Разговор микроорганизмов — важный компонент общения между головным мозгом и пищеварительным трактом
В 1970–1980-е гг. важнейшие исследования коммуникаций между головным мозгом и желудочно-кишечным трактом проводились в Лос-Анджелесе в Центре исследований язвенных болезней и подготовки специалистов (CURE, Center for Ulcer Research and Education, сейчас входит в состав Министерства по делам ветеранов США). Этот Центр, основанный выдающимся физиологом Мортоном Гроссманом, был Меккой для исследователей и лечащих врачей со всего мира, которые хотели на фундаментальном уровне изучать проблему язвы желудка (серьезную врачебную проблему в то время) и основные механизмы, участвующие в работе пищеварительной системы. Об этом Центре и сделанных в нем научных открытиях, о его харизматичном основателе и об ученике Гроссмана по имени Джон Уолш написаны книги, а рассказы об их работах можно услышать и сегодня.
Когда я приехал в Лос-Анджелес в начале 1980-х гг. и начал работать в Центре, я хотел изучать биологию процессов коммуникации в пищеварительном тракте. В учебной программе медицинского факультета Университета Людвига и Максимилиана в Мюнхене, где я учился, тема взаимодействия головного мозга и ЖКТ почти не затрагивалась. Я только что закончил стажировку по внутренним болезням в Университете Британской Колумбии в Ванкувере и не мог дождаться начала обучения в ординатуре, чтобы продолжить углубленно заниматься интересующей меня темой. Я полагал, что на эти исследования и ординатуру у меня уйдет два года.
В то время Джон Уолш был блестящим молодым исследователем, который уже принял много дальновидных решений и сделал немало открытий, руководствуясь своими внутренними ощущениями, что я понял гораздо позже. Он уже тогда заинтересовался группой таинственных сигнальных молекул — «кишечных гормонов» или «кишечных пептидов», которые были выделены из кожи экзотических лягушек, а затем из ЖКТ и головного мозга млекопитающих. В то время биологи полагали, что эти сигнальные молекулы работают как простые химические переключатели, которые запускают или останавливают выработку желудком соляной кислоты, или секрецию поджелудочной железой пищеварительных гормонов, или сокращения желчного пузыря. Однако в течение следующих нескольких лет, которые я провел в этой колыбели новейших исследований пищеварительного тракта и головного мозга, я видел, как менялось понимание функции сигнальных молекул — от простых двухпозиционных переключателей до основы сложного универсального биологического языка, которым пользуются триллионы микроорганизмов для общения с пищеварительной системой и головным мозгом человека.
Группа итальянских биологов под руководством Витторио Эрспамера обнаружила первые гастроинтестинальные (кишечные) пептиды в коже экзотических лягушек. В тот момент казалось, что роль этих веществ заключалась в отпугивании хищников. Когда неопытная молодая птица проглатывает лягушку, эти молекулы выбрасываются в ее желудочно-кишечный тракт, вызывая такую острую реакцию, что это побуждает птицу отрыгивать лягушку. Неприятный опыт учит птицу не трогать этот вид лягушек в будущем. А так как лягушка вырабатывает пептид, на который реагирует желудок птицы, то получается, что лягушки и птицы имеют общую систему химической связи, что и показали результаты исследований.
Вскоре после того, как итальянцы сообщили о своих находках, Виктор Матт с коллегами из Каролинского института в Швеции начал поиски гастроинтестинальных пептидов в тканях млекопитающих. В конце концов они научились выделять эти молекулы в промышленном масштабе из специально подготовленных свиных кишок и снабдили ими интересующихся этой темой исследователей во всем мире. Драгоценные экстракты были отправлены и в лабораторию Уолша. Мы отнеслись к ним с благоговением, зная, сколько труда и времени потребовалось для их выделения. Позже мы стали сами ездить по утрам на бойню в Лос-Анджелесе и возвращались оттуда с контейнерами свиных кишок, из которых выделяли гастроинтестинальные пептиды. Мы вводили одно из этих веществ — гастрин — и наблюдали, как желудок животного усиливал секрецию соляной кислоты. Инъекция другого пептида — секретина — приводила к секреции пищеварительных соков поджелудочной железой, а инъекция соматостатина, как правило, обе эти функции выключала. Гастроинтестинальные пептиды также называют гастроинтестинальными гормонами, так как, попав в кровь, они могут достигать отдаленных целей в организме, как вырабатываемые щитовидной железой или яичниками гормоны, отправляющие свои сообщения на дальние в масштабах тела расстояния.
Ученым не потребовалось много времени, чтобы обнаружить, что гастроинтестинальные пептиды присутствуют не только в гормон-содержащих клетках пищеварительного тракта, но и в нервных клетках энтеральной нервной системы, которая использует их для тонкой настройки перистальтики, поглощения жидкости и секреции. Далее нейробиологи обнаружили идентичные вещества в головном мозге. Там пептиды играли роль химических переключателей, которые могут включать и выключать различные модели поведения и моторные программы, участвующие в формировании чувства голода, гнева, страха и тревоги.
История приняла неожиданный оборот в начале 1980-х гг., когда группа ученых из Национальных институтов здоровья США (National Institutes of Health) во главе с биологами Джесси Ротом и Дереком леройтом решила выяснить, существуют ли микроорганизмы, способные производить те же сигнальные молекулы, которые Уолш, Матт и Эрспамер выделили у лягушек, свиней, собак и других животных. Они выращивали различные микроорганизмы в питательном бульоне, отделяли их и проверяли на наличие инсулина — гормона, который посылает тканям сигнал выделять энергию из сахара.
И в клетках, и в бульоне были обнаружены молекулы, похожие на человеческий инсулин, — настолько похожие, что они стимулировали выращенные в лаборатории жировые клетки крыс выделять энергию из сахара. Этот впечатляющий результат позволил предположить, что инсулин впервые появился не у животных, как думали биологи, а у примитивных одноклеточных организмов, которые возникли около миллиарда лет назад.
Я узнал об увлекательном исследовании Рота и Леройта, когда они прислали экстракты других микроорганизмов в лабораторию Уолша. Там для идентификации и количественной оценки этих молекул был проведен радиоиммунологический анализ. Он дал удивительные результаты: помимо инсулина мои коллеги обнаружили молекулы, похожие на гастроинтестинальные пептиды других млекопитающих. С тех пор были идентифицированы древние микробные версии многих гастроинтестинальных и других пептидов, гормонов и сигнальных молекул, в том числе норадреналина, эндорфина и серотонина и их рецепторов.
