Биоактивные вещества в молоке могут воздействовать на микробы для сглаживания конфликта между матерью и ребёнком

Компоненты молока у млекопитающих непосредственно воздействуют на среду обитания дружественной микробиоты детёныша.

Иммунологическое и питательное влияние материнского молока и микробиоты становится всё более понятным; менее ясны последствия [этого] на поведение ребёнка.

Так, мы предполагаем, что взаимодействия между биоактивными веществами в материнском молоке и микробами в кишечнике младенца способствуют формированию поведенческого фенотипа и, в частности, имеют возможность управлять конфликтом мать-дитя.

Мы предполагаем, что поведение младенца изменяется в зависимости от того, как взаимодействуют компоненты материнского молока и нейробиология ребёнка напрямую, и косвенно - через дружественных бактерий в кишечнике ребёнка. В этой статье мы исследуем нашу гипотезу о динамике отношений молоко-микробиота-мозг-подведение в контексте связанных изменений между олигосахаридами в человеческом молоке, бактериями, осью кишечник-мозг и поведением. Учитывание установленных особенностей этих систем, позволяет нам создавать новые гипотезы, чтобы способствовать будущим исследованиям и принимать во внимание потенциальное воздействие текущих и будущих клинических методов лечения.  Ключевые слова: олигосахариды человеческого молока, дружественные бактерии, микробиота, материнский вклад, развитие ребёнка, лактация

Введение

Выживание детёнышей  млекопитающих зависит от материнского молока, равно как и микробиота их кишечника. Младенцы прежде всего встречаются со сложными микробными сообществами во время вагинальных родов и в период младенчества, когда компоненты молока напрямую влияют на среду обитания дружественной микробиоты ребёнка. Внутри этой восхитительно сложной, динамичной системы, сотни видов бактерий и широкий спектр компонентов молока вступают во взаимодействие, влияя на иммунную функцию и биодоступность нутриентов (питательных веществ).

 Научные исследования были главным образом, что вполне понятно, направлены на исследование иммунологического и питательного воздействия грудного молока и микробиоты одновременно с клинической и эволюционной точек зрения.

При этом, взаимные влияния между материнским молоком, микробной средой и осью кишечник-мозг и их последствия на поведении ребёнка ещё только подлежат исследованию.

Здесь мы предполагаем, что взаимодействие между биоактивными веществами в материнском молоке и микробами в кишечнике ребенка способствует формированию поведенческого фенотипа ребенка и, в частности, потенциально может регулировать конфликт и взаимодействие между родителями и потомством (Рис. 1) Мы выдвигаем гипотезу, что влияние и поведение ребёнка - плач, сосание, активность, эмоциональность - у детей, находящихся на грудном кормлении, вероятно изменяются в зависимости от того, как компоненты материнского молока взаимодействуют с нейробиологией и психологией ребёнка напрямую и опосредованно через дружественные бактерии в кишечнике.

В этой статье мы исследуем нашу гипотезу в контексте совместного развития олигосахаридов молока человека (ОГМ) и бактериями, с последствиями для мозга и поведения новорожденных.

 Кроме того, мы рассмотрим потенциальные взаимодействия с гормонами материнского происхождения, которые, как было показано ранее, влияют на биопсихическую организацию потомства. Внедрение установленных особенностей этих систем позволяет создавать новые гипотезы, чтобы мотивировать будущие исследования, особенно в свете возможных клинических последствий и применений.

Рис. 1. Концептуальная модель биоактивных компонентов молока, влияющих на конфликт и взаимодействие мать-потомство. Биоактивные компоненты молока воздействуют на микробиоту кишечника ребёнка, влияя на  нейробиологическое развитие и, как следствие, поведение.

