Pomocí pokročilého zobrazování mozku a strojového učení vědci odhalili, jak by střevní bakterie v raném dětství mohly ovlivnit zapojení mladých mozků a nabídnout nové vodítka k příčinám úzkosti a deprese.
Studie: Dětský střevní mikrobiom je spojen s internalizací symptomů ve školním věku prostřednictvím funkčního konektomu. Obrazový kredit: New Africa/Shutterstock.com
Nová studie zveřejněná v Příroda komunikace používá strojové učení k odhalení vazeb mezi konektivitou mozkové sítě u šestiletých dětí, internalizací symptomů pozorovaných v 7,5 letech a jejich střevem mikrobiom složení v raném věku. Jeho cílem je osvětlit souvislosti mezi mikrobiomem a duševním zdravím v této věkové skupině.
Spojení střeva a mozku
Osa mikrobiom-střevo-mozek hraje klíčovou roli při určování behaviorálních a psychologických výsledků během dětského vývoje, v období, kdy se problémy s duševním zdravím často poprvé projeví.
Střevní mikrobiom se rychle mění do téměř dospělého stavu od raného dětství do přibližně tří let věku. Signály z raného mikrobiomu mění architekturu vyvíjejících se mozkových obvodů. To se odráží v chování a kognitivních výkonech dítěte, včetně internalizačních symptomů: emocí a chování zaměřeného spíše na sebe než navenek, jako je úzkost, deprese a odtažitost.
Zdá se, že raný mikrobiom zanechává trvalý otisk v neurobiologii dítěte a formuje, jak mozek reaguje na stresory duševního zdraví. Tento vliv je zvláště patrný u dětí středních škol, což je známé období zvýšené zranitelnosti. Například větší mikrobiální diverzita byla spojena se silnější konektivitou ve fronto-parietální síti, která podporuje kognitivní kontrolu a reguluje negativní emoce v dětství.
Podobně se ukázalo, že změny ve specifických bakteriálních taxonech po jednom měsíci předpovídají objemy mozku po jednom roce, což naznačuje kaskádový vývojový efekt i při absenci přímých asociací v pozdějším stavu.
Předchozí výzkum ukázal, že specifické typy mikrobů jsou spojeny s afektivními výsledky po jednom roce. Zvýšená celková diverzita v jednom měsíci předpovídala děsivější chování v jednom roce, ale opak byl pravdou pro taxony jako Clostridiales a Dialister.
To vedlo k současné studii, jejímž cílem bylo pomoci vizualizovat „jak rané mikrobiální signály mohou přispět k celoživotnímu vývoji duševního zdraví.“
Tyto studie hodnotí především funkční konektivitu v klidovém stavu (RSFC), kde se funkční magnetická rezonance (fMRI) používá ke zkoumání funkční aktivity v klidu ve vybraných oblastech mozku („semena“). To omezuje možnost zobrazení celé mozkové funkce a vylučuje propojení mezi velkými mozkovými sítěmi.
Přesto jsou takové sítě zásadní pro neurokognitivní chování i pro duševní špatné zdraví dětí. Změny v RFSC v některých klíčových drahách jsou spojeny s příznaky internalizace v dětství. Mechanicky to odráží změny v konektivitě v rámci sítí a mezi nimi, což je činí specializovanějšími a efektivnějšími. Narušení tohoto procesu je spojeno s rizikem duševních onemocnění u mladých lidí.
Výzkumníci použili metodu strojového učení známou jako částečné nejmenší čtverce (PLS), která rozděluje složité datové sady na jejich hlavní komponenty a zároveň maximalizuje sdílený rozptyl mezi proměnnými. Pro zvýšení přesnosti použili vylepšenou verzi této techniky známé jako řídké PLS (sPLS).
Tento přístup jim umožnil prozkoumat vztah mezi změnami v raném věku ve střevním mikrobiomu a rozsáhlými funkčními mozkovými sítěmi ve středním dětství a také to, jak tyto byly spojeny s internalizačními příznaky později v životě.
Studium časných cest střevo-mozek
Tato studie je nezbytná, protože internalizační symptomy v raném a středním dětství předpovídají chronické a opakující se internalizační symptomy v pozdějším životě.
Tato malá, průzkumná observační studie (N = 55) použila data ze studie Growing Up in Singapore Towards Healthy Outcomes (GUSTO), kde byly vzorky stolice odebírány po dvou letech a skeny fMRI byly prováděny po šesti letech. Vědci použili analýzu sPLS ke zjištění kombinací lineárních sítí v mozku („mozkové signatury“).
