میکروب‌های داخل بدن چگونه روی مغز تاثیر می‌گذارند؟
جان کریان استاد دانشگاه کالج کورک در ایرلند، در سال ۲۰۱۴ در نشستی که درمورد بیماری آلزایمر در کالیفرنیا برگزار شد، شرکت کرد. او متخصص بیماری زوال عقل نبود؛ اما میکروبیوم - تریلیون‌ها میکروبی که داخل بدن یک انسان سالم وجود دارند - را مورد مطالعه قرار داده بود. دکتر کریان و دیگر دانشمندان در حال یافتن شواهدی در مورد تاثیر این میکروب‌ها بر مغز و رفتار بودند. احتمالا او حتی به دانشمندان گفت که میکروبیوم دارای نقشی در توسعه‌ی بیماری آلزایمر است ولی این ایده چندان مورد قبول واقع نشد.
با این حال، با گذشت زمان، چیزهای زیادی تغییر کرد: نتایج پژوهش‌ها نشان‌دهنده‌ی وجود ارتباطاتی بین میکروبیوم و مغز بود. اکنون دانشمندان شواهدی در دست دارند که نشان می‌دهد میکروبیوم ممکن است نه‌تنها در بیماری آلزایمر بلکه در بیماری‌هایی نظیر پارکینسون، افسردگی، اسکیزوفرنی، اوتیسم و دیگر اختلالات مغزی نیز نقش داشته باشد. برای برخی از دانشمندان علوم اعصاب، این مطالعات جدید موجب تغییر شیوه‌ی تفکر آن‌ها درمورد مغز شده است. یکی از افراد شکاک شرکت‌کننده در نشست آلزایمر، سانگرام سیسودا، یک دانشمند علوم اعصاب از دانشگاه شیکاگو بود. او ابتدا تحت‌تاثیر سخنان دکتر کریان قرار نگرفت اما بعدا تصمیم گرفت این ایده را با یک آزمایش ساده بررسی کند. دکتر سیسودا گفت:
این فقط یک بازیگوشی بود. ما درمورد اینکه این کار چگونه می‌تواند نتیجه بدهد، ایده‌ای نداشتیم.
او و همکارانش آنتی‌بیوتیک‌هایی را به موش‌های مستعد به توسعه‌ی نوعی آلزایمر دادند. هدف آن‌ها این بود که بیشتر باکتری‌های موجود در روده‌ی این موش‌ها از بین بروند. بعدا، وقتی دانشمندان مغز این حیوانات را مورد بررسی قرار دادند، تعداد کمتری از تجمعات پروتئینی مرتبط با زوال عقل را مشاهده کردند. تنها یک دستکاری کوچک روی میکروبیوم کافی بود تا این اثرات دیده شوند. حتی وقتی سن موش‌های جوانی که برای یک هفته به آن‌ها آنتی‌بیوتیک داده شده بود، افزایش می‌یافت، تجمعات پروتئینی کمتری در مغزشان دیده می‌شد. دکتر سیسودا گفت:
من هرگز تصور نمی‌کردم که چنین نتیجه‌ی قابل‌توجهی حاصل شود. برای فردی که دارای پس‌زمینه‌ی زیست‌شناسی ملکولی و علوم اعصاب است، این نتیجه مانند رفتن به فضا است.
پس از انجام چندین آزمایش مشابه، او اکنون مشکوک است که فقط برخی از گونه‌های میکروبی موجود در مجرای گوارش (و شاید فقط یکی از آن‌ها) روی روند بیماری آلزایمر تأثیرگذار باشند. شاید این میکروب‌ها ازطریق آزاد کردن یک ماده‌ی شیمیایی که روی نحوه‌ی عملکرد سلول‌های ایمنی در مغز تاثیر می‌گذارد، ایفای نقش کنند. او آن میکروب‌ها را پیدا نکرده است اما می‌گوید: «چیزی اینجا هست و ما باید آن را پیدا کنیم.»