Сложность (структуры) материнского молока

Материнское молоко - это сложно структурированная, высоко персонализированная биологическая жидкость, передающая биоактивные компоненты развивающемуся новорожденному.  Наличие и относительное обилие отдельных биоактивных веществ молока варьирует в зависимости от генетических, патогенных, соматических, жизне-исторических, филогенетических особенностей матери и природной среды её проживания. В дополнение к калориям от макрокомпонентов, материнское молоко также обеспечивает младенца иммуноглобулинами, минералами, гормонами и олигосахаридами. Молочные олигосахариды представляют собой разнообразно структурированные цепочки сахаров с лактозным ядром. Эти сложные сахара встречаются во всех таксонах млекопитающих, но характеристики олигосахаридов в молоке сильно варьируют среди разных видов млекопитающих. У человека молочные олигосахариды являются третьим наиболее многочисленным (распространённым) компонентом молока и, вероятно, представляют собой значительную долю затрат по лактации.

Разнообразие, сложность и обилие ОГМ свидетельствуют об отличии от других приматов, предположительно олигосахариды в человеческом молоке стали результатом естественного отбора. Специфический профиль олигосахаридов, производимых конкретной матерью, является изменчивым, наследуемым и может быть связан с физической формой и здоровьем. На сегодняшний день в человеческом молоке выявлены сотни олигосахаридов. Люди производят на порядок большее разнообразие и большее количество олигосахаридов, чем любая из обезьян или приматов, исследованных на сегодняшний день. Несмотря на разнообразие потенциально возможных ОГМ, конкретные матери производят только часть из них, как правило, около 50. Эта часть называется профиль ОГМ и варьируется в зависимости от наличия, обилия и доли конкретных изомеров ОГМ. Одним из известных показателей профиля ОГМ, который производит мать, является ее секреторный статус, определяемый специфическими аллелями, кодирующими фукозилтрансферазы (например, ген FUT2), которые присоединяют фукозные сахара к ОГМ, создавая фукозилированные  ОГМ. Матери без секреторных аллелей, называемые несекреторы, производят гораздо более ограниченное количество фукозилированного ОГМ. Кроме того, профили ОГМ изменяются в течение периода лактации—присутствие и распространенность отдельных изомеров изменяются, а общая доля ОГМ в молоке снижается.

Материнское молоко и микробиота кишечника ребёнка  

Характеристики материнских олигосахаридов грудного молока связаны с заселением и поддержкой дружественных бактерий. ОГМ не сразу усваиваются младенцем для целей питания, поэтому они остаются преимущественно целыми до того, как попадут в толстый кишечник. Попав в толстую кишку, ОГМ может усваиваться кишечной микробиотой, способной ферментативно расщеплять связи ОГМ. По мере созревания кишечника ребенка происходит экологическая преемственность, и анаэробные бактерии, принадлежащие к таким родам, как Bifidobacterium и Bacteroides, начинают численно доминировать. Примечательно, что некоторые бифидобактериальные геномы содержат уникальные группы генов, которые обеспечивают эффективный метаболизм ОГМ. Это согласуется с их частой чрезмерной представленностью в микробном сообществе кишечника младенцев. Кроме того, группы бактерий способны утилизировать слизь для потребления структурно сходных растворимых ОГМ. Способность дружественной кишечной микробиоты младенца — но не эндогенных ферментов младенца - переваривать молочные олигосахариды предполагает, что матери тоже кормят бактерии.

Характеристики ОГМ также влияют на восприимчивость младенцев к вирусным и бактериальным патогенам. Молочные олигосахариды, проходя через желудочно-кишечный тракт ребенка, могут связываться с вирусными или бактериальными штаммами, такими как ротавирус, Escherichia coli, Campylobacter jejuni и Vibrio cholerae. Ожидается, что защита от этих диарейных заболеваний, являющихся ведущей причиной детской смертности, будет основным воздействием на отбор. Фукозилированные ОГМ являются лучшими "приманками" для Camplyobacter, E. coli и норовируса, так как фукозильная часть молекулы аналогична тем, которые представлены на эпителии кишечника, с которыми связываются патогены. Однако нефукозилированные ОГМ также защищают от серьезных патогенов, таких как ротавирус. Кроме того, ОГМ препятствуют появлению патогенов в кишечнике, поддерживая рост специфических бактерий. Полезные бактерии, прикрепленные к эпителию кишечника, становятся конкурентными ингибиторами патогенных захватчиков, защищая ребенка от болезней.