В статье, опубликованной в 1982 г. в журнале New England Journal of Medicine, Рот и Леройт обобщили полученные результаты и написали, что сигнальные молекулы, которые эндокринная система и головной мозг человека используют для коммуникаций, вполне вероятно, возникли у древних микроорганизмов. Несколько лет спустя меня так сильно заинтересовало это формировавшееся направление науки, что я решил написать дискуссионную обзорную статью. К работе над ней я привлек моего друга и блестящего математика Пьера Бальди, работавшего в Калифорнийском технологическом институте. И хотя один известный профессор лингвистики пытался тогда убедить меня, что о языке можно говорить только в контексте общения между людьми, мы назвали нашу работу так: «Не являются ли гастроинтестинальные пептиды словами универсального биологического языка?» (Are Gut Peptides the Words of a Universal Biological Language?). Наша статья была опубликована в American Journal of Physiology в 1991 г.
Когда я показал ее рукопись Уолшу, он шутливо заметил: «Тебе повезло, что этот дискуссионный материал приняли к публикации. Эти идеи лет на тридцать опережают наше время». (И эта оценка, как всегда бывало с предсказаниями Уолша, оказалась точной.) В статье мы высказали предположение, что сигнальные молекулы являются своего рода словами универсального биологического языка, которым пользуются не только пищеварительный тракт, но и нервная система, в том числе маленький и большой мозг, а также иммунная система. Не только люди используют эту систему клеточных коммуникаций: ученые уже показали, что ей также пользуются лягушки, растения и даже микроорганизмы, живущие в пищеварительной системе человека. Применив к биологическим данным математическую теорию, которая называется теорией информации, мы даже оценили объемы информации, которые различные типы сигнальных молекул — от гормонов до нейромедиаторов — могли бы посылать между разными клетками и органами.
К сожалению, научный мир еще не был готов осознать значение тех открытий. Как и предсказывал Уолш, потребовалось почти три десятилетия исследований взаимодействия между головным мозгом и пищеварительным трактом, чтобы кишечная микробиота снова привлекла к себе серьезное внимание.
Оборотная сторона раннего очищения кишечника
Далия вошла в мой кабинет в черной одежде и темных очках, как будто после визита в клинику она собралась на похороны. Меня не удивил ее вид, за годы врачебной практики я повидал много таких пациентов. Темные очки могут означать повышенную чувствительность к свету, она часто встречается при мигренях у людей, страдающих от стресса. А может быть, ее одежда была покровом, за которым сорокапятилетняя женщина пыталась скрыть разочарование.
Далия попросила ее принять, чтобы я помог ей справиться со стойкими запорами, однако ее проблемы со здоровьем не ограничивались только проблемами с кишечником. К другим симптомам относились хронические боли по всему телу, усталость, головные боли и мигрени. Во время беседы с нею мне стало ясно, что Далия также страдает от хронической депрессии, которую она объясняла исключительно проблемами в желудочно-кишечном тракте. Она рассказала мне, что трудности с регулярным опорожнением кишечника начались еще в младенчестве. Мать регулярно ставила ей клизмы — обычная практика, к которой прибегали в те времена, чтобы добиться ежедневной дефекации у детей.
К сожалению, единственным способом, при помощи которого Далия могла гарантированно добиваться дефекации, оставались ежедневные клизмы и глубокие еженедельные орошения (более интенсивные клизмы, когда горячую воду впрыскивают в верхнюю часть толстой кишки). Без этого, по ее словам, она не могла добиться спонтанного испражнения в течение нескольких недель. Далия была уверена, что ее толстая кишка «омертвела» и больше не в состоянии транспортировать содержимое. Она очень боялась, что без ежедневных принудительных процедур ее состояние станет невыносимо дискомфортным, и была убеждена, что никогда не сможет обходиться без клизмы.
Далия уже перепробовала множество терапевтических подходов, и все они оказались неудачными, она лечила депрессию различными лекарственными средствами, которые лишь кратковременно влияли на ее запоры. Казалось, какой-то неизвестный механизм упорно искажал взаимодействие между ее головным мозгом и пищеварительным трактом. Я назначил ей ряд диагностических обследований, но ни одно не выявило причин ее состояния. Самым интересным было то, что обследование транзита толстой кишки показало: время, которое требовалось для прохождения отходов пищеварения по толстой кишке, было абсолютно нормальным.
Далия была также убеждена, что ее симптомы тревоги, депрессии, усталости и хронические боли были вызваны брожением токсичных отходов в кишечнике, а неспособность организма самопроизвольно избавляться от отходов серьезно влияла на ее самочувствие. Часто врачи, встретив пациентов с совокупностью таких симптомов и выслушав их странные истории, прибегают к колоноскопии, выписывают им рецепт на получение нового слабительного и отправляют к психиатру. Однако, как мы теперь знаем, при такой стратегии игнорируются некоторые важные биологические факторы, влияющие на симптомы пациента. Вполне вероятно, что клизмы, которые Далии делали в раннем детстве, в первые годы ее жизни, помешали формированию нормального состава кишечной микробиоты, в итоге это привело к продолжительным изменениям в способе общения между ее микробиотой и нервной системой. Мы до сих пор точно не знаем, в чем заключаются те ранние изменения в составе кишечной микробиоты, которые приводят к появлению таких симптомов, как у Далии. И все же ее история наводит на мысль, что такие изменения могут создавать риск развития у пациентов неврологических симптомов и провоцировать постоянные, продолжающиеся на протяжении всей жизни сбои диалога головного мозга и ЖКТ. Я не сомневаюсь, что в будущем появятся терапевтические стратегии, позволяющие исправить ошибки программирования на ранних стадиях взаимодействия между головным мозгом и ЖКТ. Но пока полезен, скорее, целостный подход к лечению. Он включает комбинацию фармакологических методов и поведенческих коррекций, которые должны помочь справиться с неврологическими симптомами, а также добиться более разнообразного состава кишечной микробиоты, для чего потребуются пробиотики, диета с высоким содержанием растительной клетчатки и прием слабительных средств растительного происхождения, чтобы стимулировать секрецию жидкости в толстой кишке. В случае с Далией этот подход позволил постепенно ослабить не только ее желудочно-кишечные симптомы, но и симптомы тревоги и депрессии.
