Эксперимент по пересадке микробиоты показал, что бактерии приматов с крупным мозгом способны активировать у грызунов те же генетические механизмы, которые отвечают за высокий интеллект у людей.

Энергетические потребности мозга и эволюционный вопрос

Мозг человека составляет всего 2% от массы тела, но потребляет около 20% всей энергии организма. В эволюционной биологии долгое время оставался открытым вопрос: откуда наши предки брали ресурсы для поддержания такого энергоёмкого органа? Генетики предполагали, что ответ кроется в мутациях, изменивших обмен веществ у человека. Однако существовала и другая гипотеза: внутренних изменений было недостаточно, и приматы могли делегировать часть задач по добыче энергии своим кишечным симбионтам — микробиоте.

Эксперимент: влияние микробиоты приматов на мозг мышей

Чтобы проверить эту гипотезу, учёные провели эксперимент, исключающий влияние собственной генетики носителя. В исследовании, опубликованном в журнале PNAS, стерильным мышам пересадили микробиоту трёх видов приматов с разным размером мозга: человека (крупный мозг), макаки (небольшой мозг, близкие родственники человека) и беличьей обезьяны (относительно крупный мозг, но дальние родственники).

Для чистоты эксперимента учёные разделили факторы родства и объёма мозга. Чтобы не просто наблюдать, а доказать функциональную связь, команда использовала нейронную сеть MiMeNet, которая сопоставила 11 359 активных генов мозга мышей с метаболическими путями конкретных бактерий.

Результаты анализа: активация энергетических генов

Анализ показал, что микробиота человека и беличьих обезьян, несмотря на эволюционную удалённость, действует на мозг мышей схожим образом: она активирует гены, отвечающие за выработку энергии. Особенно микробы человека усиливали окислительное фосфорилирование — наиболее эффективный способ получения клеточного АТФ, а также метаболизм глюкозы.

Связь с эволюцией мозга

Чтобы понять эволюционное значение этих изменений, учёные сопоставили карту экспрессии генов окислительного фосфорилирования с зонами мозга человека, которые сильнее всего увеличились в ходе эволюции по сравнению с макаками. Карты совпали: именно те области мозга, которые эволюционно выросли больше всего, оказались наиболее зависимы от энергетической поддержки, обеспечиваемой бактериями.

Дополнительные эффекты микробиоты

Кроме того, «человеческая» микробиота стимулировала у мышей выработку белка DLG4, необходимого для формирования новых связей между нейронами, что способствует усложнению структуры мозга. Также было обнаружено, что бактерии человека подавляли активность генов, связанных с нейропсихиатрическими расстройствами, такими как аутизм и СДВГ. В то же время микробиота макак способствовала у мышей более быстрому росту тела и накоплению жира, тогда как микробы крупных приматов перенаправляли ресурсы на поддержку когнитивных функций.

Выводы

Результаты исследования подтверждают, что состав кишечной микробиоты эволюционировал совместно с мозгом приматов. Микробиота помогла предкам человека преодолеть энергетический барьер и развить сложную нервную систему.