, sondern auch über gesunde Mikroflora. „Wir haben uns lange auf die Tatsache konzentriert, dass wir bestimmte Arten von Bakterien identifizieren können, die entweder das Risiko stressbedingter Störungen und Krankheiten darstellen oder ihnen Resistenz verleihen, und dass es sich möglicherweise nicht um eine bestimmte Mikrobe handeln muss Sagt Lowry. Auch bei gesunden Menschen ist die Mikroflora sehr unterschiedlich. Bestimmte Mikroben spielen möglicherweise keine Rolle, wenn die Mikroflora ausreichend vielfältig ist - genau wie bei vielen verschiedenen Arten gesunder Wälder wird eine bestimmte Baumart möglicherweise nicht benötigt.
Die Untersuchung der Auswirkungen von Mikroflora auf das Nervensystem ist jedoch ein neues Gebiet der Wissenschaft, und es besteht sogar Unsicherheit darüber, wie sich dieser Effekt auswirkt. Die Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen früherer Experimente darüber, ob Veränderungen in der Mikroflora dazu beitragen, dass Tiere die erlernten Fähigkeiten vergessen und keine Angst mehr haben, waren entweder unbegründet oder widersprüchlich. Die Schlussfolgerungen von Coco Chu und ihren Kollegen sind von besonderer Bedeutung, da Wissenschaftler die Existenz eines spezifischen Mechanismus nachweisen können, der das beobachtete Verhalten verursacht. Solche Tierversuche sind besonders wichtig, um die klare Verbindung zwischen Nervensystem und Darmflora zu stärken, auch wenn sie nicht darauf abzielen, Wege zur Behandlung des Menschen zu finden, sagt Kirsten Tillisch. Professor für Medizin an der David Geffen School of Medicine an der University of California in Los Angeles. "Die Art und Weise, wie wir Emotionen, körperliche Empfindungen und Wissen im menschlichen Gehirn" verarbeiten ", unterscheidet sich so sehr von der Art und Weise, wie es bei Tieren geschieht, dass es nur sehr schwierig ist, sie anzuwenden", sagt sie.
Theoretisch könnte das Vorhandensein bestimmter Substanzen, die von der Mikroflora freigesetzt werden, dazu beitragen, festzustellen, wer am anfälligsten für Störungen wie die posttraumatische Belastungsstörung (PTBS) ist. Experimente wie diese könnten sogar Wechselwirkungswege zwischen dem Gehirn und dem Mikrobiom identifizieren, die durch die Behandlung beeinflusst werden können. „Diese Experimente mit Mäusen geben uns immer große Hoffnung, dass wir uns dem Stadium der interventionellen Forschung nähern“, sagt Emeran Meyer, und durch den Einsatz präziser Methoden führen diese Studien oft zu erstaunlichen Ergebnissen. Die im Gehirn von Mäusen ablaufenden Prozesse entsprechen jedoch nicht ganz der Aktivität des menschlichen Gehirns. Darüber hinaus unterscheiden sich bei Menschen und Mäusen die Interaktionsprozesse zwischen Gehirn und Darmflora, und diese Diskrepanz wird durch die Tatsache verschärft, dassdass ihre Darmflora aufgrund der unterschiedlichen Nahrungsaufnahme unterschiedlich ist.
Beim Menschen können Interventionen zur Veränderung der Darmmikroflora im Säuglingsalter und in der frühen Kindheit am effektivsten sein, wenn sich die Darmmikroflora noch entwickelt und die anfängliche Programmierung im Gehirn erfolgt, sagt Mayer. In ihrer jüngsten Studie sahen die Forscher ein bestimmtes Zeitfenster im Säuglingsalter, als Mäuse eine gemeinsame Mikroflora benötigten, um die Fähigkeit zu entwickeln, Angst im Erwachsenenalter zu unterdrücken. Die Mäuse, die in den ersten drei Wochen vollständig von den Wirkungen von Mikroben isoliert waren, wurden dann unter Bedingungen gebracht, bei denen sie zusammen mit Mäusen waren, die die übliche Darmmikroflora hatten. Die "sterilen" Mäuse nahmen Mikroben von anderen Mäusen auf und entwickelten als Ergebnis eine reichhaltige Mikroflora. Aber als sie aufwuchsen und mit ihnen die gleichen Experimente zum "Absetzen von der Angst" durchgeführt wurden,Ihre Ergebnisse waren immer noch niedrig. Im Alter von nur wenigen Wochen waren sie alle zu früh alt, um die normale Fähigkeit zu erlernen, ihre Angst zu unterdrücken.
Als jedoch die Mikroflora bei neugeborenen Mäusen wiederhergestellt wurde, die nach der Unterbringung bei Pflegeeltern ein reiches Mikrobiom erhielten, wuchsen die Mäuse auf und verhielten sich normal. Es stellte sich heraus, dass Mikroflora in den ersten Wochen nach der Geburt sehr wichtig ist - und diese Beobachtung entspricht voll und ganz dem universelleren Konzept, dass die neuronalen Schaltkreise, die die Fähigkeit steuern, Angst zu erfahren, in jungen Jahren empfindlich sind, sagt Tillisch.
Die Fähigkeit, „die Gewohnheit der Angst zu brechen“, die die Forscher untersuchten, ist evolutionär eine grundlegende Fähigkeit, sagte Artis. Zu wissen, was Angst auslöst und sich anpassen kann, wenn es keine Bedrohung mehr darstellt, kann überlebenswichtig sein. Das Versagen, Angst zu unterdrücken, tritt auch bei Menschen mit PTBS auf und ist mit anderen Erkrankungen des Gehirns verbunden. Eine Vertiefung der wissenschaftlichen Kenntnisse über die Mechanismen, die dieses neuronale Netzwerk beeinflussen, kann uns helfen, grundlegende menschliche Verhaltensweisen zu verstehen und die Voraussetzungen für Behandlungsoptionen zu schaffen.
Auf evolutionärer Ebene hat sich die menschliche Darmflora mit dem Wachstum der städtischen Bevölkerung verändert, und Hirnschäden werden immer wichtiger. Die vielen Mikroben, die in jedem von uns leben, haben sich mit unserer Spezies entwickelt, und es ist sehr wichtig, dass wir verstehen, wie sie sich auf die körperliche und geistige Gesundheit auswirken, sagt Lowry. Durch die Mikroflora kann die Umwelt auch unser Nervensystem beeinflussen, was den Prozess der Untersuchung der Gesundheit und Krankheiten des Gehirns weiter erschwert.
Elena Renken