На протяжении многих лет врачебной практики я видел массу пациентов со сложными и, казалось бы, необъяснимыми симптомами и по результатам этих встреч усвоил один важный урок: нужно обязательно выслушивать их рассказы — непредвзято, независимо от того, насколько странно они звучат и насколько соответствуют современным научным взглядам, считающимся догмой. Студентов-медиков не учат тому, как ставить диагноз таким пациентам, и потому даже опытный гастроэнтеролог вполне мог оставить без внимания странные предположения Далии, сочтя их специфическими психологическими отклонениями. Однако я думаю, что помимо нарушения коммуникации между микробиотой и головным мозгом состояние Далии отчасти было следствием давно укоренившегося убеждения, что отходы, скапливающиеся в толстой кишке, — причина всех проблем, от соматических до психологических, и потому необходимо прибегать к очищению толстой кишки. Страх перед гнилостным разложением остатков пищи в кишечнике и аутоинтоксикацией (самоотравлением организма) такой же древний, как египетские папирусы, и исцелить человека от этой напасти пытались испокон веков во всех частях обитаемого мира.
Кишечник под подозрением
В Древнем Египте и Месопотамии люди считали, что гниющая в кишечном тракте пища образует ядовитые вещества, а кровоток разносит их по всему телу, что приводит к повышению температуры и в конце концов к болезни. Для излечения таких недугов в папирусе Эберса, египетском медицинском тексте, датируемом XIV в. до н.э., предписывается клизма, пригодная, как тогда считалось, для лечения более 20 различных проблем желудка и кишечника путем «удаления экскрементов». Древние египтяне утверждали, что бог мудрости Тот рассказал о самоотравлении и об очистке кишечника, к которой надо прибегать, чтобы избежать болезни. Узнав об этом, фараон назначил специального служителя, который назывался «смотритель за прямой кишкой», он отвечал за постановку клизм фараону, что было одной из первых грязных работенок в истории.
В Древней Месопотамии шумеры, представители первой известной нам цивилизации, также прибегали к клизмам для изгнания болезни. Так же поступали вавилоняне и ассирийцы, на чьих глиняных скрижалях, относящихся к 600 г. до н.э., упоминается использование клизм. Отец индийской хирургии Сушрута в своих рекомендациях, приведенных в санскритских медицинских текстах, детально описал использование шприцев, бужей и ректальных расширителей. Эта традиция продолжилась в медицине аюрведы: самым важным из пяти аюрведических средств детоксикации и очищения организма считались клизмы, использовавшиеся для очистки нижней части пищеварительного тракта. Лекари также широко применяли niruha basti — декоктовые (с отварами) клизмы[7] — дословно «то, что удаляется». Басти — разновидность клизм, применявшихся для лечения различных заболеваний, включая артрит, боли в спине, запоры, синдром раздраженного кишечника, неврологические расстройства и ожирение. Китайских и корейских целителей также беспокоили опасности, создаваемые нечистым кишечником. Они назначали клизмы и орошение кишечника, чтобы избежать «внутренней сырости», которая, по их мнению, могла вызвать множество проблем, в том числе, прибегая к современным терминам, высокий уровень холестерина, синдром хронической усталости, фибромиалгию, аллергии и рак.
У основоположников западной медицины были иные представления о том, как аутоинтоксикация влияет на тело, но они соглашались с тем, что это влияние, безусловно, вредное. Древнегреческий врач Гиппократ, чьим именем названа врачебная клятва, в своих трактатах писал о применении клизмы для лечения лихорадки и других телесных расстройств. Гиппократу также приписывают известное утверждение, что все болезни начинаются в кишечнике. Древние греки приняли идею египтян о том, что гниющая пища внутри нас приводит к образованию токсинов, которые в свою очередь вызывают болезни. В результате такого толкования появилась теория о наличии в организме четырех жизненных соков (жидкостей), соотношение которых для поддержания здоровья должно быть сбалансированным. Эта теория была в ходу на протяжении всего средневековья.
Почему люди в течение столь длительного времени и так упорно интересовались опасностями, таящимися в кишечнике? И сейчас многие пациенты, с которыми я встречаюсь в своей клинике, при всех различиях в происхождении, образовании и социально-экономическом положении твердо верят в эту теорию. Они убеждены, что ответственность за проблемы в пищеварении и другие трудности со здоровьем несут слабо выявленные и по большей части бездоказательные с научной точки зрения процессы, происходящие в ЖКТ. На протяжении многих лет «под подозрением» оставались кандидоз желудочно-кишечного тракта, аллергии и гиперчувствительность ко всем видам пищевых компонентов, непроходимость кишечника, а в последнее время — и дисбаланс микробиоты ЖКТ. Чтобы справиться с подозрительными недугами, люди нередко прибегают к дорогостоящим и обременительным процедурам, включая жесткие ограничения в диете, употребление пищевых добавок и даже антибиотиков. Однако тот факт, что они до сих пор приходят в мою клинику с непрекращающимися пищеварительными проблемами, заставляет меня задаться вопросом, существует ли метод лечения, прибегнув к которому они ощутили реальную пользу, или в лучшем случае все ограничивается лишь ослаблением тревоги у пациентов?
Люди прибегают к самым разным ненаучным объяснениям и ритуалам, чтобы уменьшить свой страх перед болезнями, с которыми они не могут справиться. В этом отношении особенно популярны диетические очистительные процедуры, в том числе диеты, предназначенные для очищения кишечника, — практики, сами по себе являющиеся противоречивыми. Сейчас страхи и беспокойство резко усилились из-за бесконечного потока публикуемых в популярных изданиях историй, в которых рассказывается об опасностях, таящихся в пище, которую мы едим. Исследования ученых показывают, что страхи, связанные с микроорганизмами, живущими в ЖКТ, и веществами, которые они могут продуцировать, в какой-то степени обоснованы. Как в человеческом обществе есть преступники, мошенники и компьютерные хакеры, точно так же имеются микроорганизмы, которые не играют по общим правилам. Некоторые из этих временно появляющихся микроорганизмов, в частности паразиты и вирусы, имеют особое предназначение (как правило, производство потомства), и в стремлении его реализовать они игнорируют здоровье и самочувствие человека или даже вредят ему. Они научились взламывать нашу самую сложную компьютерную систему — головной мозг, чтобы использовать его операционные программы, относящиеся к эмоциям, для достижения собственной эгоистичной выгоды.
