最近の 2 つの論文は、脳の発達の重要な初期の時期に、腸内マイクロバイオーム (腸内で増殖するさまざまな細菌) が、後の人生の社会的スキルに重要な脳システムの形成に役立つことを示しています。科学者たちはこの影響が魚にあることを発見しましたが、分子学的および神経学的証拠は、その何らかの形が人間を含む哺乳類にも発生する可能性があることをもっともらしく示唆しています。
11 月初旬にPLOS Biologyに掲載された論文では、 研究者らは、腸内微生物叢を持たずに育ったゼブラフィッシュは、結腸に定着したゼブラフィッシュと比べて社交性がはるかに低く、脳の構造がその違いを反映していることを発見した。 BMC ゲノミクス の関連記事 9 月下旬 彼らは、腸内細菌の影響を受けるニューロンの分子的特徴を説明しました。これらのニューロンと同等のニューロンがげっ歯類に出現しており、科学者は現在、人間を含む他の種でもそれらのニューロンを探すことができます。
ここ数十年で、科学者たちは腸と脳が強力な相互影響を及ぼしていることを理解するようになりました。たとえば、特定の種類の腸潰瘍は、パーキンソン病患者の症状悪化に関連していると考えられています。また、臨床医は、ADHD や自閉症スペクトラム障害などの神経発達障害を併せ持つ人に胃腸障害がより一般的であることを長年知っていました。
「脳が腸に影響を与えるだけでなく、腸も脳に深刻な影響を与える可能性があります」と、ニューヨーク大学ランゴンヘルスの小児消化器内科医、カラ・マルゴリス氏は言うが、この新しい研究には関与していない。しかし、これらの解剖学的に分離された器官がどのようにその効果を発揮するのかは、はるかに明らかではありません。
オレゴン大学の分子生物学者であり、新しい研究の主な共著者の一人であるフィリップ・ウォッシュボーン氏は、自閉症と社会的行動の発達に関係する遺伝子を20年以上研究してきた。しかし、彼と彼の研究室は、社会的行動を示しながら、主力のマウスよりも繁殖が早く簡単な新しいモデル生物を探していました。 「これを魚でもできるでしょうか？」彼はこう考えたのを思い出します。「実際に定量的に調べて、魚がどれだけ友好的になるかを測定できるかどうか見てみましょう。」
無菌魚
ゼブラフィッシュは遺伝学の研究でも広く使用されており、繁殖が早く、生来社会的です。生後 2 週間を過ぎると、4 匹から 12 匹の魚の群れで行動し始めます。また、成体になるまで透明であるため、研究者は解剖することなく内部の発達を観察できます。これは、マウスなどの哺乳類モデルではほぼ不可能な偉業です。
研究チームは、腸内微生物叢を欠くように飼育された「無菌」ゼブラフィッシュ系統の胚を使った実験を開始した。この小さな魚が孵化した後、研究者らは直ちにその一部に健康な腸内細菌の混合物を接種した。しかし、残りの魚に接種するまで丸 1 週間待ったため、白紙の状態で開発を開始することを余儀なくされました。
出生時にワクチン接種を受けていた魚は、生後約15日目に予定通り群れを作り始めた。しかし、無菌魚の生産を開始する段階になったとき、「衝撃的なことに、彼らはそれをしなかった」とオレゴン大学の神経科学者であり、新しい研究の共著者であるジュディス・アイゼン氏は語った。この魚には腸内微生物が遡及的に投与されていたにもかかわらず、同魚と同じ社会的発達のマイルストーンを達成していませんでした。
アイゼン氏、ウォッシュボーン氏らのチームが魚の脳を調べたところ、明らかな構造の違いが発見された。生後最初の1週間をマイクロバイオームなしで過ごした魚では、社会的行動に影響を与える前脳ニューロンの特定のクラスターがより多くの相互接続を示した。このクラスターには、脳内の残骸を除去する役割を担う神経免疫細胞であるミクログリアも大幅に減少していました。 「これは神経系における大きな大きな変化です」とアイゼン氏は語った。 「私にとって、それはとても大きなことです。」
特別な実験水槽内を泳ぐゼブラフィッシュの軌跡を線で描きます。正常なマイクロバイオームで育った魚は、反対側の魚の近くに留まるために、ほとんどの時間を透明な仕切りの近くで過ごします。最初の 1 週間は「無菌」だった魚は社交性が低く、よりランダムに泳いでいました。
サミュエル・ベラスコ/クアンタ・マガジン;出典:doi.org/10.1371/journal.pbio.3001838
研究チームは、健康な腸内微生物叢が何らかの形でゼブラフィッシュの脳内でミクログリアの増殖を可能にしているのではないかと仮説を立てた。そして、特定の重要な発達期間中に、ミクログリアはメンテナンス作業員のように機能し、ニューロン上で激しく分岐した「腕」を剪定します。それらを切り戻すミクログリアがなければ、無菌魚の社会ニューロンはもつれ、手入れされていないイバラのように生い茂ってしまいました。
腸内微生物がどのようにして魚の発達中の脳に信号を送り、こうした効果を生み出すのかは明らかではない。細菌は驚くべき種類の化学物質を放出し、十分に小さな化合物であれば理論的には血液脳関門を通過する可能性があります。しかし、腸と脳の間を移動する免疫細胞がシグナル分子を運ぶ可能性や、特定のシグナルが腸から迷走神経に沿って上方に伝わる可能性もあります。
多くの社交的な種
同様のメカニズムが、人間を含む他の脊椎動物の社会的発達にも働いている可能性があります。社会的グループ化は、動物界全体で共通の生存戦略です。 「これは、進化を通じてより保存されている行動の 1 つです」と、カリフォルニア工科大学の研究生物学者であり、今回の新しい研究には関与していないリビア ヘッケ モライス氏は述べています。
実際、ウォッシュボーンとアイゼンは以前にマウスのほぼ同一の社会ニューロンを同定していた。 「魚とマウスで同じ種類の細胞を見つけることができれば、おそらく人間でも同じ種類の細胞を見つけることができるでしょう」とウォッシュボーン氏は言いました。
