Het lijkt misschien alsof onze hersenen fysiek ver van onze darmen verwijderd zijn, maar de afgelopen jaren heeft onderzoek sterke aanwijzingen opgeleverd dat de enorme gemeenschappen van microben die geconcentreerd zijn in ons spijsverteringskanaal een verbinding vormen tussen de hersenen en de darmen. Het darmmicrobioom beïnvloedt de cognitieve functie en emoties, beïnvloedt stemmings- en mentale gezondheidsproblemen en zelfs hoe informatie wordt verwerkt. Maar het was moeilijk te begrijpen hoe de microflora dit doet.
Onderzoeken naar de verbinding tussen de darmen en de hersenen lieten tot voor kort vooral een verband zien tussen de toestand van de darmmicroflora en de processen die plaatsvinden in de hersenen. Maar nieuwe ontdekkingen helpen om een gedetailleerder beeld te creëren op basis van onderzoek dat aantoont dat het microbioom betrokken is bij stressreacties. Door te focussen op reacties zoals angstgevoelens, en in het bijzonder hoe angst in de loop van de tijd verdwijnt, onderzoeken de onderzoekers nu hoe het gedrag van muizen met verminderde microflora verschilt. Ze identificeerden verschillen in neurale netwerken, hersenactiviteit en genexpressie, en vonden ook de aanwezigheid van een kort tijdvenster na de geboorte van een individu, wanneer het herstel van microflora, dat wil zeggen bacteriële kolonisatie,nog steeds in staat om het ontstaan van gedragsstoornissen bij volwassenen te voorkomen. Ze identificeerden zelfs vier specifieke stoffen die kunnen bijdragen aan deze veranderingen. Het is misschien te vroeg om te voorspellen welke therapieën er kunnen worden aangeboden als we dit verband tussen darmmicroflora en hersenen begrijpen, maar deze specifieke verschillen ondersteunen de hypothese van een diepe relatie tussen de twee systemen.
Volgens Christopher Lowry, universitair docent bij de afdeling Integratieve Fysiologie aan de Universiteit van Colorado in Boulder, is het bepalen van deze interactiemechanismen met de hersenen een grote uitdaging in microbioomonderzoek. "Wetenschappers hebben een aantal interessante ideeën", zei hij.
Coco Chu, hoofdauteur van de nieuwe studie en onderzoeker aan het Weill Cornell Medicine College, raakte geïnteresseerd in het concept dat micro-organismen die in ons lichaam leven, onze gevoelens en onze acties kunnen beïnvloeden. Enkele jaren geleden besloot ze deze interacties tot in detail te bestuderen in samenwerking met psychiaters, microbiologen, immunologen en wetenschappers uit andere vakgebieden.
De onderzoekers voerden een klassieke oefening uit om gedragsvaardigheden met muizen te ontwikkelen, waarvan sommige antibiotica kregen om de hoeveelheid microflora in hun lichaam drastisch te verminderen, en sommige werden geïsoleerd opgevoed zodat ze helemaal geen microflora hadden. Alle muizen leerden even goed bang te zijn voor geluid, gevolgd door elektrische schokken. Toen wetenschappers stopten met het gebruik van elektrische schokken op muizen, leerden gewone muizen langzamerhand niet bang te zijn voor geluid. Maar bij "steriele" muizen, waarin de hoeveelheid microflora was verminderd of er helemaal geen microflora was, verdween de angst niet - bij het geluid van een signaal vielen ze in de regel vaker in een verdoving dan gewone muizen.
Kijkend in de mediale prefrontale cortex, het gebied van de hersenschors dat angstreacties verwerkt, zagen de onderzoekers duidelijke verschillen in de verminderde microflora-muizen: sommige genactiviteit was lager. Gliacellen van dezelfde soort werden niet ontwikkeld. De zogenaamde dendritische stekels - uitsteeksels op neuronen die verband houden met het proces van informatieverwerking en leren, kwamen minder vaak voor en verdwenen vaker. Een lager niveau van neuronale activiteit werd waargenomen in cellen van één soort. De indruk is dat muizen zonder gezonde microbiomen de angst niet kunnen vergeten en leren om niet bang te zijn. En de onderzoekers konden het op cellulair niveau zien.