Функции микробов в кишечнике младенца

Объединенная структура кишечника младенца, сформированная частично материнским молоком, играет важную роль в физиологическом развитии ребенка. Кишечные бактерии играют важную роль в программировании ранних иммунных ответов, биоконверсии проглоченных питательных веществ и подавлении патогенных бактерий. Кишечная микробиота синтезирует витамины, необходимые хозяину, и ферментирует углеводы, которые иначе не перевариваются. Метаболизм таких углеводов может также увеличить биодоступность минералов, таких как железо, для хозяина. Бактерии в кишечнике также продуцируют короткоцепочечные жирные кислоты, способные пересекать гематоэнцефалический барьер и влиять на синтез нейротрансмиттеров. Воздействие кишечной микробиоты в младенчестве также, по-видимому, "заряжает" иммунную систему, и нарушения в ранней кишечной микробиоте связываются с возникновением аутоиммунных и аллергических заболеваний [8]. Перенос микробов от матери к потомству является важным аспектом внутриутробного развития, которое продолжается и в младенчестве, поскольку микробы передаются с грудным молоком матерью [29]. Микробиом кишечника младенца и потенциально адаптивная (самонастраивающаяся) способность к синтезу ОГМ, вероятно, развивались одновременно выборочно в ответ на режимы, которые оказывали особенно сильное давление на иммунитет, потребление питательных веществ и отношения матери и потомства в младенчестве в ходе эволюции человека.

Тело и мозг

Ось кишечник-мозг

Кишечник и мозг взаимодействуют двунаправленными путями вдоль оси кишечник-мозг (Рис. 2). Хотя основным сигнальным путем между кишечником и мозгом является блуждающий нерв, соединяющий кишечную нервную систему с мозгом, существуют также иммунологические и гормональные взаимодействия [9]. Отклоняющийся от нормы состав кишечной микробиоты (то есть дисбактериоз) может активировать воспалительную реакцию, которая вызывает депрессивно-подобное болезненное поведение и ухудшает когнитивные способности [30]. Кишечная микробиота также может высвобождать молекулы, которые функционируют как нейротрансмиттеры в организме хозяина, такие как катехоламины [9, 31]. Катехоламины, продуцируемые хозяином, также влияют на кишечник, о чем свидетельствует семикратный рост E. coli после системного высвобождения катехоламинов в ответ на введение нейротоксина [31]. Воздействие микробов также увеличивает каннабиноидные и опиоидные рецепторы в кишечнике грызунов [9]. Эти неврологические и эндокринные пути оси кишечник-мозг развиваются в первые 1000 дней жизни, поскольку размер мозга удваивается, происходит кортикальный нейрогенез, гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая ось (НРА-ось) регулируется, а слизистый барьер кишечника укрепляется.[2, 6, 7, 32, 33].

Рисунок 2. Пути оси кишечник-мозг, с помощью которых кишечная микробиота может влиять на нейробиологию и последующее поведение. Бактерии (синие палочки и зеленые кружочки) могут вырабатывать нейротрансмиттеры (желтые кружочки) или извлекать их из просвета кишечника. Нейротрансмиттеры могут затем взаимодействовать с нервными клетками блуждающего нерва или высвобождаться в портальное кровообращение и, возможно, взаимодействовать с другими нервными клетками. Микробиота может стимулировать активацию иммунных клеток (красные круги) или высвобождать гормоны (фиолетовые круги). Разные виды бактерий могут также конкурентно подавлять другие виды, эффективно отбирая метаболиты, способные вырабатываться в кишечнике

Ось гипоталамус-гипофиз-надпочечники (HPA axis - НРА-ось)