Чтобы продемонстрировать, насколько сложными могут быть эти организмы, позвольте мне поделиться с вами захватывающей историей, которую я впервые услышал 15 лет назад на встрече психиатров в Сан-Франциско. Роберт Сапольски, ведущий эксперт по влиянию хронического стресса на головной мозг, выступил с вдохновляющей речью, в которой рассказал о злом и умном микроорганизме под названием Toxoplasma gondii. В ходе выступления он упомянул опубликованную в 2000 г. работу Мануэля Бердоя и его группы из Оксфордского университета. Это исследование показало, что у T. gondii имеется собственная программа выживания и воспроизводства, выполнением которой она занимается удивительно хитрым и эгоистическим способом.
Хотя токсоплазмы могут размножаться только в одном месте — желудочно-кишечном тракте зараженных кошек, — на деле этот паразит может проникнуть в головной мозг любого млекопитающего (включая человека), умело преодолев гематоэнцефалический барьер, который, как экран, защищает головной мозг от нежелательных воздействий. Инфицированные кошки распространяют этот микроорганизм через свои экскременты. По этой причине гинекологи рекомендуют беременным женщинам не держать кошек и их лотки дома, а также воздерживаться от работ в саду в тех местах, где кошки могут закапывать свои фекалии. В нашем, идеальном для токсоплазмы мире кошки освобождаются от паразитов, которых поглощают грызуны. После этого паразиты образуют круглые тканевые цисты в теле грызуна, в частности в его головном мозге. Кошка, в свою очередь, питается зараженными грызунами, цисты формируются в желудочно-кишечном тракте кошки, она с экскрементами выводит наружу новых паразитов, и цикл их жизни продолжается.
В этом месте рассказ делает захватывающий сюжетный поворот, свидетельствующий о замечательной ловкости этого микроорганизма. При нормальных обстоятельствах возбудитель из организма инфицированной крысы вряд ли снова попал бы в организм кошки, поскольку грызуны инстинктивно стараются избегать кошек. Однако крысы, инфицированные токсоплазмой, не только теряют инстинктивный страх перед своими врагами, но даже предпочитают участки, на которых пахнет кошачьей мочой.
Чтобы это произошло, крошечные цисты паразита должны попасть в определенную часть головного мозга крысы — и они попадают точно туда. Их цель — эмоциональная операционная система, отвечающая за срабатывание реакции «испугайся и убегай». Эта эмоционально-моторная программа обычно заставляет крыс убегать при первом колебании воздуха от движения приближающейся кошки. Однако паразит особым образом устраняет у крыс страх перед кошками. При этом инфицированные крысы продолжают проявлять обычное защитное поведение по отношению к другим хищникам, не кошкам, и показывают нормальные показатели при лабораторных испытаниях памяти, эмоций тревоги, страха и поведения по отношению к другим животным. Но, когда дело доходит до кошек, цисты не останавливаются на достигнутом. Они повышают активность центров мозга, контролирующих половое влечение, заставляя инфицированных токсоплазмой крыс, которые чуют запах кошек, испытывать к ним сексуальное влечение. Это ловкое вмешательство в операционную систему мозга крысы — во врожденную реакцию страха, которая подавляется с помощью сексуального влечения, вызываемого кошачьим запахом. Другими словами, у зараженной крысы вырабатывается фатальное влечение к кошкам.
В основе этих стратегий лежит замечательный эволюционный интеллект. Фармацевтические компании потратили миллиарды долларов на разработку лекарств, предназначенных для решения тех задач, с которыми легко справляется токсоплазма. Большая часть этих инвестиций не привела к успеху. Вещества, разработанные для ослабления реакции страха при тревожных расстройствах и блокирования действия молекулы кортиколиберина, принимающей участие в реакции на стресс, как и вещества, созданные для повышения либидо у женщин со сниженным сексуальным влечением, оказались слабыми и вдобавок обладали потенциально опасными побочными эффектами.
Существует много других микроорганизмов, которые разработали поразительно сложные способы манипулирования поведением животного-хозяина. Когда вирус бешенства делает его носителя — собаку, лисицу или летучую мышь — агрессивным, он добивается этого путем проникновения в центр головного мозга, отвечающий за гнев и агрессию. Это повышает вероятность того, что зараженное животное набросится на другое животное (или человека) и покусает его, тем самым передавая дальше вирус, который в составе слюны окажется в ране жертвы. Токсоплазма и вирус бешенства отличаются специализированными знаниями о нервной системе их животных-хозяев, но и многие другие болезнетворные микроорганизмы, в том числе бактерии, простейшие и вирусы, также разработали удивительные способы манипулировать поведением своих хозяев.
Если бы хакеры манипулировали взломанной компьютерной системой так же умело, как токсоплазма и вирус бешенства манипулируют головным мозгом, у нас были бы все основания подозревать, что наш компьютер взломал опытный специалист, хорошо разбирающийся в коде системы. Токсоплазма и вирус бешенства эволюционировали настолько, что знают все о механизмах взаимодействия между головным мозгом и пищеварительным трактом млекопитающих, и так хорошо разобрались в эмоциональных операционных программах млекопитающих, что могут манипулировать ими для достижения своих целей.
Однако паразиты и вирусы — не единственные организмы, способные влиять на головной мозг. За последнее десятилетие исследователи обнаружили, что некоторые микроорганизмы, мирно обитающие в нашем пищеварительном тракте, обладают такими же впечатляющими способностями, хотя они не используют их против нас. Тем не менее на взаимодействие головного мозга и ЖКТ они влияют весьма серьезно.
Являются ли микроорганизмы посредниками в коммуникациях головного мозга и ЖКТ?
Всего несколько лет назад многие исследователи думали, что мы уже установили все компоненты, которые определяют двусторонние коммуникации мозга и ЖКТ.
Мы 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. Мы знали, что поверхность пищеварительного тракта является самой большой и самой сложной сенсорной системой в организме человека. Нам 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 вкусной трапезы человек чувствует себя хорошо.
Мы также знали, что энтеральная нервная система — маленький мозг в ЖКТ — выступает в качестве «низового» органа, регулирующего пищеварение, а при возникновении чрезвычайных ситуаций действует в тесном контакте с высшим органом — головным мозгом. Мы узнали, что, когда мы испытываем эмоции, специализированные эмоциональные операционные программы в головном мозге создают различные сюжеты, разыгрывающиеся в нашем пищеварительном тракте. Они вызывают особые паттерны (комбинации) сокращений в ЖКТ, изменяют кровоток, а также секрецию жизненно важных пищеварительных жидкостей, характерных для каждой эмоции.