De onderzoekers gingen ook op zoek naar hoe de toestand van de darmmicroflora deze veranderingen veroorzaakte. Een mogelijke optie was dat microben signalen naar de hersenen sturen via de lange nervus vagus, die sensorische signalen van het spijsverteringskanaal naar de hersenstam stuurt. Maar na het doorsnijden van de nervus vagus veranderde het gedrag van de muizen niet. Bovendien leek het mogelijk dat de darmflora immuunreacties zou kunnen opwekken die de hersenen beïnvloeden. Maar het aantal en het percentage immuuncellen in alle muizen waren hetzelfde.
De onderzoekers vonden echter vier soorten stoffen die worden uitgescheiden door darmmicro-organismen die de neurale verbindingen beïnvloeden, die veel minder aanwezig zijn in serum, hersenvocht en ontlasting van muizen met onvoldoende microflora. Sommige van deze stoffen zijn al in verband gebracht met neurologische aandoeningen bij mensen. Volgens microbioloog David Artis, directeur van het Institute for Inflammatory Bowel Disease Research aan het Weill Cornell Medicine College en hoofdauteur van de studie, hebben wetenschappers die onder zijn leiding werken gesuggereerd dat microflora bepaalde stoffen in grote hoeveelheden kan afgeven, en dat sommige moleculen doordringen in hersenen.
Promotie video:
In veel laboratoria groeit de belangstelling voor het identificeren van specifieke stoffen die worden uitgescheiden door bacteriën die betrokken zijn bij de overdracht van signalen van het zenuwstelsel, zegt Melanie Gareau, assistent-professor bij de afdeling anatomie, fysiologie en cytologie aan de University of California, Davis. Talrijke metabolieten zijn waarschijnlijk bij dergelijke processen betrokken en er zijn metabolische routes bij betrokken.
Emeran Mayer, hoogleraar geneeskunde aan de Universiteit van Californië in Los Angeles en directeur van het Oppenheimer Center for the Neurobiology of Stress and Resilience to Stress, merkt op dat onderzoeksresultaten over andere aandoeningen, zoals depressie, ook wijzen op een verband met bepaalde stoffen die door microben worden vrijgegeven. Maar er is nog steeds geen consensus over wie van hen bijdraagt aan het optreden van een overtreding. En hoewel veel mensen met hersenaandoeningen duidelijk de microflora in de darm hebben veranderd, is het vaak onduidelijk of de verandering een oorzaak of een gevolg is van de ziekte, zegt hij. Veranderingen in de toestand van de microflora kunnen leiden tot neurologische problemen, maar ziekten kunnen ook veranderingen in de toestand van het microbioom veroorzaken.
Op dit gebied zijn er niet alleen meningsverschillen over de gevolgen van microflora-verstoringen, maar ook over gezonde microflora. We hebben ons lang geconcentreerd op het feit dat we specifieke soorten bacteriën konden identificeren die ofwel het risico op stressgerelateerde aandoeningen en ziekten opleveren, ofwel weerstand bieden, en het hoeft niet per se een bepaalde microbe te zijn.”Zegt Lowry. Zelfs bij gezonde mensen is de microflora heel anders. Specifieke microben doen er misschien niet toe als de microflora voldoende divers is - net als bij veel verschillende soorten gezonde bossen, is een bepaald type boom misschien niet nodig.
De studie van de effecten van microflora op het zenuwstelsel is echter een nieuw wetenschapsgebied en er bestaat zelfs onzekerheid over wat dit effect is. De conclusies die zijn getrokken uit de resultaten van eerdere experimenten over de vraag of veranderingen in microflora bijdragen aan het feit dat dieren de aangeleerde vaardigheid vergeten en geen angst meer voelen, waren ongegrond of tegenstrijdig. Wat betreft de conclusies van Coco Chu en haar collega's, deze zijn van bijzonder belang, omdat wetenschappers bewijs kunnen leveren voor het bestaan van een specifiek mechanisme dat het gedrag veroorzaakt dat ze hebben waargenomen. Dergelijke dierstudies zijn vooral belangrijk voor het versterken van de duidelijke verbinding tussen het zenuwstelsel en de microflora in de darmen, ook al zijn ze niet gericht op het vinden van manieren om mensen te behandelen, zegt Kirsten Tillisch. Professor in de geneeskunde aan de David Geffen School of Medicine aan de University of California Los Angeles. "De manier waarop het proces van het 'verwerken' van emoties, fysieke sensaties en kennis plaatsvindt in het menselijk brein, verschilt zo van hoe het gebeurt bij dieren dat het gewoon heel moeilijk is toe te passen", zegt ze.