این دیوانگی درنظر گرفته می‌شد
مدت‌ها است دانشمندان می‌دانند میکروب‌هایی درون بدن ما زندگی می‌کنند. در سال ۱۶۸۳، آنتونی ون لیوونهوک، پلاک دندانی خود را زیر یک میکروسکوپ قرار داد و موجودات ریزی را مشاهده کرد که در آنجا درحال حرکت بودند. اما میکروبیوم به‌شدت دربرابر کشف علمی مقاومت کرده است. برای مدت‌ها میکروب‌شناسان تنها گونه‌هایی را مورد مطالعه قرار می‌دادند که می‌توانستند آن‌ها را در آزمایشگاه پرورش دهند. اما در اوایل دهه‌ی ۲۰۰۰، وقتی که پژوهشگران دریافتند چگونه می‌توانند DNA این میکروب‌ها را توالی‌یابی کنند، علم مطالعه‌ی میکروبیوم دچار جهشی ناگهانی شد. پژوهشگران در ابتدا با استفاده از این فناوری به این موضوع پرداختند که چگونه میکروبیوم روی بخش‌هایی از بدن که سرشار از میکروب هستند مانند روده یا پوست تاثیر می‌گذارد. برخی از دانشمندان هم به مغز فکر کردند ولی به‌نظر نمی‌آمد ایده‌ی جالبی برای پژوهش باشد. سد خونی‌مغزی از مغز دربرابر هجوم میکروب‌ها محافظت می‌کند. به‌طور طبیعی فقط برخی از ملکول‌ها قادر هستند از این مانع عبور کنند. راب نایت میکروب‌شناس دانشگاه کالیفرنیا گفت:
تا همین سال ۲۰۱۱، جست‌وجو به‌دنبال ارتباط بین میکروبیوم و رفتار دیوانگی به‌نظر می‌رسید.
او و همکارانش شواهد اولیه‌ای در این خصوص پیدا کردند. این پژوهشگران، مدفوع موش‌های دارای یک جهش ژنتیکی را برداشتند که موجب می‌شد آن‌ها غذای زیادی بخورند و اضافه وزن پیدا کنند. پژوهشگران این مدفوع را به محیط موش‌هایی که در محیط عاری از میکروب پرورش یافته بودند (و روده‌ی آن‌ها فاقد میکروبیوم بود) منتقل کردند. پس از این عمل که «پیوند مدفوع» نامیده می‌شود، موش‌های عاری از میکروب گرسنه شدند و شروع به افزایش وزن کردند.
تنها کاری که میکروبیوم با مغز انجام می‌دهد، تغییر اشتها نیست. دکتر کریان و همکارانش دریافتند که موش‌های بدون میکروبیوم، تنهاتر می‌شوند و ترجیح می‌دهند از جوندگان دیگر دور بمانند. دانشمندان توانسته‌اند تغییراتی را در مغز این موش‌های ضداجتماعی پیدا کنند. منطقه‌ای در مغز وجود دارد که آمیگدال نامیده می‌شود و برای پردازش احساسات اجتماعی مهم است. در موش‌های بدون میکروب، نورون‌های موجود در بخش آمیگدال، مجموعه‌های پروتئینی غیرطبیعی ایجاد می‌کردند که موجب تغییر ارتباطات سلول‌های عصبی می‌شد.
در مطالعاتی که روی انسان‌ها انجام شده است، نیز الگوهای شگفت‌آوری مشاهده شده است. کودکان مبتلا به اوتیسم دارای الگوهای غیرمعمول گونه‌های میکروبی در مدفوعشان بودند. همچنین تفاوت‌هایی در باکتری‌های روده‌ی افرادی که دچار مشکلات مغزی دیگری بودند، نیز گزارش شده است.
اما هیچ‌کدام از این روابط تأیید‌کننده‌ی وجود یک رابطه‌ی علی و معلولی نیست. یافتن میکروبیوم غیرطبیعی در انسان‌های مبتلا به آلزایمر لزوما به این معنا نیست که این باکتری‌ها موجب بروز بیماری شده‌اند. این قضیه می‌تواند برعکس باشد: برای مثال افراد مبتلا به آلزایمر اغلب عادات غذایی خود را تغییر می‌دهند و این امر موجب تغییر گونه‌های میکروب‌های روده‌ی آن‌ها می‌شود.
در آزمایش پیوند مدفوع این ارتباط شاید مشخص شود. دکتر سیسودا در مطالعه‌ی خود درمورد آلزایمر، مدفوع موش‌های معمولی را به محیط موش‌هایی که با استفاده از آنتی‌بیوتیک درمان شده بودند، منتقل کرد. هنگامی که جمعیت میکروبیوم آن‌ها بازسازی شد، تجمعات پروتئینی در مغز موش‌های درمان شده با استفاده از آنتی‌بیوتیک دوباره آغاز شد. او گفت:
ما از این موضوع که این باکتری است که موجب این وضعیت می‌شود، بسیار مطمئنیم.
در این راستا، دیگر پژوهشگران با استفاده از پیوند مدفوع انسانی یک قدم جلوتر رفته‌اند. اگر شما موشی را با دمش نگهدارید، او به‌طور طبیعی در تلاش برای فرار به جنب و جوش خواهد پرداخت. اگر شما روی این موش‌ها، پیوند مدفوع انسان مبتلا به افسردگی عمده را انجام دهید، نتیجه‌ی کاملا متفاوتی خواهید دید: موش به‌زودی تسلیم شده و بدون حرکت آویزان خواهد ماند.