Клиницисты довольны новым знанием о том, что нарушение коммуникаций головного мозга и пищеварительного тракта играет важную роль в возникновении таких функциональных расстройств ЖКТ, как синдром раздраженного кишечника. И вопреки мнению подавляющего большинства психиатров и большинства моих коллег-гастроэнтерологов я уже давно подозревал, что нарушения в этой системе коммуникаций могут проявляться в таких не относящихся напрямую к пищеварению расстройствах, как тревога, депрессия и аутизм.
Однако, как это часто бывает в науке, первоначальная уверенность оказалась преждевременной. Мы многое уяснили в двусторонней связи между пищеварительным трактом и головным мозгом, и тем не менее становилось все более очевидным, что организм на самом деле организует внутренние реакции и ощущения в виде сложной схемы связи между головным мозгом и ЖКТ. В состав этой схемы в качестве основного компонента входит кишечная микробиота. В тогдашних выводах и прогнозах мы не учитывали важнейшую роль, которую она играет.
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 активно происходящем диалоге ЖКТ и головного мозга, используя сложный биохимический язык, который я называю «микробоговорение» (‘microbe-speak’).
Зачем головному мозгу и кишечным микроорганизмам нужна эта сложная коммуникационная система? Как формировался язык, на котором разговаривают микроорганизмы? Чтобы ответить на эти вопросы, нам придется заглянуть в далекое прошлое — в первобытные, богатые микроорганизмами океаны Земли.
Зарождение «микробоговорения» — диалога микроорганизмов
Жизнь появилась на Земле примерно 4 млрд лет назад в виде одноклеточных микроорганизмов — архей. В течение первых трех миллиардов лет существования микроорганизмы были единственными обитателями нашей планеты. Триллионы микроорганизмов (а это больше, чем звезд в нашей Галактике) плавали в океанских водах, давших приют примерно миллиарду видов микроорганизмов разных форм, цветов и типов поведения.
На протяжении этого огромного пласта времени методом проб и ошибок, совершаемых в ходе естественного отбора, постепенно совершенствовалась способность микроорганизмов общаться друг с другом. Для передачи сигналов они создали сигнальные молекулы, а также рецепторные молекулы, действовавшие как механизмы декодирования получаемых сигналов. Сигнальные молекулы, испускаемые одним микроорганизмом, могли быть декодированы другим, например соседним. Такая сигнализация вызывает временное или постоянное изменение в поведении принимающего микроорганизма. Как обнаружили Джесси Рот и Дерек леройт, многие из сигнальных молекул во многом похожи на гормоны и нейротрансмиттеры, которыми пользуется наш пищеварительный тракт для связи с энтеральной нервной системой и головным мозгом. В совокупности эти молекулы можно считать древним и относительно простым языком, чем-то вроде тех биологических сигнальных диалектов, которые в наши дни используют различные системы органов в теле человека.
Около 500 млн лет назад в океане начали развиваться первые примитивные многоклеточные морские организмы, а в их пищеварительных системах поселились морские микроорганизмы. Одну из крошечных древних многоклеточных — гидру — можно и сегодня обнаружить в водоемах с пресной водой. По сути, это плавающий желудочно-кишечный тракт. Гидра представляет собой трубку длиной в несколько миллиметров со ртом на одном конце, пищеварительной системой, заполненной микроорганизмами, и так называемой подошвой на другом конце, с помощью которой гидра прикрепляется к скале или к подводному растению.
Постепенно у животных и микроорганизмов сформировались симбиотические отношения, и микроорганизмы нашли способы передавать своим хозяевам жизненно важную генетическую информацию. Эта информация поступала в виде молекул, которых у самих животных-хозяев не было, микроорганизмы же в течение миллиардов лет методом проб и ошибок научились производить их. Некоторые из этих молекул стали нейромедиаторами, гормонами, гастроинтестинальными пептидами, цитокинами и другими видами сигнальных молекул, которыми организм человека пользуется и сейчас.
Примитивные морские животные за миллионы лет превратились в более сложные существа, они сформировали простые нервные системы в виде нервных цепей, окружающих их примитивные кишечники и мало чем отличавшихся от цепей энтеральной нервной системы. Получив от микроорганизмов генетические инструкции, нервные цепи стали производить сигнальные вещества, позволяющие нейронам передавать сообщения друг другу и инструктировать мышечные клетки, заставляя их сокращаться. Эти вещества были предшественниками нейромедиаторов человека.
Удивительно, но эти простые нервные цепи и сигнальные молекулы позволяли примитивным животным миллионы лет назад реагировать на съеденную пищу таким же образом, как это сегодня делает пищеварительный тракт. Поглощая пищу, эти существа совершали стереотипные движения, подобные движениям желудочно-кишечного тракта человека, — так развивались рефлексы продвижения пищи из пищевода через желудок в верхний отдел кишечника, выталкивая из него нежелательное содержимое. Когда примитивные животные поглощали с пищей токсины, они могли изгнать их через один или оба конца желудочно-кишечного тракта, что эквивалентно рвоте и диарее у человека при пищевом отравлении. Первые морские животные также имели клетки, которые выделяли определенные вещества, запускавшие пищеварительный рефлекс. Возможно, эти секреторные клетки были предками энтероэндокринных клеток — специализированных клеток в пищеварительном тракте человека, которые производят большую часть серотонина и гастроинтестинальных гормонов, заставляющих нас чувствовать себя голодными или сытыми.
Новый симбиоз крошечных морских существ и их микроорганизмов-резидентов дал много преимуществ тем и другим. Животные обрели способность переваривать определенные продукты и получать витамины, которые они не могли синтезировать сами, а также избегать токсинов или удалять их и реагировать на другие опасности в окружающей среде. Микроорганизмы, обитавшие в пищеварительных системах этих животных, получали удобную среду, в которой они могли процветать, и возможность перемещаться из одного места в другое. такую совокупность микроорганизмов можно рассматривать как первую версию микробиоты в пищеварительном тракте человека.
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. Тот факт, что основные пищеварительные виды деятельности сохранялись на протяжении сотен миллионов лет, свидетельствует о замечательном эволюционном интеллекте, который был запрограммирован в нашем пищеварительном тракте и энтеральной нервной системе. Теперь становится понятным, почему взаимосвязь между микроорганизмами, ЖКТ и головным мозгом у человека является такой сложной.
