Può sembrare che il nostro cervello sia fisicamente distante dal nostro intestino, ma negli ultimi anni la ricerca ha fornito prove evidenti che suggeriscono che le enormi comunità di microbi concentrate nel nostro tratto digestivo forniscono la connessione tra il cervello e l'intestino. Il microbioma intestinale influenza la funzione cognitiva e le emozioni, influisce sull'umore e sui problemi di salute mentale e persino sul modo in cui le informazioni vengono elaborate. Ma era difficile capire come lo fa la microflora.
Fino a tempi recenti, gli studi sulla connessione tra l'intestino e il cervello hanno dimostrato principalmente solo una correlazione tra lo stato della microflora intestinale ei processi che si svolgono nel cervello. Ma nuove scoperte stanno contribuendo a creare un quadro più dettagliato basato sulla ricerca che dimostra il coinvolgimento del microbioma nelle risposte allo stress. Concentrandosi su risposte come sentimenti di paura, e in particolare su come la paura scompare nel tempo, i ricercatori hanno ora esaminato come differisce il comportamento dei topi con microflora ridotta. Hanno identificato differenze nelle reti neurali, nell'attività cerebrale e nell'espressione genica e hanno anche riscontrato la presenza di una breve finestra di tempo dopo la nascita di un individuo, quando il ripristino della microflora, cioè la colonizzazione batterica,ancora in grado di prevenire l'insorgenza di disturbi comportamentali negli adulti. Hanno persino identificato quattro sostanze specifiche che possono contribuire a questi cambiamenti. Potrebbe essere troppo presto per prevedere quali terapie potrebbero essere offerte una volta compresa questa connessione tra microflora intestinale e cervello, ma queste differenze specifiche supportano l'ipotesi di una relazione profonda tra i due sistemi.
Determinare questi meccanismi di interazione con il cervello è una sfida importante nella ricerca sul microbioma, secondo Christopher Lowry, assistente professore presso il Dipartimento di Fisiologia Integrativa presso l'Università del Colorado a Boulder. "Gli scienziati hanno alcune idee interessanti", ha detto.
Coco Chu, autore principale del nuovo studio e ricercatore presso il Weill Cornell Medicine College, si è interessato al concetto che i microrganismi che vivono nel nostro corpo possono influenzare sia i nostri sentimenti che le nostre azioni. Diversi anni fa, ha deciso di studiare queste interazioni in grande dettaglio in collaborazione con psichiatri, microbiologi, immunologi e scienziati di altri campi.
I ricercatori hanno condotto un esercizio classico per sviluppare abilità comportamentali con i topi, ad alcuni dei quali sono stati somministrati antibiotici per ridurre drasticamente la quantità di microflora nei loro corpi, e alcuni di loro sono stati allevati in isolamento in modo che non avessero affatto microflora. Tutti i topi hanno imparato ugualmente bene a temere il suono, seguito da scosse elettriche. Quando gli scienziati hanno smesso di usare le scosse elettriche sui topi, i topi normali hanno gradualmente imparato a non aver paura del suono. Ma nei topi "sterili", in cui la quantità di microflora era ridotta o non c'era affatto microflora, la paura non scompariva - al suono di un segnale, di regola, più spesso cadevano in uno stato di torpore rispetto ai topi ordinari.
Guardando all'interno della corteccia prefrontale mediale, la regione della corteccia cerebrale che elabora le risposte alla paura, i ricercatori hanno notato differenze distinte nei topi con microflora ridotta: alcune attività geniche erano inferiori. Le cellule gliali della stessa specie non sono state sviluppate. Le cosiddette spine dendritiche - sporgenze sui neuroni associate al processo di elaborazione e apprendimento delle informazioni, sono apparse meno spesso e sono scomparse più spesso. Un livello inferiore di attività neuronale è stato osservato nelle cellule di una specie. L'impressione è che i topi senza microbiomi sani non possano dimenticare la paura e imparare a non avere paura. E i ricercatori sono stati in grado di vederlo a livello cellulare.
