В последние десять лет появляется все больше и больше научных исследований, которые указывают, что наш мозг, кишечник и населяющие его микроорганизмы общаются друг с другом на общем биологическом языке.
Как и почему кишечник и мозг связаны между собой, было ясно ученым давно. Ведь питание для нас является вопросом жизни и смерти. Если кишечник пуст, наш мозг должен знать об этом; если в кишечнике есть проблема, которая препятствует усвоению необходимых питательных веществ, мозг должен быть проинформирован; если в наш кишечник проникли микробы или яды, наш мозг должен быть в курсе. Вовремя не позаботишься о пище – не выживешь в конкурентной борьбе.
Связи между мозгом и кишечником осуществляются с помощью гормональных, иммунологических и нервных механизмов, через центральную и отдельную энтеральную нервную систему, все вместе это называется «ось кишечник – мозг».
Мы все ощущаем существование этой оси, как пример, взаимосвязь между стрессом, беспокойством, страхом и учащенным опорожнением кишечника называем «медвежьей болезнью».
В ЖКТ есть собственная энтеральная нервная система (ЭНС), которую в популярных статьях нередко называют «вторым мозгом». Она состоит из 50–100 млн нервных клеток, что примерно равно числу клеток спинного мозга.
Оболочка пищеварительного тракта выстлана огромным числом специализированных эндокринных клеток. Они содержат до 20 различных типов гормонов, которые при необходимости могут быть выпущены в кровоток. Если собрать эти клетки вместе, их вес превысит вес всех остальных эндокринных органов – половых желез, щитовидной железы, гипофиза и надпочечников – вместе взятых.
Всего несколько лет назад многие исследователи думали, что мы уже установили все компоненты, которые определяют двусторонние коммуникации мозга и ЖКТ. Ученые знали о способах, с помощью которых ЖКТ контролирует пищеварение и окружающую среду – как он чувствует тепло, холод, боль, растяжение, кислотность, наличие питательных веществ в пище и другие характеристики.
Они знали, что поверхность пищеварительного тракта является самой большой и самой сложной сенсорной системой в организме человека. Ученым казалось очевидным, что внутренние ощущения с помощью гормонов, молекул иммунных клеток и чувствительных нервов (особенно блуждающего нерва) передаются из ЖКТ в маленький и большой мозг.
Это объясняло, почему наша пищеварительная система большую часть времени прекрасно функционирует без участия сознания, почему ЖКТ специфически реагирует на испорченную еду и почему после вкусного и сытного обеда человек чувствует себя счастливым и довольным.
Ученые также знали, что энтеральная нервная система – маленький мозг в ЖКТ – выступает в качестве «отдельного» органа, регулирующего пищеварение, а при возникновении чрезвычайных ситуаций действует в тесном контакте с высшим органом – головным мозгом. Понимали, что, когда мы испытываем эмоции, специализированные эмоциональные операционные программы в головном мозге создают различные сюжеты, разыгрывающиеся в нашем пищеварительном тракте. Они вызывают особые комбинации сокращений в ЖКТ, изменяют кровоток, а также секрецию жизненно важных пищеварительных жидкостей, характерных для каждой эмоции.
Как оказалось, реакции пищеварительного тракта, запускаемые под влиянием эмоций, не ограничиваются ощущениями, будто в животе «что-то крутит» и происходят спазмы. Они вызывают массу других сенсорных сигналов в ЖКТ, которые передаются обратно в головной мозг. Там они могут изменяться или создавать определенные ощущения и хранятся в виде эмоциональных воспоминаний о пережитом конкретном опыте.
Лишь в последние несколько лет, к удивлению ученых всего мира, стало понятно, сколь важную роль в этом взаимодействии между реакциями и ощущениями в ЖКТ играет микробиота. Как мы теперь знаем, эта масса невидимых живых организмов может постоянно общаться с головным мозгом с помощью различных сигналов, в том числе подаваемых гормонами, нейротрансмиттерами и несметным числом соединений, называемых метаболитами.
Эти метаболиты являются результатом специфических привычек питания микроорганизмов и возникают, когда те питаются остатками перевариваемой пищи, желчными кислотами, секретируемыми печенью в кишечник, или покрывающей его стенки слизью. Фактически микробиота кишечника также участвует в диалоге ЖКТ и головного мозга, используя сложный биохимический язык. Симбиотические отношения между микроорганизмами ЖКТ и их хозяевами оказались настолько выгодными для обоих партнеров, что они законсервировались практически у каждого многоклеточного животного, обитающего сейчас на Земле, – от муравьев, термитов и пчел до коров, слонов и людей.
Ученые вдруг поняли, что основные пищеварительные функции появлялись и сохранялись на протяжении сотен миллионов лет, микробы развили у нас новый эволюционный интеллект, который оказался запрограммированным в нашем пищеварительном тракте и энтеральной нервной системе. Теперь становится понятным, почему взаимосвязь между микроорганизмами, ЖКТ и головным мозгом у человека является такой сложной.