По мере того как появлялись все более сложные виды животных, первые примитивные нервные системы превращались во все более сложную сеть нейронов за пределами пищеварительной системы. Эта сеть была отделена от энтеральной нервной системы (хотя и осталась по-прежнему тесно связанной с ней) и сохранила большинство сигнальных механизмов. В конце концов сложная новая нейронная сеть превратилась в центральную нервную систему со штаб-квартирой в черепной коробке.
Постепенно центральная нервная система взяла на себя управление видами поведения, имеющими отношение к внешнему миру, которыми первоначально занималась исключительно энтеральная нервная система, в том числе способностью приближаться к другим животным или избегать их в зависимости от обстоятельств. Эти функции в конечном счете были переданы участкам головного мозга, регулирующим эмоции, в то время как контроль выполнения основных пищеварительных функций остался за энтеральной нервной системой. Такое же разделение обязанностей остается при взаимодействии между головным мозгом и ЖКТ человека.
С тех пор как горстка микроорганизмов впервые вступила в контакт с примитивным кишечником простого морского животного, прошли сотни миллионов лет. Долгий эволюционный путь, который человек с тех пор проделал, помогает объяснить, почему в наши дни ЖКТ, включая его энтеральную нервную систему и микробиоту, продолжает сильно влиять на эмоции и общее самочувствие человека.
Древний договор остается в силе
А теперь задумаемся о чудесных свойствах кишечной микробиоты. Эта совокупность примерно тысячи видов микроорганизмов насчитывает в 1000 раз больше клеток, чем наш головной и спинной мозг вместе взятые, и в 10 раз больше, чем имеется собственно человеческих клеток во всем теле. Кишечная микробиота весит примерно столько же, сколько печень, и больше, чем головной мозг или сердце. Это заставило некоторых специалистов считать микробиоту кишечника новым, недавно обнаруженным органом, по сложности не уступающим головному мозгу.
Подавляющее большинство кишечных микроорганизмов не только безвредны, но и полезны для здоровья и самочувствия. Ученые называют такие микроорганизмы симбионтами или комменсалами. Симбионты получают питательные вещества от своих хозяев, а в обмен помогают поддерживать сбалансированный биохимический фон пищеварительного тракта и защищать от нарушителей, пытающихся в него проникнуть.
Есть в нашем пищеварительном тракте и небольшое количество потенциально вредных микроорганизмов, называемых патобионтами. При определенных условиях эти микроорганизмы могут повернуть свое оружие против нас, им нельзя доверять. У патобионтов имеются молекулярные инструменты, которыми они пользуются, как артиллерией, для атаки на оболочку пищеварительного тракта, вызывая ее воспаление или появление язв. Такое предательское поведение может быть вызвано изменениями в рационе питания, приемом антибиотиков или сильным стрессом, в результате чего происходит аномальное накопление некоторых популяций бактерий или их повышенная вирулентность, из-за чего бывшие симбионты превращаются в патобионтов.
Однако микроорганизмы пищеварительного тракта человека редко прибегают к такой агрессивной тактике. Как правило, они живут в гармонии с нами и решают собственные задачи, к которым относятся пищеварение, рост и размножение. Иммунная система человека также не направляет свое грозное оружие против микробиоты кишечника. Объясняется это просто: расходы на ведение военных действий для обеих сторон значительно перевешивают выгоды от них. Вместо этого стороны предоставляют друг другу услуги. Этот древний договор, имеющий обязательную силу, одновременно становится пактом о ненападении и торговым соглашением, обеспечивая существенные выгоды для участников.
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 неограниченного передвижения. 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.
За эти блага микроорганизмы обеспечивают нас витаминами, участвуют в метаболических процессах обмена сложными перевариваемыми веществами — желчными кислотами, которые вырабатывает печень, и в детоксикации так называемых ксенобиотиков — чужих химических веществ, с которыми организм никогда не сталкивался. 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 в противном случае были бы выведены с калом. В доисторические времена люди больше времени уделяли охоте и вообще поиску пищи, они не занимались фитнесом для того, чтобы влезать в узкие джинсы, и дополнительные калории, которые кишечная микробиота извлекала из пищи, помогали людям выжить. Сегодня, когда пищи у нас в избытке, а многие страны захлестывает настоящая эпидемия ожирения, дополнительные калории, которыми обеспечивают нас кишечные микроорганизмы, стали настоящим бременем.
Соблюдение основных условий древнего договора, имеющего обязательную силу, привело к удивительно мирному и взаимовыгодному сосуществованию микроорганизмов с их хозяевами. Оно сохраняется на протяжении миллионов лет, и это удивительное достижение, ведь сами люди в отношениях между собой очень далеки от достижения такой гармонии.
Разговор микроорганизмов и внутренний интернет
Кишечные микроорганизмы находятся в постоянном общении с желудочно-кишечным трактом, иммунной и энтеральной нервной системами и головным мозгом. Как при любом сотрудничестве, большое значение в этом случае имеют надежные коммуникации. Недавние исследования показали, что сбои в этих разговорах на уровне микроорганизмов могут привести к желудочно-кишечным заболеваниям, в том числе к воспалительному заболеванию кишечника, диарее, вызванной антибиотиками, и ожирению со всеми возможными пагубными последствиями. Эти нарушения коммуникации могут стать причиной развития серьезных заболеваний головного мозга, в том числе депрессии, болезни Альцгеймера и аутизма.
Коммуникации с головным мозгом проходят по нескольким параллельным каналам, в которых используются различные способы передачи информации. К их числу относятся молекулы, которые могут взаимодействовать с головным мозгом, передавая сигналы воспаления, переносить с потоком крови гормоны или попадать в головной мозг в виде нервных импульсов. Коммуникации через эти каналы не изолированы друг от друга, как будет показано далее, между ними происходит большое число перекрестных общений. Микроорганизмы, обитающие в пищеварительном тракте, могут слушать разговоры головного мозга и наоборот. Поток же информации, передаваемой по биологическим каналам, которые микробиота ЖКТ использует для общения с головным мозгом, является очень динамичным.
Количество информации, которой разрешено проходить через эту систему, в значительной степени зависит от толщины и целостности тонкого слоя слизи, выстилающей поверхность пищеварительного тракта, от проницаемости (проходимости) его стенок и от уровня гематоэнцефалического барьера. Как правило, эти барьеры достаточно надежны, и поэтому поток информации от микроорганизмов ЖКТ в головной мозг остается ограниченным. Однако стресс, воспаление, продукты с высоким содержанием жиров и некоторые пищевые добавки могут сделать эти естественные барьеры более проницаемыми.