I ricercatori hanno anche cercato di scoprire come lo stato della microflora intestinale abbia causato questi cambiamenti. Una possibile opzione era che i microbi inviassero segnali al cervello attraverso il lungo nervo vago, che trasmette segnali sensoriali dal tratto digestivo al tronco cerebrale. Ma dopo aver tagliato il nervo vago, il comportamento dei topi non è cambiato. Inoltre, sembrava possibile che la flora intestinale potesse innescare risposte immunitarie che colpiscono il cervello. Ma il numero e la percentuale di cellule immunitarie in tutti i topi erano gli stessi.
Tuttavia, i ricercatori hanno trovato quattro tipi di sostanze secrete dai microrganismi intestinali che influenzano le connessioni neurali, che erano molto meno nel siero, nel liquido cerebrospinale e nelle feci di topi con microflora insufficiente. Alcune di queste sostanze sono già state collegate a disturbi neurologici negli esseri umani. Secondo il microbiologo David Artis, direttore dell'Istituto per la ricerca sulle malattie infiammatorie intestinali presso il Weill Cornell Medicine College e autore principale dello studio, gli scienziati che lavorano sotto la sua guida hanno suggerito che la microflora può rilasciare determinate sostanze in grandi quantità e alcune molecole penetrano cervello.
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In molti laboratori sta crescendo l'interesse per l'identificazione di sostanze specifiche secrete dai batteri che sono coinvolti nella trasmissione di segnali dal sistema nervoso, afferma Melanie Gareau, assistente professore presso il dipartimento di anatomia, fisiologia e citologia dell'Università della California, Davis. È probabile che numerosi metaboliti siano coinvolti in tali processi e le vie metaboliche siano coinvolte.
Emeran Mayer, professore di medicina presso l'Università della California di Los Angeles e direttore dell'Oppenheimer Center for the Neurobiology of Stress and Resilience to Stress, osserva che i risultati della ricerca su altri disturbi, come la depressione, indicano anche un collegamento a determinate sostanze rilasciate dai microbi. Ma non c'è ancora consenso su quale di loro contribuisca al verificarsi di una violazione. E mentre molte persone con disturbi cerebrali hanno chiaramente cambiato la microflora intestinale, spesso non è chiaro se il cambiamento sia una causa o una conseguenza della malattia, dice. I cambiamenti nello stato della microflora possono portare a problemi neurologici, ma le malattie possono anche causare cambiamenti nello stato del microbioma.
In quest'area, ci sono disaccordi non solo sulle conseguenze dei disturbi della microflora, ma anche sulla microflora sana. "Ci siamo concentrati a lungo sul fatto che potremmo identificare tipi specifici di batteri che rappresentano un rischio di disturbi e malattie legati allo stress, o forniscono resistenza a loro, e potrebbe non essere un microbo specifico "Afferma Lowry. Anche nelle persone sane, la microflora è molto diversa. Microbi specifici potrebbero non avere importanza se la microflora è abbastanza diversificata - proprio come con molti diversi tipi di boschi sani, un particolare tipo di albero potrebbe non essere necessario.
Tuttavia, lo studio degli effetti della microflora sul sistema nervoso è una nuova area della scienza e c'è incertezza anche su quale sia questo effetto. Le conclusioni tratte dai risultati di precedenti esperimenti sul fatto che i cambiamenti nella microflora contribuiscano al fatto che gli animali dimenticano l'abilità appresa e smettono di provare paura erano o infondate o contraddittorie. Per quanto riguarda le conclusioni raggiunte da Coco Chu e dai suoi colleghi, sono di particolare importanza, poiché gli scienziati possono fornire prove dell'esistenza di un meccanismo specifico che causa il comportamento osservato. Tali studi sugli animali sono particolarmente importanti per rafforzare la chiara connessione tra il sistema nervoso e la microflora intestinale, anche se non mirano a trovare modi per trattare gli esseri umani, afferma Kirsten Tillisch. Professore di Medicina presso la David Geffen School of Medicine dell'Università della California a Los Angeles. "Il modo in cui 'elaboriamo' le emozioni, le sensazioni fisiche e la conoscenza nel cervello umano è così diverso da come accade negli animali che è molto difficile da applicare", dice.