НРА-ось контролирует высвобождение глюкокортикоидов, которые играют важную роль в метаболической, иммунной и био-поведенческой восприимчивости и регуляции [34, 35]. НРА-ось представляет собой эндокринный каскад: из гипоталамуса секретируется гормон, высвобождающий кортикотрофин, который связывается с рецепторами в передней части гипофиза, стимулируя высвобождение адренокортикотропного гормона (АКТГ), который затем переходит в кровоток и стимулирует секрецию глюкокортикоидов из надпочечников [26, 32, 34]. Резкая повышенная регуляция оси НРА возникает, когда организм сталкивается с ситуационными вызовами и мотивирует реакцию "бей или беги", а также организует сопутствующую метаболическую, иммунологическую и поведенческую реакцию. Однако в спокойном состоянии глюкокортикоиды следуют суточному ритму и поддерживают основные гомеостатические функции организма, такие как катаболизм жировых запасов [32, 35].

Важно отметить, что ось HPA лежит в основе устойчивых индивидуальных различий в поведенческом фенотипе, известных по-разному как личность, темперамент и поведенческие формы [36]. Таким образом, ось НРА лежит в основе био-бихевиоральной (био-поведенческой) регуляции индивидов. Кроме того, сигнальные пути возникают в головном мозге, а глюкокортикоидные рецепторы находятся в тканях по всему телу, включая кишечный тракт, создавая многочисленные пересечения между НРА и осью кишечник–мозг. Концентрация и экспрессия (высвобождение) глюкокортикоидных рецепторов в кишечном тракте особенно высоки в младенчестве, когда младенцы получают глюкокортикоиды материнского происхождения через молоко и, по-видимому, со-организуют нейробиологическое и поведенческое развитие [35-37].

Пересечение осей НРА и оси кишечник-мозг

Взаимодействие между НРА-осью и осями кишечник-мозг было смоделировано на взрослых грызунах, не имеющих микробиоты, что показало отклоняющиеся от нормы поведенческие фенотипы [38]. Мыши без микробиоты имеют более высокие уровни АКТГ и глюкокортикоидов в плазме крови в ответ на физическое удержание — стрессовую манипуляцию — по сравнению с мышами без специфических патогенов (SPF) [39]. Однако, гнотобиологические мыши, которым были колонизированы только Bifidobacterium longum подвид. infantis показали секрецию глюкокортикоидов, эквивалентную ответу безпатогенных мышей (SPF мышей) [39]. Повышенный глюкокортикоидный ответ у мышей без микробиоты также уменьшается введением фекалий SPF-мышей; однако это вмешательство было эффективно только в подростковом возрасте и, возможно, при переходе во взрослую жизнь [39]. Из этих исследований мы можем сделать вывод, что неврологическое развитие животного должно происходить совместно с колонизацией микробиоты, чтобы оказывать влияние на определенные аспекты био-бихевиорального (био-поведенческого) фенотипа [2, 40]. Для человека первые 1000 дней - это сенситивный период интенсивных материнских усилий и критических периодов развития, в течение которых младенцы особенно чувствительны к окружающей среде и состоянию матери [41]. В младенчестве гормоны материнского происхождения, поступающие с молоком, формируют рост, развитие и поведение [36, 42]. Одновременно материнские микробы и микробы из окружающей среды колонизируют младенца, частично как деятельность молочных олигосахаридов [4]. Таким образом, ось НРА, ось кишечник–мозг, их пересечения и их влияние на поведение ребенка, значительно формируются материнским молоком.

Влияние микробов на поведение хозяина

Структура среды кишечной микробиоты влияет на поведение хозяина [9]. Исследования с гнотобиотическими мышами показали, что колонизация кишечника микробами влияет на социальное и тревожноподобное поведение [33, 40, 43]. Мыши без микробиоты кишечника отклоняются от типичного для вида поведения; они менее общительны и не предпочитают новых мышей знакомым [40]. Кроме того, типичная для вида колонизация микробиоты проявляет более исследовательский, менее нервный (тревожный) поведенческий фенотип, чем у мышей без микробиоты [44]. Колонизация взрослых грызунов одним или двумя штаммами Bifidobacterium spp. или Bacteroides spp. может улучшить поведенческий фенотип, включая частичное восстановление социального поведения, снижение тревожности и снижение стереотипного поведения [43, 45, 46]. Это особенно заметно, учитывая, что некоторые виды, принадлежащие к этим двум родам, метаболизируют ОГМ [23].