Чтобы в полной мере понять, чем именно занимаются микроорганизмы внутри нашего тела, на какое-то — очень короткое — время будем условно считать различные каналы коммуникаций микроорганизмов единым проводником информации, похожим на оптиковолоконную линию или кабель, через которую население получает дома услуги интернета. Количество информации, проходящей через этот проводник, может быть разным. Иногда микроорганизмы загружают в него относительно небольшие текстовые документы, и в этом случае объем передаваемой информации будет небольшим, но бывают ситуации, когда они загружают столько данных, сколько содержится в плотно «набитых» информацией видеоклипах.
Однако эта коммуникационная система не всегда работает, как домашний широкополосный интернет. В договоре, который вы заключаете с интернет-провайдером, ограничивается объем информации, которую пользователь может загрузить или скачать за секунду. Ширина полосы пропуска сигнала зависит от того, какой план предоставления услуг вы выбрали — экономичный или более дорогой. Между микроорганизмами ЖКТ и мозгом устанавливается интернет-соединение принципиально другого рода — оно гибкое и не фиксированное, поэтому в стрессовой для организма ситуации скорость передачи данных может резко возрасти, как если бы вы резко переключились с экономичного плана на более дорогой.
Итак, мы добрались до каналов коммуникации между микроорганизмами. Начнем с анализа роли иммунной системы в передаче сигналов между микроорганизмами ЖКТ и головным мозгом. Есть несколько способов, с помощью которых может происходить общение между микроорганизмами, иммунной системой и головным мозгом. В последнее время последствия нарушения взаимодействия между кишечной микробиотой и иммунной системой привлекли к себе внимание специалистов, так как возникающие при этом сбои коммуникации приводят к появлению многих заболеваний головного мозга.
В состав одного средства коммуникации входят специализированные иммунные клетки, известные как дендритные: они располагаются во внутренней оболочке пищеварительного тракта. Дендритные клетки имеют щупальца, направленные вглубь ЖКТ, где они могут контактировать с группой кишечных микроорганизмов, обитающих вблизи стенки пищеварительного тракта. сенсоры иммунных клеток — это первая линия слежения. В нормальных условиях рецепторы на этих частях клеток (рецепторы распознавания паттернов, они же толл-подобные) различают сигналы, поступающие от безопасных микроорганизмов, сообщая иммунной системе, что все в порядке и от нее не требуется защитной реакции. Иммунные клетки научены правильно интерпретировать эти мирные сигналы, получаемые от взаимодействий с кишечными микроорганизмами. И наоборот, когда иммунные клетки обнаруживают вредные или потенциально опасные бактерии, они обращаются к иммунной системе, которая отвечает каскадом воспалительных реакций в стенках ЖКТ, чтобы держать под контролем патогенные микроорганизмы.
Недавние исследования показали, что слизь, которая вырабатывается специальными клетками стенок ЖКТ и защищает их поверхность, имеет два слоя: тонкий внутренний, который прочно прилипает к клеткам стенки, и внешний толстый свободный слой. Эти два прозрачных слоя почти невидимы невооруженным глазом, их толщина всего 150 микрон, в полтора раза толще человеческого волоса. Внутренний плотный слой слизи не позволяет бактериям проникать в стенки ЖКТ, сохраняя поверхность эпителиальных клеток свободной. Наружный слой — место обитания большинства микроорганизмов ЖКТ и сложных молекул, содержащих сахара. Эти молекулы называются муцинами, они служат важным источником питательных веществ для микроорганизмов, особенно когда человек голодает или в его рационе не хватает клетчатки. Когда микроорганизмы проникают в защитный слой слизи, которую формирует слизистая оболочка ЖКТ, молекулы стенок их клеток активизируют иммунные клетки, находящиеся под оболочкой, и те выбирают вариант иммунного ответа в зависимости от опасности вторгшегося чужака. В этом диалоге между микроорганизмами и иммунной системой особое значение имеют липополисахариды. Эти молекулы, компоненты клеточной стенки микроорганизмов, называемых грамотрицательными бактериями, могут повышать проницаемость стенок ЖКТ, облегчая проникновение микроорганизмов в иммунную систему.
Вопреки распространенному мнению, для того чтобы вызвать такую реакцию иммунной системы, совсем не обязательно, чтобы ужасные бактерии или вирусы проникли в ЖКТ извне — у людей, которые едят пищу с высоким содержанием животных жиров, повышенное содержание грамотрицательных бактерий (Firmicutes и протеобактерий) в ЖКТ. Весьма вероятно, что в организме таких людей иммунный механизм активизации запускается регулярно. Когда воспаление, стресс или избыток жира в пище ослабляют защитные свойства двух естественных барьеров, которые отделяют человека от триллионов микроорганизмов, обитающих внутри пищеварительного тракта, микроорганизмы или их сигнальные молекулы могут в большем количестве проникать через стенку ЖКТ. В результате часть иммунной системы, находящаяся в пищеварительном тракте, еще больше активизируется, и воспалительный процесс может распространиться по организму. Процесс проникновения этих микроорганизмов и их молекул называется метаболическим токсикозом.
Но каким бы образом иммунная система ЖКТ ни обнаруживала микроорганизмы, она всегда отвечает на их появление, производя ряд молекул, называемых цитокинами. При определенных условиях цитокины могут вызвать локальное воспаление (воспалительные заболевания кишечника, острый гастроэнтерит). Сигналы об образовании в ЖКТ цитокинов также могут быть направлены в головной мозг. Цитокины могут связываться с рецепторами на сенсорных окончаниях блуждающего нерва, воспаляя эту информационную трассу, соединяющую головной мозг и ЖКТ, и отправлять сообщения в жизненно важные участки мозга. Это может привести к упадку сил, нарастанию чувства усталости, снижению порога болевой чувствительности и даже к возникновению навязанного чувства подавленности. При менее остром воспалении блуждающего нерва снижается чувствительность его нервных окончаний к сигналам насыщения. Это мешает работе механизма, который побуждает нас прекращать прием пищи после достижения состояния сытости. У пациентов, потребляющих большое количество жиров, вмешательство в работу этого механизма часто создает проблемы со здоровьем.
