Микробные метаболиты регулируют гипервозбудимость нейронов миндалины и поведение, связанное с тревогой

Изменения в составе кишечной микробиоты были связаны с тревожным поведением грызунов. Однако основные нейронные схемы, связывающие микробиоту и ее метаболиты с тревожным поведением, остаются неизвестными. При использовании мышей-самцов C57BL/6J, не зараженных микробами (GF), не подвергавшихся воздействию живых микробов, наблюдалось повышенное тревожное поведение, коррелирующее со значительным увеличением гена c-Fos в базолатеральной миндалине (BLA). Это явление совпало с повышенной внутренней возбудимостью и спонтанной синаптической активностью пирамидных нейронов BLA, связанных со снижением токов в кальций-активируемых калиевых каналах (SK) с малой проводимостью. Важно отметить, что колонизация мышей GF живыми микробами или метаболитами микробного происхождения индолами восстанавливала активность каналов SK в пирамидных нейронах BLA и снижала поведенческий фенотип тревожности. Эти результаты согласуются с молекулярным механизмом, с помощью которого микробы и/или индолы микробного происхождения регулируют функциональные изменения в нейронах BLA. Более того, этот микробный метаболит, регулирующий тревожность, связывает эти результаты с древними эволюционно сохраненными защитными механизмами, связанными с тревожным поведением млекопитающих.

В статье объяснялось

Проблема

Миндалевидное тело, ключевая область мозга, которая регулирует страх и тревогу, все больше связывается с осью кишечник-мозг. Однако точная причинно-следственная связь между кишечными микробами и поведением, связанным с тревогой, остается неясной. В этом исследовании мы стремились оценить эту взаимосвязь, изучив влияние кишечной микробиоты на связанные с тревогой реакции, опосредуемые миндалевидным телом.

Результаты

Наши результаты показывают, что мыши, у которых в кишечнике нет микробов, проявляют повышенное поведение, связанное с тревогой. Кроме того, мы наблюдали повышенную активность, связанную с активацией потенциала действия в пирамидных нейронах базолатеральной миндалины (BLA) мышей GF. Интересно, что эти нейрональные изменения были обращены вспять либо при традиционном приеме, либо при добавлении индола в рацион.

Влияние

Это исследование демонстрирует, как дефицит микробиоты вызывает изменения в поведении животных, изменяя возбудимость определенных нейронов. Важно отметить, что эти изменения могут быть восстановлены с помощью традиционной диеты или пищевых добавок с индолом, метаболитом, получаемым из кишечных микробов. Это наводит на мысль о возможном альтернативном варианте лечения для снижения уровня тревожности у людей с тревожными расстройствами.

Вступление

Эмоции тесно связаны с органической жизнью (Летурно, 1878), а тревога связана с физиологическими и поведенческими изменениями, которые подготавливают человека к угрозе. Однако лишь в немногих исследованиях рассматривались последствия этой функции “быть встревоженным” без болезненных состояний. Тревога запускается как адаптивная реакция организма на стресс гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системой (ГПА), одним из ключевых компонентов нейроэндокринной системы (Цигос и Кроусос, 2002). Устойчивая активация оси HPA при продолжающемся стрессе приводит к повышению уровня гормонов стресса и стойким изменениям в поведении, наблюдаемым при тревожных расстройствах (Фаравелли и др., 2012). Несколько исследований показывают, что пороговые значения и триггеры тревожности у разных видов мышей различаются, как и способность справляться со стрессом при недостаточном питании. Например, у мышей, не зараженных бактериями (GF), обычно наблюдается повышенная активность HPA и повышенный уровень кортизола, хотя у некоторых штаммов мышей GF, таких как Balb/c, уровень кортизола не повышается, несмотря на отсутствие живых микробов. Причины, лежащие в основе различий между штаммами мышей, остаются неизвестными. В целом, когда мыши GF подвергаются воздействию живых микробов, сигнал оси HPA снижается, а уровень кортизола снижается (Sudo et al., 2004). Таким образом, формирование симбиотических отношений между поступающими микробами после рождения и вновь обретенными мышами-хозяевами, по-видимому, является важным фактором регулирования тревожности.

Миндалевидное тело является важнейшей частью нейронной сети, лежащей в основе поведения, связанного с тревогой (Millan, 2003). Эмоции тревоги или страха запускают мощные сигналы выживания, предупреждая о потенциальной опасности, включая нехватку питательных веществ (Крис-Этертон и др., 2021). Базолатеральная миндалина (БЛА) двунаправленно взаимодействует с областями головного мозга, включая префронтальную кору, гиппокамп, прилежащее ядро и отделы заднего мозга, которые влияют на когнитивные способности, мотивацию и реакцию на стресс. Повышенная возбудимость базолатеральных нейронов миндалевидного тела была связана с несколькими видами тревожного поведения, вызванного стрессом, у грызунов (Roozendaal et al., 2009).

В нескольких предыдущих исследованиях сообщалось о корреляции между микробиотой кишечника и поведением мышей (Diaz Heijtz и др., 2011; Gareau и др., 2011; Neufeld и др., 2011; Clarke и др., 2013; Crumeyrolle-Arias и др., 2014; Arentsen и др., 2015). В частности, исследования, проведенные нами и другими учеными, продемонстрировали важную роль кишечной микробиоты в регуляции поведения, связанного с тревогой, и химии мозга грызунов (Park et al., 2013; Foster et al., 2016; Hoban et al., 2018; Martin et al., 2018; Flux и Лоури, 2020 год). Метаболиты, выделяемые микробами, также регулируют целостность гематоэнцефалического барьера (Braniste et al., 2014). Тревожные расстройства являются сложными, гетерогенными и наиболее распространенными психическими расстройствами (Банделоу и Михаэлис, 2015; Чисхолм и др., 2016; Ремес и др., 2016). Клинически кишечные микробы были вовлечены в развитие патологической тревожности, о чем свидетельствует высокий уровень сопутствующей патологии между тревожными расстройствами и функциональными расстройствами желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) (Banerjee et al, 2017). Исследования функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ) показали гиперактивность миндалевидного тела у пациентов с тревожными расстройствами (Straube et al., 2006; Etkin and Wager, 2007). Более того, глутаматергические возбуждающие нейроны BLA демонстрируют повышенную внутреннюю возбудимость во время хронического стресса в раннем возрасте у крыс (Rau et al, 2015). Однако причинно-следственная связь между микробиотой кишечника, тревожным поведением и тревожными расстройствами до конца не изучена. Чтобы лучше понять эту взаимосвязь, мы объединили данные поведенческого анализа и электрофизиологические записи у мышей C57BL/6J, не зараженных бактериями (GF). C57BL/6J является наиболее широко используемым инбредным штаммом для получения или обратного скрещивания генетически модифицированных мышей с меньшим количеством поведения, связанного с беспокойством, по сравнению с другими штаммами (Matsuo et al., 2010).

Здесь мы сообщаем, что самцы мышей C57BL/6J GF демонстрируют поведение, связанное с тревогой, и повышенную внутреннюю возбудимость пирамидных нейронов BLA. Эта повышенная возбудимость нейронов была обусловлена уменьшением зависимой от канала малой проводимости K+ (SK) среды после гиперполяризации (mAHP). Более того, эти электрофизиологические изменения в основных нейронах BLA были отменены путем введения живых микробов мышам-реципиентам GF или обработки их индолом, метаболитом микробиоты, который восстанавливал нормальное поведение мышей GF.

Источник