И наоборот, для индивида сложные переживания могут изменить микробную среду кишечника с устойчивыми последствиями даже спустя месяцы [28]. Популяции бифидобактерий и лактобактерий снижаются у младенцев макак-резусов, подвергшихся пренатальному стрессу в результате воздействия слухового (звукового, акустического) испуга матери [47], что позволяет предположить, что эти бактериальные роды могут быть особенно уязвимы к стрессу хозяина. Учитывая чувствительность бифидобактерий к стрессу хозяина, им может быть выгодно, чтобы хозяин оставался спокойным, что потенциально объясняет роль некоторых штаммов в снижении тревожного поведения и реактивности на стресс у хозяина [48]. Модель раздельного пребывания матерей также вызывала изменения в микробной среде потомства, включая снижение содержания лактобактерий [28].

Биоактивные вещества молока стимулируют рост специфических кишечных бактерий, которые могут вырабатывать определенные поведенческие фенотипы. Младенцы с коликами, синдромом, характеризующимся интенсивным плачем, имеют менее разнообразную микробиоту, чем здоровые младенцы [49]. Однако симптомы колик значительно уменьшались после введения молочнокислых бактерий, в частности Lactobacillus reuteri [22, 50]. L. reuteri также снижает продолжительность острой инфекционной диареи у младенцев и детей [51]. Младенцы с более высокой концентрацией бифидобактерий в кишечнике также проявляли меньше плача и возбуждения в первые 3 месяца жизни [52]. Хотя эти эффекты могут быть частично обусловлены облегчением желудочно-кишечного расстройства, мы предполагаем, что ОГМ в материнском молоке может способствовать колонизации микробиоты, которая влияет на биобихевиоральную (поведенческую) регуляцию потомства в сочетании с иммунным и питательным воздействием.

Насколько нам известно, не было опубликовано ни одного исследования, в котором экспериментально или под наблюдением изучалось бы потенциальное влияние ОГМ или других биоактивных веществ молока на структуру/функцию микробного сообщества и возникающий поведенческий фенотип у исследующемых организмов или людей. В последнее время состав микробиоты и темперамент имеют связь у детей в возрасте 18-27 месяцев [53]. Продолжительность грудного вскармливания, как дихотомическая переменная, не оказывала существенного влияния на показатели темперамента, связанные с микробным профилем кишечника; однако наличие и обилие ОГМ или других "биобихевиоральных" биоактивных веществ молока не изучалось [53]. Тем не менее, это исследование представляет собой важнейший шаг вперед, поскольку большинство исследований, демонстрирующих влияние микробов на поведение, были проведены на отлученных от груди животных, несмотря на доказательства того, что колонизация в критические ранние периоды необходима для влияния на поведенческое развитие [39, 40].

Эволюционный толчок: конфликт родителей и потомства

Млекопитающие матери и их младенцы участвуют в сложных поведенческих и физиологических взаимодействиях, чтобы определить объем и продолжительность материнского ухода и передачи молока. Конфликт между родителями и детьми – это ожидание необходимого напряжения между матерями и младенцами в предпочтительном объеме материнских усилий, которое основано на их противоречивых генетических интересах [54-57].  

При прочих равных условиях и признании того, что это редкий случай, предполагается, что естественный отбор сформировал материнскую адаптацию так, чтобы равно распределять ресурсы для многочисленного потомства в течение всего репродуктивного периода, чтобы максимизировать репродуктивный результат [56]. Напротив, младенец, будучи полностью самим собой, но разделяя меньшее количество генов с матерью и братьями и сестрами, как ожидается, будет подстраиваться так, чтобы извлечь больше ресурсов из матери, чем она настроена предоставлять, или использовать ресурсы в соответствии с его личными интересами [56]. Этот конфликт может быть очевиден в краткосрочных взаимодействиях между матерью и младенцем, в том, как младенец просит внимания, как младенец использует материнские вложения, и в том, как долго ребенок остается зависимым [36, 54, 56, 58]. Например, поведенческие тактики младенцев для получения материнской заботы и молока могут быть как положительными, так и отрицательными стимулами—такими, как принюхивание, улыбка, плач и крик [54, 59].