Есть и другой способ действий цитокинов: они могут оказаться в кровотоке, достичь головного мозга, преодолеть гематоэнцефалический барьер и активизировать так называемые микроглиальные иммунные клетки в мозге. Большинство клеток в головном мозге являются микроглиальными, они реагируют на цитокины, делая наш мозг восприимчивым к сигналам, проходящим между пищеварительным трактом, микроорганизмами и иммунной системой. Отправляемые из ЖКТ в головной мозг иммунологические сигналы замешаны в развитии таких нейродегенеративных заболеваний, как болезнь Альцгеймера.
Все это сложные способы общения микробиоты ЖКТ с иммунной системой человека. Кроме того, для общения с головным мозгом микроорганизмы используют свои метаболиты. Микроорганизмы ЖКТ разнообразны и многочисленны (на каждый ген человека приходится 360 генов микроорганизмов), они могут переваривать вещества, с которыми человек справиться не в состоянии. Попутно производится несколько сотен тысяч различных метаболитов, многие из которых пищеварительная система человека сама не производит. Большое количество произведенных микроорганизмами метаболитов попадают в кровь, где они составляют почти 40 % всех циркулирующих молекул. Многие из них считаются нейроактивными, то есть могут взаимодействовать с нервной системой. Толстая кишка поглощает некоторые метаболиты, перенося их в кровь, еще большее их число попадает в кровь, если у человека повышенная проницаемость стенок кишечника. С кровотоком метаболиты могут добираться до многих важных органов, в том числе и до головного мозга, как это делают гормоны.
Другой важный путь, по которому эти метаболиты подают сигналы головному мозгу, — через содержащие серотонин энтерохромаффинные клетки в стенке пищеварительного тракта. Эти клетки усеяны рецепторами, которые обнаруживают созданные микроорганизмами метаболиты, в том числе метаболиты желчных кислот, и такие короткие цепочки жирных кислот, как бутират, которые поступают из цельного зерна, спаржи или других овощей. Некоторые метаболиты могут увеличить выработку серотонина в энтерохромаффинных клетках, благодаря чему появляется больше молекул для передачи сигналов в головной мозг через блуждающий нерв. Кроме того, они могут влиять на характер сна, порог болевой чувствительности и общее самочувствие. Эксперименты на животных показали, что эти метаболиты влияют на развитие тревожности и на социальное поведение. Они могут отчасти влиять и на то, что мы хорошо себя чувствуем после здоровой пищи, богатой фруктами, цельными зернами и овощами и, наоборот, плохо — после горки жирных картофельных чипсов и порции сильно прожаренной курицы.
Миллионы разговоров внутри организма
Интригующей и важной роль кишечной микробиоты делает тот факт, что масса этих микроорганизмов обитает прямо на границе, которая отделяет внутренние реакции от внутренних ощущений в ЖКТ. В зависимости от пищи, которую только что съел человек, или от того, что его пищеварительный тракт абсолютно пуст, энтеральная нервная система изменяет среду в ЖКТ и управляет пищеварением, контролируя кислотность, вязкость и секрецию пищеварительных жидкостей, а также механические сокращения желудочно-кишечного тракта. Из этого следует, что микроорганизмы в ЖКТ постоянно адаптируются к изменениям кислотности, секреции пищеварительных жидкостей, имеющимся питательным веществам и учитывают время, которое есть у них в распоряжении, чтобы переварить эти вещества до состояния, в котором они будут выведены из организма. События развиваются схожим образом и тогда, когда стресс или сильное беспокойство заставляют операционные программы головного мозга, отвечающие за эмоции, создавать драматические сюжеты в пьесах, которые разыгрываются в ЖКТ. При этом стенки пищеварительного тракта сокращаются, а скорость движения содержимого из желудка в кишечник и скорость кровотока меняются. Все вместе это может в значительной степени изменить условия жизни микроорганизмов в тонкой и толстой кишке и является, вероятно, одной из причин того, почему во время стресса изменяется состав кишечной микробиоты. Для сравнения: когда человек чувствует себя подавленным и процессы в пищеварительном тракте замедляются, микроорганизмы ощущают эти изменения и активизируют гены, которые помогают им адаптироваться к этим меняющимся условиям.
В то же время ткани пищеварительной, иммунной и нервной систем занимаются общением друг с другом, используя для этого сигнальные молекулы — кишечные гастроинтестинальные пептиды, цитокины и нейротрансмиттеры. Следует специально отметить, что все эти вещества являются элементами биохимических языков, которые благодаря долгой эволюционной истории человека фактически представляют собой далекие диалекты речи микроорганизмов.
После того как ученые справились с первым удивлением, узнав о ключевой роли кишечной микробиоты во взаимодействии между головным мозгом и пищеварительным трактом, они углубились в исследование этих отношений. Выяснилось, что головной мозг, ЖКТ и кишечная микробиота постоянно и тесно общаются друг с другом. С учетом этого факта ученые стали рассматривать головной мозг, пищеварительный тракт и микробиом как части единой интегрированной системы, имеющей множество перекрестных коммуникаций и обратных связей одних частей с другими. В этой книге я называю эти связи осью взаимодействия между головным мозгом, ЖКТ и микробиомом.
На протяжении всего XX в. ученые не видели наших микроорганизмов-партнеров, потому что большинство из них в лаборатории вырастить нельзя. До появления автоматизированных приемов секвенирования (определения порядка) генов, используемых для идентификации классов микроорганизмов, и суперкомпьютеров для обработки массивных объемов данных не было возможности проводить обширные исследования и определять, какие микроорганизмы имеются в ЖКТ, какими генами они в совокупности обладают и какие метаболиты вырабатывают. Более того, у исследователей были крайне ограниченные представления о том, как участники взаимодействия между головным мозгом, ЖКТ и микробиомом общаются друг с другом.
Теперь стало ясно, что микроорганизмы пищеварительного тракта играют не просто привилегированную роль в организме человека. Согласно утверждениям видного специалиста в области кишечной микробиоты Дэвида Релмана из Стэнфордского университета, «микробиота человека является фундаментальным компонентом того, что вообще понимается под человеком». Помимо незаменимой роли в переваривании части пищи выясняется, что микробиота кишечника масштабно и совершенно неожиданным образом влияет на системы контроля аппетита и операционные системы в головном мозге, которые отвечают за эмоции, а также за поведение и даже за мышление. Эти невидимые микроскопические существа, обитающие в пищеварительной системе человека, вносят свой вклад в то, как он себя чувствует, как принимает интуитивные решения и как развивается и стареет его головной мозг.