Research uncovers the "gut-brain axis
27 November 2013, by Chelsie Elise Rohrscheib, The Conversation
brain function at the molecular level.
How do gut microbes affect the brain?
Two research teams headed by Rochellys Diaz Heijtz and Thomas Neufeld recently discovered that completely eliminating gut bacteria from mice had surprising effects on the animals' anxiety levels.
The trillions of bacteria in your gut can affect your brain
– psychologically and physically. Credit: Helga Weber
Striking new evidence indicates that the gut microbiome, the ecological community of microorganisms that share our body, has a huge effect on brain function – much larger than we thought.
It has long been established that our gut acts as a second nervous system and is capable of functioning without input from the brain.
Nevertheless, the brain and gut are still intimately connected through a process called "the gut-brain axis", and changes to either system can have dramatic effects on the other.
The guts of both vertebrate and invertebrate animals are home to trillions of microorganisms, which primarily consist of mutualistic bacteria.
These resident bacteria play an essential role in many of our biological processes, such as supplying important nutrients, breaking down indigestible compounds and defending against other pathogenic microbes.
Bacterial composition has recently been correlated with several neurological disorders, especially those relating to anxiety. While the exact way gut microbes affect the nervous system is unfortunately not yet entirely understood, scientists are working to answer this question by exploring
When tested under conditions that would normally induce stress, bacteria-free mice were found to have significantly less anxiety and anxiety- associated behaviours than the mice with normal intestinal microbes. This was one of the first instances showing that the gut microbes may play a role in mental disorders.
To investigate why removing the gut microbiome correlated with reduced anxiety, both teams explored the possibility that gut bacteria may influence the activation of genes important for brain function.
Credit: Aaron Logan
Specifically, the activity of genes involved in regulating neuron survival and signalling—along with genes that encode for receptors that bind important neurotransmitters - were changed. For instance, several neurotransmitters, including serotonin, were altered within regions of the brain associated with motor control and anxiety-like behaviour in bacteria-
free mice.
This hints that intestinal bacteria have some level of influence on DNA transcription – especially on genes that are essential for brain function.
Gut flora may also alter the way the brain changes during the earliest stages of life. Young, microbe- free mice were reconstituted with normal levels of intestinal flora to examine how these bacteria affects neurogenesis, the process where neurons are generated from stem cells and progenitor cells during pre-natal development.
As a result of these tests, activation of genes responsible for the maturation of neurons was found to be increased. This demonstrates that gut flora may be essential for proper brain development during the foetal stage.
Gut bacteria, therefore, seems to play an essential role in neuronal growth. As bacteria colonise the gut in the days following birth – a sensitive period for brain development – poor establishment of the microbiome may potentially lend to the occurrence of anxiety-based disorders.
The key players: identifying important bacteria
While these studies have revealed that removing our gut microbes has serious effects on the brain, it begs the questions of whether specific types of bacteria are more important for neural function than others. This is becoming clear as scientists explore brain changes associated with some of our most common species.
For instance, in 2011, researchers in Ireland discovered that mice treated with the common probiotic bacterium Lactobacillus rhamnosus had reduced stress hormone and anxiety related behaviours.
L. rhamnosus was later found to influence gamma- Aminobutyric acid (GABA), the primary central nervous system inhibitory neurotransmitter involved in regulating countless processes.
Lactobacillus bacteria. Credit: AJ Cann
GABA or GABA receptors are associated with the development of anxiety and depression, suggesting that this particular probiotic helps to normalise GABA in the brain and consequently reduce stress.
Microbes as a treatment option
Together, these recent findings highlight the important role of bacteria in the communication between the gut and the brain. Our increasing knowledge of how human mental illnesses – such as autism, anxiety, and depression – are linked to gut flora may lead to future treatments of mental illness.
This could include administration of probiotics or faecal transplant procedures that would modify gut flora community structures. Already, studies doing exactly this through clinical trials show promising results, with many patients reporting improved mental health after high-dose treatments.
Our knowledge of this specific area of neuroscience is expanding quickly, but in order to advance this emerging field of medical research, we will require experimental approaches that more accurately describe the microbial community of the gut and identify other behaviour-modifying species.
In addition, experiments that seek to either alter microbial communities or the molecular signals
employed by microbes will be critical to the development of new therapeutics.
These continuing discoveries may finally prove once and for all that our fears and anxieties are not actually all in our head. We should attempt to rely more on our gut.