По мере взросления детей, конфликт между родителями и потомством будет усиливаться, поскольку с каждым увеличением материнских вложений выгода для матери уменьшается в разрезе выживания ребенка и улучшения его состояния [56]. Хотя непосредственное физическое здоровье одного из них увеличивает общее физическое здоровье другого, так что каждый из них выигрывает от согласованности поведенческого ухода и физиологической заботы, расхождение оптимумов младенческого спроса и материнского предложения увеличивается с возрастом младенцев [36, 41, 54]. Младенцы становятся все более "дорогостоящими" (затратными); они больше и активнее, поэтому их энергетические потребности выше. Чтобы удовлетворить этот спрос, физиологические затраты на синтез молока увеличиваются, уменьшая материнские резервы и потенциально продлевая период восстановления до тех пор, пока матери не смогут поддерживать последующее деторождение [35, 60]. По мере того как младенцы взрослеют, они могут употреблять твердую пищу и уже не полностью зависят от материнской питательной поддержки. Таким образом, с точки зрения матери, затраты растут, а выгоды уменьшаются [56, 58]. Матери, в зависимости от их физического состояния или стадии их репродуктивной жизни, могут иметь больше мотивации иметь более низкие ежедневные затраты на воспитание детей или ограниченную продолжительность заботы [60]. Например, матери-подростки с меньшим количеством ресурсов для поддержания лактации могут получить большее благо (пользу), если их дети имеют относительно сниженные ежедневные энергетические затраты или поведенческие потребности [36].

Ожидается, что матери эволюционно имеют меры противодействия удовлетворению потребностей младенцев и использовании заботы, возможно, с помощью молока [36, 41, 54, 58]. Биоактивные вещества молока были включены в формирование поведенческого фенотипа младенцев, возможно, для более оптимального распределения энергетического вклада матери. В совокупности эта область исследований раскрывает критические окна биобихевиоральной организации, в какой-то части определяющейся половым различием, и находящейся под влиянием материнского молока. Экспериментально повышенные глюкокортикоиды, поступающие с молоком матери, демонстрируют поведенческие и нейробиологические эффекты, сохраняющиеся и во взрослом возрасте [61]. Среди макак-резусов глюкокортикоиды в молоке могут способствовать возникновению компромиссов между ростом и поведенческим фенотипом у младенцев [36]. Более молодые, маленькие и менее опытные матери производили меньшую доступную энергию молока, но более высокую концентрацию кортизола в молоке. Наличие кортизола в молоке, не зависящее от доступной молочной энергии, предсказывало поведенческий фенотип, характеризующийся как более нервный и менее исследовательский, но имевший больший ежедневный прирост веса в младенчестве [36]. Теоретически, гормональные включения в молоке могут формировать приоритеты развития ребенка, влияя на физиологию ребенка, чтобы направить энергию молока на рост, а не на дорогостоящие поведенческие действия, такие как игра и исследование [36]. 

 Обоюдоострый меч молочных олигосахаридов?

 Установленные ОГМ-микробные взаимодействия, снижающие патогенную инфекцию и улучшающие доступность питательных веществ у ребенка, возможно, работают для повышения отдачи от материнских вложений. Мы выдвигаем аналогичную гипотезу о том, что ОГМ частично формируют микробные сообщества младенцев, чтобы сдвинуть поведенческий фенотип младенцев в сторону оптимальных материнских вложений за счет снижения затрат на воспитание ребенка. Если молоко опосредует конфликт между матерью и потомством через поведенческие воздействия зарождающейся кишечной микробиоты, мы можем сделать несколько проверяемых прогнозов (табл.1). Некоторые изомеры ОГМ или  характеристики ОГМ могут программировать создание микробов, оказывающих биобихевиоральные воздействия. Мы ожидаем, что ОГМ будет особенно нацелена на многофункциональные бактериальные штаммы, которые способствуют иммуноспособности (достаточности) и биодоступности питательных веществ для ребенка, а также поведенческим манипуляциям в отношении оптимумов матери. В такой ситуации для матери не было бы дополнительных затрат на производство ОГМ для управления поведенческим фенотипом ребенка, а связанные с управлением выгоды сдерживали бы развитие противодействия со стороны младенцев [62].