Симбиоз микроорганизмов и их хозяев, сформировавшийся в простейшей форме миллионы лет назад, продолжает осуществляться в организме человека и сегодня. Микроорганизмы оказываются в выигрыше благодаря возможности наслаждаться выгодами жизни в пищеварительном тракте, где они всегда получают пищу, обитают в условиях умеренной температуры и имеют возможность быстро осваивать новые пищевые территории вместе с человеком.
Они также выигрывают и от бесплатного подключения к трафику нашего «внутреннего интернета» – постоянному потоку информации, передаваемой с помощью гормонов, гастроинтестинальных пептидов, нервных импульсов и других химических сигналов.
Эта информация позволяет им следить за эмоциональными состояниями, уровнями стресса, знать, спит человек или бодрствует, а также о том, какие условия окружающей среды воздействуют на него в каждый момент времени. Доступ к этой информации помогает микроорганизмам наладить производство метаболитов не только для обеспечения оптимальных условий жизни для себя, но и для продолжения гармонического сосуществования в пищеварительном тракте единого суперорганизма.
За эти блага микроорганизмы обеспечивают нас витаминами, участвуют в метаболических процессах обмена сложными пищеварительными ферментами, например, желчными кислотами, которые вырабатывает печень, и в детоксикации так называемых ксенобиотиков (чужих химических веществ, с которыми организм никогда не сталкивался) вместе с печенью.
Но самое главное – микроорганизмы переваривают пищевые волокна и сложные молекулы сахара, которые пищеварительная система не может сама расщепить или абсорбировать, и тем самым обеспечивают нас дополнительными калориями, которые иначе были бы выведены с калом.
В доисторические времена люди больше времени уделяли охоте и вообще поиску еды. Они не занимались спортом для того, чтобы влезать в узкие джинсы, просто дополнительные калории, которые кишечная микробиота извлекала из пищи, помогали людям выжить.
Влияние физиологии на психологию
Изучая влияние нашего микробиома на ось кишечник – мозг, исследователи задались вопросом: влияют ли бактерии в нашем кишечнике на наши психологию и поведение?
У людей гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая система является основным ответчиком на стресс любого вида. Это часть лимбической системы, которая активно участвует в эмоциях и памяти. Стресс приводит к высвобождению кортизола – «гормона стресса», который оказывает различные эффекты на многие органы, включая головной мозг и кишечник. Через кортизол реакция мозга на стресс влияет на клетки кишечника, иммунные клетки, энтеральные нейроны и энтерохромаффинные клетки (клетки, синтезирующие серотонин). Одновременно все эти клетки также находятся под влиянием наших бактерий. Так что между бактериями и нервной системой происходит двусторонний диалог.
Какие изменения в функциях мозга связывают с микробиомом? Приведем примеры последних открытий в этой области. Дети с аутизмом часто имеют ненормальный и менее разнообразный состав бактерий в кишечнике. Обнаружено, что кишечные микроорганизмы могут изменять уровень метаболитов, связанных с нейромедиаторами, которые влияют на взаимосвязь между кишечником и мозгом, и/или изменяют функционирование мозга.
Исследователи заметили, что у специально выведенных мышей, не имеющих кишечных бактерий, наблюдалась усиленная реакция гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы на стресс. Дальнейшие эксперименты с использованием таких же мышей продемонстрировали, что отсутствие кишечных бактерий также воздействует на функции памяти.
Стерильные мыши стали основой для изучения оси микробиом – кишечник – мозг. На одних изучали влияние нейроактивных веществ, вырабатываемых микрофлорой кишечника; на других изучали отличия состава микрофлоры кишечника у людей с психиатрическими или неврологическими заболеваниями.
Выяснилось, что стресс увеличивает проницаемость слизистой оболочки кишечника; это обеспечивает бактериям более легкий доступ к клеткам энтеральной иммунной и нервной системы, хотя есть и другой, более прямой путь.
Используя пищевые токсины, ученые обнаружили, что бактерии в кишечнике могут активировать стресс, непосредственно воздействуя на блуждающий нерв, который иннервирует верхнюю часть пищеварительного тракта. Исследования показали, что эти чувствительные нейроны менее активны у стерильных мышей. После того как этим мышам дали пробиотики для восстановления микробиома, уровни активности этих нейронов вернулись к норме.
Еще одно исследование обнаружило, что возрастное ухудшение памяти у грызунов может быть обращено вспять с помощью повышения уровней микроорганизмов в кишечнике с помощью пробиотиков. Авторы пришли к выводу о том, что кишечным микробиомом можно манипулировать с целью положительного воздействия на функционирование нейронов.