分子レベルで脳機能。
どのように腸の微生物が脳に影響を与えるのですか？
RochellysディアスHeijtzとトーマスノイフェルド率いる二つの研究チームは最近、完全にマウスから腸内細菌を除去することが、動物の不安レベルでの驚くべき効果を持っていたことを発見した。
あなたの腸内の細菌数兆はあなたの脳に影響を与えることができる
- 心理的、物理的に。クレジット：ヘルガウェーバー
私たちが考えていたよりもはるかに大きい - 新たな証拠をぶつけると、腸のmicrobiome、私たちの体を共有する微生物の生態コミュニティは、脳機能に大きな影響を与えていることを示します。
それは長い私たちの腸は、第二の神経系として作用し、脳からの入力なしに機能することが可能であることが確立されている。
それにもかかわらず、脳と腸はまだ密接に"腸 - 脳軸」と呼ばれるプロセスを介して接続されており、どちらのシステムへの変更は、他に劇的な効果を持つことができます。
両方脊椎動物と無脊椎動物の根性は、主に共生細菌で構成された微生物数兆、に家である。
これらの居住者の細菌はそのような、重要な栄養素の供給難消化性化合物を分解し、他の病原性微生物に対する防御としての生物学的プロセスの多くで重要な役割を果たしている。
細菌組成物が、最近、いくつかの神経学的障害、不安に関連する特にそれらと相関している。腸内微生物が神経系に影響を与え、正確な方法は、残念ながらまだ完全に理解されていないが、科学者たちは、探検することで、この質問に答えるために働いている
通常、ストレスを誘導する条件下で試験した場合、無菌マウスは有意に少ない不安および正常な腸の微生物を用いたマウスよりanxiety-関連する挙動を有することが見出された。これは腸内微生物が精神疾患において役割を果たし得ることを示す最初の例の一つであった。
減少した不安と相関腸microbiomeを削除理由を調査するために、両チームは、腸内細菌が脳機能に重要な遺伝子の活性化に影響を与え得る可能性を検討した。
クレジット：アーロン·ローガン
具体的には、ニューロンの生存を調節およびシグナリングに沿って重要な神経伝達物質に結合する受容体をコードする遺伝子とに関与する遺伝子の活性が - 変更されました。例えば、いくつかの神経伝達物質、セロトニンを含むが、モータ制御とbacteria-における不安様行動と関連する脳の領域内で変更されました
無料でマウス。
特に脳機能に必須である遺伝子に - これは、腸内細菌は、DNAの転写に影響を与えるいくつかのレベルがあることを暗示。
植物相も道人生の最も初期の段階で脳の変化を変更することができる腸。若い、microbe-ないマウスは、これらの細菌は、神経発生、神経細胞は出生前の開発中に、幹細胞および前駆細胞から生成されたプロセスにどのように影響するかを調べるために、腸内細菌叢の正常レベルで再構成した。
これらの試験の結果、神経細胞の成熟に関与する遺伝子の活性化が増加することが見出された。これが腸内細菌叢は、胎児の段階で適切な脳の発達のために必須であり得ることを示している。
細菌を消化管、したがって、ニューロンの成長に必須の役割を果たしているようである。脳の発達のための敏感期 - - 細菌が誕生日で、次の腸にコロニーを形成したようmicrobiomeの貧しい確立は、潜在的に不安に基づく障害の発生に貸すことがあります。
キープレーヤーは：重要な細菌を特定する
これらの研究は私たちの腸内微生物を削除すると、脳に重大な影響を有することが明らかとなったが、それは、細菌の特定のタイプは他のものよりも神経機能にとってより重要であるかどうかの質問に頼む。科学者たちは私たちの最も一般的な種の一部と関連する脳の変化を探るため、これは明らかになりつつある。
たとえば、2011年に、アイルランドの研究者は、一般的なプロバイオティクス細菌のラクトバチルス·ラムノサスで処置したマウスは、ストレスホルモンや不安関連行動を減少させていたことを発見しました。
L.ラムノサスは、後にガンマ - アミノ酪酸（GABA）、無数のプロセスの調節に関与する主要な中枢神経系抑制性神経伝達物質に影響を与えることが見出された。
ラクトバチルス菌。
GABA又はGABA受容体は、この特定のプロバイオティクスは、脳内のGABAを正規化し、その結果、ストレスを減らすのに役立つことを示唆し、不安およびうつ病の発症に関連している。
治療選択肢としての微生物
一緒に、これらの最近の知見は、腸と脳の間の通信中の細菌の重要な役割を強調表示します。そのような自閉症、不安や抑うつなど - - どのように人間の精神疾患の私達の増加知識叢を腸にリンクされているが、精神疾患の将来の治療法につながる可能性があります。
これが腸内細菌叢の群集構造を変更したい、プロバイオティクスや糞便移植手続きの投与が含まれる可能性があります。すでに、研究では、臨床試験で高用量の治療後に改善された心の健康を報告し、多くの患者で有望な結果を示し、まさにこのを通してやって。
神経科学のこの特定の領域の私達の知識はすぐに拡大しているが、医学研究のこの新興分野を進めるために、私たちはより正確に消化管の微生物群集を説明し、他の行動改変種を同定実験的なアプローチが必要になります。
また、実験は、どちら微生物群集または分子シグナルを変化させるためにシーク
微生物によって使用される、新たな治療法の開発に重要である。
これらの継続的な発見は、最終的には、一度、私たちの恐怖や不安は私たちの頭の中で、実際には全てではありません、そのすべてについて証明することがあります。私達は私達の腸の詳細を頼るように試みる必要があります。
Intestinal bacteria may have a greater influence on us than was previously thought. In a study published in the prestigious journal Nature on 29 May, researchers at the Sahlgrenska Academy and Chalmers University of Technology show that patients with type 2 diabetes have an altered gut microbiota. Their findings have led to a new model to identify patients at increased risk of developing diabetes.