البته باید دانست این نوع پژوهش دارای محدودیت بزرگی است. به‌علت اینکه پژوهشگران صدها گونه باکتری را به یکباره انتقال می‌دهند، این آزمایش‌ها نمی‌تواند نشان دهد که کدام گونه یا گونه‌ها مسئول تغییر مغز هستند. در حال‌حاضر، پژوهشگران درحال بررسی انفرادی گونه‌هایی هستند که به‌نظر می‌رسد دارای نقش باشند. برای مطالعه‌ی اوتیسم، دکتر مائورو کاستا ماتیولی و همکارانش انواع مختلف موش که هر کدام از آن‌ها برخی از علایم اوتیسم را نشان می‌دادند، مورد بررسی قرار دادند. برای مثال یک جهش در ژنی که SHANK3 نام دارد، موجب می‌شود موش خود را مرتبا تمیز و از برخورد با دیگر موش‌ها اجتناب کند. دکتر کاستا ماتیولی در یک سویه‌ی دیگر موش دریافت که با تغذیه‌ی مادر با یک رژیم غذایی غنی از چربی، احتمال اینکه توله‌های او به این شکل رفتار کنند، بیشتر می‌شود.
زمانی‌که پژوهشگران میکروبیوم این موش‌ها را مورد بررسی قرار دادند، دریافتند که این حیوانات فاقد یک گونه‌ی رایج از باکتری هستند که لاکتوباسیلوس رویتری نامیده می‌شود. وقتی آن‌ها یک سویه از این باکتری را به رژیم غذایی این موش‌ها اضافه کردند، این حیوانات دوباره به‌حالت اجتماعی درآمدند. دکتر کاستا ماتیولی شواهدی پیدا کرد که نشان می‌داد لاکتوباسیلوس رویتری، ترکیباتی آزاد می‌کند که موجب ارسال سیگنالی به پایانه‌های عصبی موجود در روده‌ی کوچک می‌شود. عصب واگ، این سیگنال‌ها را از روده به مغز می‌فرستند؛ جایی که آن‌ها موجب تغییر در تولید هورمونی به نام اکسی‌توسین می‌شوند که در تقویت پیوندهای اجتماعی نقش دارد.
دیگر گونه‌های میکروبی نیز سیگنال‌هایی به عصب واگ می‌فرستند. برخی نیز ازطریق جریان خون با مغز در ارتباط هستند. این احتمال وجود دارد که این تاثیر قبل از تولد آغاز شود، از آن‌جایی که میکروبیوم یک مادر باردار ملکول‌هایی آزاد می‌کند که می‌توانند به مغز جنین راه پیدا کنند. هنگام تولد و تغذیه از شیر مادر نیز میکروب‌هایی وارد بدن نوزاد می‌شوند. طی چند سال نخست زندگی، هم مغز و هم میکروبیوم به‌سرعت به بلوغ می‌رسند.
ربکا نیک‌مایر، دانشمند علوم اعصاب در دانشگاه ایالتی میشیگان برای درک تاثیر میکروبیوم روی توسعه‌ی مغز، اسکن‌های fMRI نوزادان را مورد مطالعه قرار می‌دهد. در نخستین مطالعه‌ی او که در ماه ژانویه منتشر شد، وی روی ناحیه‌ی آمیگدال یعنی همان ناحیه‌ی پردازش احساسات در مغز تمرکز کرده است که دکتر کریان دریافت در موش‌های عاری ار میکروب دچار تغییر می‌شود. دکتر نیک‌مایر و همکارانش، شدت ارتباطات بین آمیگدل و دیگر بخش‌های مغز را اندازه‌گیری کردند. نتایج نشان می‌داد این ارتباطات در نوزادانی که دارای تنوع کمتری از گونه‌های میکروبی در روده‌ی خود بودند، قوی‌تر بود. آیا این بدان معنا است که تنوع پایین‌تر میکروبیوم موجب ترس نوزادان نسبت‌به دیگران می‌شود؟ هنوز نمی‌توان پاسخی برای این سؤال مطرح کرد ولی دکتر نیک‌مایر امیدوار است که با انجام مطالعات بیشتر روی نوزادان بتواند این موضوع را کشف کند.
حفاظت دربرابر تشنج‌ها
هرچه دانش پژوهشگران درمورد چگونگی تاثیر میکروبیوم روی مغز بیشتر می‌شود، آن‌ها امیدوارتر می‌شوند که بتوانند از نتایج آن برای درمان بیماری‌های روانپزشکی و احتلالات عصبی استفاده کنند. شاید هم آن‌ها بی آن که بدانند، سال‌ها است این کار را انجام می‌دهند.