Как микробы кишечника влияют на работу мозга? Бактерии, населяющие наш кишечник, не могут проникать за его пределы, если он не поврежден, поэтому в нормальной ситуации они не контактируют с остальным телом напрямую. Тем не менее, бактерии и отходы, которые они выделяют в процессе своей жизнедеятельности, связаны с органами тела множеством путей.
Поговорим подробнее, как это происходит. Один пример. Короткоцепочечные жирные кислоты могут влиять на производство гормонов в кишечнике и тем самым косвенным образом воздействовать на те зоны в мозгу, которые подвергаются влиянию этих гормонов. Другой пример. Иммунные клетки присутствуют на внешней стенке кишечника и могут запускать отростки внутрь него, регистрируя изменения в кишечной среде, например, количество и качество бактерий. Зафиксировав дисбаланс, иммунные клетки начинают испускать сигналы, которые через кровоток достигают мозга.
В норме постоянная связь между бактериями и мозгом не вредит человеческому здоровью, поэтому эволюция сделала так, чтобы мы ничего не знали о своей бактериальной флоре.
Бактерии, из которых состоит микробиом, постоянно конкурируют за место в экосистеме кишечника. В первые годы жизни человека между бактериями разных видов устанавливается баланс, после чего серьезных колебаний относительной численности бактерий разных видов уже не происходит.
Соотношение бактерий в микробиоме разнится от человека к человеку, поэтому не существует определенного состава микробиома, который можно было бы назвать «правильным» для всех. Однако индивидуальный баланс зависит и от вредных привычек конкретных людей. Рацион питания сильнее всего влияет на типы бактерий, доминирующие в кишечнике, и большие перемены в рационе могут изменить и бактериальный состав микробиома. Или желудочная инфекция, то есть временное присутствие чужеродных микроорганизмов, которые вытесняют один или несколько видов привычных бактерий, может повлиять на микробиом, вызвав дисбаланс. Лечение таких инфекций антибиотиками тоже может негативно отразиться на микрофлоре, уничтожая один или несколько видов бактерий и освобождая место для других.
Возраст человека сказывается на микробиоме. Было доказано, что у пожилых людей его состав менее стабилен и разнообразен, чем у молодых. Все эти изменения могут влиять на нормальные процессы в мозгу и приводить к различным психологическим и неврологическим проблемам.
Микробиом в целом и его роль в развитии мозга в частности изучают на стерильных животных, у которых нет микробиома. Если стерильные мыши в начале жизни получают микробиом от нормальных мышей, эти различия полностью выравниваются. Но если это происходит на более поздней стадии жизни, то ничего уже не меняется.
Данные открытия породили интерес к потенциальной связи между микробиотическим дисбалансом и синдромами, проявляющимися в связи с недоразвитостью различных функций мозга – например, аутизмом.
Приходящие с возрастом неврологические синдромы, такие как деменция и болезнь Паркинсона, ученые тоже связали с микробиомом, так как заметили, что бактериальная флора с годами становится все менее разнообразной параллельно с ухудшением неврологических функций.
После того как были обнаружены сверхинтенсивные стресс-реакции у стерильных мышей, стало очевидно, что микробиом может влиять на развитие психологических синдромов вроде стрессового состояния или депрессии. С помощью мышей выяснили, что пищевые добавки с лактобактериями, которые часто есть в йогуртах, могут способствовать снижению тревоги и смягчить симптомы депрессии, влияя на сигналы, посылаемые в мозг через нервную систему.
В отличие от лактобактерий, другие типы бактерий, например, бифидобактерии, увеличивают количество гормона серотонина в крови и уменьшают последствия стресса, сглаживая активность иммунной системы, которая влияет на мозг через кровоток.
ПРЕБИОТИКИ – это часто сложные углеводы, которые особенно благоприятны для одного или нескольких видов бактерий, и, принимая их, можно способствовать росту количества этих микроорганизмов.
ПРОБИОТИКИ – это живые бактерии, поэтому, например, съев пробиотический йогурт, вы можете сразу же увеличить количество бактерий какого-либо типа, правда, затем местные аборигены их всех съедают. Количество бактерий определенных типов также может снижаться при лечении антибиотиками.
Кроме бактерий, кишечник содержит ряд грибков и вирусов, которые тоже участвуют в коммуникации с иммунной системой и другими частями организма. Пока что мы довольно плохо понимаем, как взаимодействуют множество различных микроорганизмов, и мало знаем, насколько важны отдельные их виды для здоровья человека.
В то же время мы теперь знаем, что никакие бактерии из пробиотиков в кишечнике человека не приживаются, а просто своими метаболитами улучшают жизнь местных угнетенных бактерий. Но идея, что можно бороться с неврологическими проблемами с совершенно новой стороны, очень интересна, и следить за развитием исследований в этой области весьма увлекательно.