Кишечные бактерии у малышей могут влиять на тревожность и депрессию в будущем

Используя современные методы нейровизуализации и машинного обучения, ученые выяснили, как кишечные бактерии в раннем детстве могут влиять на нейронные связи в мозге ребенка, что дает новые подсказки относительно причин тревожности и депрессии.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, с помощью машинного обучения была выявлена связь между связями в мозге у шестилетних детей, симптомами интернализации, наблюдаемыми в 7,5 лет, и составом их микробиома кишечника в раннем возрасте. Цель исследования — пролить свет на взаимосвязь между микробиомом и психическим здоровьем в этой возрастной группе.

Ось микробиом-кишечник-мозг играет решающую роль в определении поведенческих и психологических результатов в период развития ребенка, когда проблемы с психическим здоровьем часто впервые становятся очевидными.  

Микробиом кишечника быстро меняется, достигая почти взрослого состояния с раннего детства до примерно трёх лет. Сигналы от раннего микробиома изменяют архитектуру развивающихся нейронных цепей мозга. Это отражается на поведении и когнитивных способностях ребёнка, включая симптомы интернализации: эмоции и поведение, направленное на себя, а не наружу, такое как тревога, депрессия и замкнутость.

Ранний микробиом, по-видимому, оказывает неизгладимое влияние на нейробиологию ребёнка, определяя реакцию мозга на стрессовые факторы, влияющие на психическое здоровье. Это влияние особенно заметно у детей среднего школьного возраста, в период, известный своей повышенной уязвимостью. Например, большее разнообразие микробов связано с более выраженными связями в лобно-теменной коре, которая отвечает за когнитивный контроль и регулирует негативные эмоции в младенчестве.

Аналогичным образом было показано, что изменения в определенных таксонах бактерий в течение одного месяца предсказывают объем мозга в течение одного года, что свидетельствует о каскадном эффекте развития даже при отсутствии прямых связей в более позднем состоянии.

Предыдущие исследования показали, что определённые виды микробов связаны с аффективными проявлениями в течение года. Увеличение общего разнообразия в течение месяца предсказывало более тревожное поведение в течение года, но обратная картина наблюдалась для таких таксонов, как Clostridiales и Dialister .

Это привело к текущему исследованию, целью которого было помочь визуализировать, «как ранние микробные сигналы могут способствовать формированию пожизненных траекторий психического здоровья».

Подобные исследования в основном направлены на изучение функциональной связности в состоянии покоя (ФССП) на основе «семян» (seeds), где функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) используется для исследования функциональной активности в состоянии покоя в отдельных областях мозга («семенах»). Это ограничивает возможность наблюдения за работой мозга в целом и исключает связь между крупными нейронными сетями.

Однако такие сети играют ключевую роль в нейрокогнитивном поведении, а также в развитии психических расстройств у детей. Изменения в некоторых ключевых путях RFSC связаны с интернализацией симптомов в детском возрасте. С точки зрения механизма, это отражает изменения в связях внутри сетей и между ними, что делает их более специализированными и эффективными. Нарушения этого процесса связаны с риском психических заболеваний у молодых людей.

Исследователи использовали метод машинного обучения, известный как метод частичных наименьших квадратов (PLS), который разбивает сложные наборы данных на основные компоненты, максимизируя общую дисперсию между переменными. Для повышения точности они использовали усовершенствованную версию этого метода, известную как метод разреженных PLS (sPLS).

Такой подход позволил им исследовать взаимосвязь между изменениями в микробиоме кишечника на ранних этапах жизни и крупномасштабными функциональными сетями мозга в среднем детстве, а также то, как они, в свою очередь, были связаны с интернализацией симптомов на поздних этапах жизни.

Это исследование имеет важное значение, поскольку симптомы интернализации в раннем и среднем детстве предсказывают хронические и рецидивирующие симптомы интернализации в дальнейшей жизни.

В этом небольшом разведочном наблюдательном исследовании (N = 55) использовались данные исследования «Growing Up in Singapore Towards Healthy Outcomes» (GUSTO), в рамках которого собирались образцы кала в течение двух лет, а фМРТ-сканирование проводилось в течение шести лет. Учёные использовали метод однослойного лазерного локуса (sPLS) для выявления комбинаций линейных сетей в мозге («мозговых сигнатур»).