In teoria, la presenza di alcune sostanze rilasciate dalla microflora potrebbe aiutare a determinare chi è più vulnerabile a disturbi come il disturbo da stress post-traumatico (PTSD). Esperimenti come questi potrebbero persino identificare i percorsi di interazione tra il cervello e il microbioma che possono essere influenzati dal trattamento. "Questi esperimenti con i topi ci danno sempre una grande speranza che ci stiamo avvicinando alla fase della ricerca interventistica", dice Emeran Meyer, e attraverso l'uso di metodi precisi, questi studi spesso producono risultati sorprendenti. Ma i processi che avvengono nel cervello dei topi non corrispondono del tutto all'attività del cervello umano. Inoltre, negli esseri umani e nei topi, i processi di interazione tra il cervello e la microflora intestinale differiscono e questa discrepanza è aggravata dal fatto cheche la loro microflora intestinale è diversa a causa della differenza nel cibo consumato.
Negli esseri umani, gli interventi per alterare la microflora intestinale possono essere più efficaci durante l'infanzia e la prima infanzia, quando la microflora intestinale è ancora in via di sviluppo e la programmazione iniziale è in corso nel cervello, afferma Mayer. Nel loro ultimo studio, i ricercatori hanno visto una particolare finestra temporale nell'infanzia, quando i topi avevano bisogno di una microflora comune per sviluppare la capacità di sopprimere la paura nell'età adulta. I topi, che per le prime tre settimane sono stati completamente isolati dagli effetti dei microbi, sono stati poi posti in condizioni in cui si trovavano insieme a topi che presentavano la consueta microflora intestinale. I topi "sterili" hanno raccolto microbi da altri topi e di conseguenza hanno sviluppato una ricca microflora. Ma quando sono cresciuti, e con loro sono stati effettuati gli stessi esperimenti sullo "svezzamento dalla paura",i loro risultati erano ancora bassi. All'età di poche settimane, erano tutti troppo vecchi presto per acquisire la normale abilità di imparare a sopprimere la loro paura.
Ma quando la microflora è stata ripristinata nei topi appena nati, che hanno ricevuto un ricco microbioma dopo averli collocati presso i genitori adottivi, i topi sono cresciuti e si sono comportati normalmente. Si è scoperto che nelle prime settimane dopo la nascita, la microflora è molto importante - e questa osservazione corrisponde pienamente al concetto più universale che i circuiti neurali che governano la capacità di provare la paura sono sensibili in tenera età, dice Tillisch.
La capacità di "svezzarsi dalla paura", che i ricercatori hanno studiato, è evolutivamente un'abilità fondamentale, ha detto Artis. Sapere cosa scatena la paura e la capacità di adattarsi quando non è più una minaccia può essere fondamentale per la sopravvivenza. L'incapacità di sopprimere la paura si osserva anche nelle persone con PTSD ed è associata ad altri disturbi cerebrali, quindi l'approfondimento della conoscenza scientifica dei meccanismi che influenzano questa rete neurale può aiutare a comprendere i comportamenti umani di base e preparare il terreno per le opzioni di trattamento.
Su scala evolutiva, la flora intestinale umana è cambiata con la crescita della popolazione urbana e il danno cerebrale sta diventando più evidente. I numerosi microbi che vivono in ognuno di noi si sono evoluti con la nostra specie, ed è importante capire come influenzano la salute fisica e mentale, dice Lowry. Attraverso la microflora, l'ambiente può anche influenzare il nostro sistema nervoso, il che complica ulteriormente il processo di studio della salute e delle malattie del cervello.
Elena Renken