Byli vyšetřeni na nejvyšší kovarianci s internalizujícími příznaky po 7,5 letech. Následně zkoumali, zda rané střevní mikrobiální profily předpovídají tyto mozkové podpisy.
Propojení vnitřností s pocity
Výsledky ukázaly dva odlišné mozkové podpisy, které vykazovaly nejsilnější asociace s internalizujícími symptomy, jako je úzkost a deprese, ve věku 7,5 let. I když se mezi nimi neobjevily žádné přímé vazby střevní mikroflóra profilů a těchto příznaků byl jeden mikrobiální profil nepřímo spojen prostřednictvím specifického podpisu mozkové sítě. Pozoruhodné je, že mozkové signatury nekorelovaly s depresivními symptomy, které si sami uvedli v 8,5 letech.
Rozdíl v internalizaci symptomů byl nejlépe vysvětlen konektivitou ve dvou protichůdných mozkových sítích spojených s duševním zdravím a kognicemi.
Jedna síť obsahuje funkční spojení spojená s afektivními poruchami u mladých lidí, ačkoli byly hlášeny protichůdné výsledky. Zhoršená konektivita v této síti by mohla částečně vysvětlit pozdější nástup internalizačních příznaků.
Druhá cesta zahrnuje vyšší úrovně konektivity a je známo, že poruchy v této oblasti jsou spojeny se špatným duševním zdravím v různých fázích vývoje. Patří sem deprese a podrážděnost, ale také další duševní symptomy napříč kategoriemi, špatná emoční regulace a zhoršená kognitivní kontrola.
První mozková signatura zahrnovala striatálně-orbitofrontální-amygdalar (SOFA), mediální temporální lalok (MTL), výběžky (SAL) a parietomediální (PMN) sítě. Naproti tomu druhý odrážel konektivitu mezi SOFA a dalšími sítěmi, jako je síť ve výchozím režimu (DMN), ventrální pozornostní síť (VAN) a fronto-parietální síť (FPN).
Tyto změny ortogonální sítě byly nejlépe vysvětleny třemi profily mikrobiální abundance po dvou letech. Tyto jsou spojeny s zánětkteré by mohly ovlivnit odpovídající mozkovou signaturu, což by vedlo k internalizujícím symptomům.
Je pozoruhodné, že jeden mikrobiální profil byl spojen s externalizujícími i internalizačními symptomy po 7,5 letech. Mikrobi Clostridiales a Lachnospiraceae řád a rodina byly spojeny s internalizujícími symptomy později v dětství. Zdá se, že mechanismus je zprostředkován změnami ve funkční konektivitě mozkové sítě, které jsou regulovány emocemi.
To souhlasí s dřívější prací o mladých dospělých s depresí. Tyto taxony jsou spojeny se zánětem v reakci na akutní stres v laboratorních podmínkách. Takové změny se často vyskytují v raném životním neštěstí, což ukazuje na zranitelný bod v reakci na takové stresory.
Výzkumníci také zjistili, že fylogenetická diverzita Faith, měřítko mikrobiální alfa diverzity, byla pozitivně spojena s jedním z podpisů mozkové sítě (SOFA Between Network Connectivity), i když ne přímo s internalizujícími příznaky.
Specifické funkční profily mikrobiomu spojené s buněčným energetickým metabolismem se kryly s těmito mozkovými podpisy, což naznačuje možné vysvětlení těchto účinků. To zdůrazňuje potenciální využití této metody při identifikaci mikrobiálních vzorců, které mohou působit jako markery budoucích problémů duševního zdraví. Internalizující symptomy byly tedy nepřímo spojeny prostřednictvím změn v konektivitě mozkové sítě s mikrobiálním profilem.
Malá studie, velké stopy
Tato studie naznačuje, že internalizační symptomy jsou spojeny se specifickými mozkovými podpisy spojenými s určitými profily střevní mikrobiální hojnosti.
Tyto výsledky“poskytnout počáteční podporu pro roli střevní mikroflóry v raném věku při utváření duševního zdraví ve školním věku prostřednictvím účinků na funkční vývoj mozku.“
Autoři však zdůrazňují, že zjištění jsou předběžná, založená na skromném vzorku a zahrnují komunitní děti s většinou subklinickými symptomy spíše než s diagnostikovanými duševními poruchami. Varují, že výsledky ukazují souvislost, nikoli příčinnou souvislost, a zdůrazňují potřebu replikace ve větších a rozmanitějších vzorcích.
Tato zjištění by mohla pomoci informovat o vhodných intervencích v budoucnu a zároveň prokázat trvalý dopad složení mikrobiomu v raném dětství na výsledky duševního zdraví v dětství.