У них была проведена оценка наибольшей ковариации с интернализирующими симптомами в возрасте 7,5 лет. Впоследствии они исследовали, позволяют ли ранние профили кишечной микрофлоры предсказать эти мозговые сигнатуры.

Результаты выявили две различные характеристики работы мозга, наиболее тесно связанные с интернализированными симптомами, такими как тревога и депрессия, в возрасте 7,5 лет. Хотя прямых связей между профилями кишечной микробиоты и этими симптомами выявлено не было, один из микробных профилей был косвенно связан через специфическую характеристику работы нейронных сетей мозга. Примечательно, что эти характеристики не коррелировали с самоотчетом о симптомах депрессии в возрасте 8,5 лет.

Различие в интернализации симптомов лучше всего объяснялось сигнатурами связей в двух противоположных сетях мозга, связанных с психическим здоровьем и познавательными способностями.

Одна из сетей включает функциональные связи, связанные с аффективными расстройствами у молодых людей, хотя получены противоречивые результаты. Нарушение связей в этой сети может частично объяснить позднее появление интернализированных симптомов.

Второй путь предполагает более высокий уровень связей, и известно, что нарушения в этой области связаны с нарушением психического здоровья на разных этапах развития. Это включает в себя депрессию и раздражительность, а также другие психические симптомы различных категорий, нарушение эмоциональной регуляции и нарушение когнитивного контроля.

Первая сигнатура мозга включала стриатно-орбитофронтально-амигдальную (SOFA), медиальную височную (MTL), салиенсную (SAL) и теменно-медиальную (PMN) сети. В отличие от этого, вторая сигнатура отражала связь между SOFA и другими сетями, такими как сеть пассивного режима (DMN), вентральная сеть внимания (VAN) и лобно-теменная сеть (FPN).

Эти изменения ортогональной сети наилучшим образом объясняются тремя профилями микробного обилия за два года. Они связаны с воспалением, которое может влиять на соответствующие показатели в мозге, приводя к интернализации симптомов.

Примечательно, что один микробный профиль был связан как с экстернализацией, так и с интернализацией симптомов в возрасте 7,5 лет. Микробы отряда Clostridiales и семейства Lachnospiraceae , соответственно, были связаны с интернализацией симптомов в более позднем детском возрасте. Этот механизм, по-видимому, опосредован изменениями в функциональных связях мозга, которые регулируются эмоциями.

Это согласуется с результатами более ранних исследований, посвященных молодым людям с депрессией. Эти таксоны связаны с воспалением в ответ на острый стресс в лабораторных условиях. Такие изменения часто происходят в раннем возрасте, когда человек испытывает неблагоприятные воздействия, что указывает на уязвимую точку в реакции на подобные стрессоры.

Исследователи также обнаружили, что филогенетическое разнообразие Фейт, мера микробного альфа-разнообразия, положительно связано с одной из сигнатур мозговых сетей (SOFA Between Network Connectivity), хотя и не напрямую с симптомами интернализации.

Специфические функциональные профили микробиома, связанные с клеточным энергетическим метаболизмом, ковариировали с этими мозговыми сигнатурами, что указывает на возможное объяснение подобных эффектов. Это подчёркивает потенциальную возможность использования данного метода для выявления микробных паттернов, которые могут служить маркерами будущих проблем с психическим здоровьем. Таким образом, интернализация симптомов была косвенно связана с микробным профилем через изменения в связях нейронных сетей мозга.

Настоящее исследование предполагает, что симптомы интернализации связаны со специфическими мозговыми сигнатурами, связанными с определенными профилями микробного населения кишечника.

Эти результаты предоставляют первоначальное подтверждение роли микробиоты кишечника на раннем этапе жизни в формировании психического здоровья в школьном возрасте посредством воздействия на функциональное развитие мозга.

Однако авторы подчёркивают, что результаты предварительные, основаны на небольшой выборке и охватывают детей из общины, в основном с субклиническими симптомами, а не с диагностированными психическими расстройствами. Они предупреждают, что результаты демонстрируют ассоциацию, а не причинно-следственную связь, и подчёркивают необходимость повторения исследования на более крупных и разнообразных выборках.

Эти результаты могут помочь в разработке соответствующих мер вмешательства в будущем, одновременно демонстрируя долгосрочное влияние состава микробиома раннего ребенка на показатели психического здоровья в детском возрасте.