در اوایل دهه‌ی ۱۹۰۰، متخصصان اعصاب دریافتند، اگر افراد مبتلا به صرع از رژیم‌های غذایی دارای کربوهیدرات کم و پروتئین و چربی بالا استفاده کنند، از میزان تشنج‌های آن‌ها کاسته می‌شود. موش‌های مبتلا به صرع نیز با مصرف این رژیم غذایی که رژیم غذاهی کتوژنیک نامیده می‌شود، همین اثر حفاظتی را دریافت کردند. اما هیچکس علت آن را نمی‌دانست. ایلین شائو میکروب‌شناسی از دانشکاه کالیفرنیا مشکوک بود که شاید میکروبیوم علت این تاثیر باشد. دکتر شائو برای آزمایش اهمیت میکروبیوم، موش‌های عاری از میکروبی را پرورش داد. زمانی‌که موش‌های مبتلا به صرع عاری از میکروب تحت یک رژیم غذایی کتوژنیک قرار گرفتند، هیچ تاثیر مطلوبی در اثر استفاده از این رژیم غذایی دیده نشد. بااین‌حال وقتی به حیوانات عاری از میکروب، مدفوع موش‌های دارای رژیم غذایی کتوژنیک داده می‌شد، تشنج‌ها کاهش می‌یافت. دکتر شائو متوجه شد که دو نوع از باکتری‌های روده در موش‌های دارای رژیم غذایی کتوژنیک فراوان‌تر هستند. این باکتری‌ها ممکن است، واحدهای ساختمانی انتقال دهنده‌های عصبی را که ترمزی روی میزان فعالیت الکتریکی مغز ایجاد می‌کنند، مهیا کنند. می‌توان تصور کرد روزی برسد که دیگر لازم نباشد بیماران مبتلا به صرع از رژیم غذایی کتوژنیک استفاده کنند تا از مزایای آن بهره‌مند شوند. آن‌ها شاید بتوانند تنها یک قرص را مصرف کنند که باکتری عامل ویژگی‌های خوب رژیم غذایی را داشته باشد.
سارکیز مازمانیان و همکارانش یک سویه‌ی منفرد از باکتری را پیدا کرده‌اند که موجب آغاز علائم بیماری پارکینسون در موش می‌شود. او شرکتی را تأسیس کرده که در حال آزمایش ترکیبی است که احتمالا بتواند سیگنال‌هایی را که این میکروب به عصب واگ می‌فرستند، مهار کند.
البته راه دکتر مازمانیان و دیگر پژوهشگران راه دشواری است. از یک طرف آزمایش‌ها، آن‌ها را به‌شدت تشویق می‌کنند و از طرف دیگر نمی‌خواهند این اندیشه را ترویج دهند که درمان‌های مبتنی بر میکروبیوم برای بیماری‌هایی نظیر پارکینسون به‌زودی در دسترس قرار می‌گیرند. در شرایطی که مردم به‌آسانی و بدون نیاز به نسخه‌ی پزشک می‌توانند پروبیوتیک‌ها را خریداری کنند و شرکت‌های زیادی قصد دارند از همین نتایج اولیه برای فروش میکروب‌هایی سود ببرند که به اصطلاح برای درمان بیماری‌هایی مانند افسردگی مؤثر هستند، کار دانشمندان سخت‌تر می‌شود. دکتر شائو گفت:
علم با آن‌چه دانشمند نماها انجام می‌دهند، سردرگم می‌شود.
دکتر کاستا ماتیولی امیدوار است که باکتری لاکتوباسیلوس رویتری بتواند به افراد مبتلا به اوتیسم کمک کند، اما او هشدار می‌دهد که والدین از درمان فرزندان خود با پروبیوتیک‌هایی که در فروشگاه‌ها فروخته می‌شوند، اجتناب کنند. طبق مطالعات او، برخی از سویه‌های لاکتوباسیلوس رویتری موجب تغییر رفتار موش‌ها می‌شوند در حالیکه برخی دیگر چنین اثری را ندارند. او و همکارانش هنوز در حال جست‌وجو برای یافتن موثرترین سویه‌ها و تعیین مقدار مناسب آن هستند. او گفت:
شما می‌خواهید که با بهترین سلاح وارد آزمایش بالینی شوید و من مطمئن نیستم که ما آن را داشته باشیم.
کاتازینا بی. هوکس متخصص بیوانفورماتیک از دانشگاه بوردکس فرانسه هشدار می‌دهد که مطالعاتی نظیر آن‌چه دکتر کاستا ماتیولی انجام داده است، هنوز غیرمعمول هستند. بیشتر این نتایج از آزمایش‌های انتقال مدفوع یا موش‌های عاری از میکروب حاصل شده است؛ آزمایش‌هایی که در آن‌ها به‌سختی می‌توان به علت تغییر رفتار اشاره کرد. او گفت:
ما گوشه‌های این پازل را داریم و اکنون درحال تلاش برای این موضوع هستیم که ببینیم خود تصویر چیست.