In theorie kan de aanwezigheid van bepaalde stoffen die door microflora vrijkomen, helpen bepalen wie het meest kwetsbaar is voor aandoeningen zoals posttraumatische stressstoornis (PTSD). Experimenten zoals deze zouden zelfs paden van interacties tussen de hersenen en het microbioom kunnen identificeren die door behandeling kunnen worden beïnvloed. "Deze experimenten met muizen geven ons altijd veel hoop dat we het stadium van interventioneel onderzoek naderen", zegt Emeran Meyer, en door het gebruik van nauwkeurige methoden leveren deze onderzoeken vaak verbluffende resultaten op. Maar de processen die plaatsvinden in de hersenen van muizen komen niet helemaal overeen met de activiteit van de menselijke hersenen. Bovendien verschillen bij mensen en muizen de interactieprocessen tussen de hersenen en de darmmicroflora, en deze discrepantie wordt verergerd door het feit datdat hun darmmicroflora anders is vanwege het verschil in geconsumeerd voedsel.
Bij mensen kunnen interventies om de darmmicroflora te veranderen het meest effectief zijn tijdens de kindertijd en vroege kinderjaren, wanneer de darmmicroflora nog in ontwikkeling is en de eerste programmering plaatsvindt in de hersenen, zegt Mayer. In hun laatste studie zagen de onderzoekers een bepaald tijdvenster in de kindertijd, toen muizen gewone microflora nodig hadden om het vermogen te ontwikkelen om angst op volwassen leeftijd te onderdrukken. De muizen, die de eerste drie weken volledig waren geïsoleerd van de effecten van microben, werden vervolgens in omstandigheden geplaatst waarin ze samen waren met muizen die de gebruikelijke darmmicroflora hadden. De "steriele" muizen pikten microben op van andere muizen, en als resultaat ontwikkelden ze een rijke microflora. Maar toen ze opgroeiden, en met hen werden dezelfde experimenten uitgevoerd op "spenen van angst",hun resultaten waren nog steeds laag. Op de leeftijd van slechts een paar weken waren ze allemaal te oud om de normale vaardigheid te verwerven om te leren hoe ze hun angst konden onderdrukken.
Maar toen de microflora werd hersteld bij pasgeboren muizen, die een rijk microbioom kregen nadat ze bij pleegouders waren geplaatst, groeiden de muizen op en gedroegen zich normaal. Het bleek dat microflora in de eerste weken na de geboorte erg belangrijk is - en deze observatie komt volledig overeen met het meer universele concept dat de neurale circuits die het vermogen om angst te ervaren beheersen al op jonge leeftijd gevoelig zijn, zegt Tillisch.
Het vermogen om "te spenen van angst", dat de onderzoekers bestudeerden, is evolutionair een fundamentele vaardigheid, zei Artis. Weten wat angst oproept en het vermogen om zich aan te passen wanneer het niet langer een bedreiging is, kan van cruciaal belang zijn om te overleven. Het niet onderdrukken van angst wordt ook gezien bij mensen met PTSD en houdt verband met andere hersenaandoeningen, dus verdieping van de wetenschappelijke kennis van de mechanismen die dit neurale netwerk beïnvloeden, kan ons helpen het menselijke basisgedrag te begrijpen en de weg vrij te maken voor behandelingsopties.
Op evolutionaire schaal is de menselijke darmflora veranderd met de groei van de stedelijke bevolking, en hersenschade wordt steeds prominenter. De vele microben die in ieder van ons leven, zijn met onze soort geëvolueerd, en het is erg belangrijk dat we begrijpen hoe ze de fysieke en mentale gezondheid beïnvloeden, zegt Lowry. Door de microflora kan de omgeving ook ons zenuwstelsel beïnvloeden, wat het proces van het bestuderen van de gezondheid en ziekten van de hersenen verder bemoeilijkt.
Elena Renken