Таблица 1.

Гипотезы и прогнозы поведенческого фенотипа младенцев на основе материнских, младенческих и микробных взаимодействий. Интегрируя теорию конфликта "родитель-потомство" в историю жизни и экологический контекст (контекст окружающей среды), мы прогнозируем различные проявления поведенческого фенотипа ребенка, опосредованного микробными влияниями на мозг.

Точка зрения	Гипотезы и прогнозы
со стороны матери	(1) Ожидается, что матери предпочитают менее затратный детский фенотип. Поведенческий фенотип младенца, который является менее энергетически затратным с точки зрения передачи материнских калорий, может проявляться как: A Менее требовательный: вызывает меньшую материнскую поведенческую заботу, например, сниженная потребность в грудном кормлении, меньше плача. B Меньшие затраты энергии: темперамент, который имеет более низкий ежедневный энергетический расход, например, меньше подвижности, игр, исследований. C Более ранний возраст независимости: быстрое отлучение от груди, возрастающая опора на нянь/помощников, более быстрое научение социальным навыкам и умению есть, более "уверенный" характер В социальном, питательном контексте и в контексте окружающей среды: Снижение энергозатрат предполагается более предпочтительным в опасных условиях, характеризующихся инфекционными заболеваниями, травмами и нападениями. Снижение энергозатрат и менее требовательные поведенческие фенотипы как предполагается, будут благоприятны в условиях низкой доступности пропитания из-за условий окружающей среды (видовой) и/или доступа к ресурсам (индивидуального) Материнские оптимумы в системах группового воспитания или биокультурного воспроизводства предположительно способствуют более раннему возрасту независимости от материнских ресурсов и / или более требовательному поведению, направленному на не-матерей. В течение жизни: Молодые/ранние матери, которые сами еще растут предположительно способствуют более низким расходам энергии младенцев. Матери в хорошем состоянии и середине репродуктивной жизни будут отдавать предпочтение детскому поведенческому фенотипу более ранней независимости, чтобы сократить интервалы между рождениями. Матери, предпочитающие младенческий фенотип более ранней независимости, будут иметь повышенные метаболические затраты в пик лактации, но более быстрый возврат к (менструальному) циклу по сравнению с матерями, планирующими снижение энергетических затрат (2) Состав молока влияет на микробные сообщества, которые формируют поведенческий фенотип ребенка. Матери, предпочитающие определенные поведенческие фенотипы младенцев (А, В или С), будут производить, в частности, молочные олигосахариды с различными характеристиками. Предполагается, что конкретные характеристики олигосахаридов молока будут по-разному способствовать колонизации и поддержанию микробных сообществ, которые влияют на регуляцию оси кишечник–мозг и детскую нейробиологию. Кишечная микробиота младенцев, сформированная молочными олигосахаридами, предположительно влияет на области мозга, лежащие в основе регуляции эмоций и поведенческой мотивации, чтобы повлиять на менее затратный поведенческий фенотип
cо стороны ребенка	3) Ожидается, что младенцы проявят некоторое противодействие в отношении вызванного молоком влияния микробиома на поведение По мере взросления ребенка, физиология его кишечника становится менее восприимчивой к ориентированной на молоко микробиоте, которая оказывает поведенческое влияние на материнские оптимумы. Младенцы будут больше подвергаться воздействию нематеринских бактерии через взаимодействие с окружающей средой и прикорм, чтобы уменьшить поведенческое влияние ориентированной на молоко микробиоты Поскольку характеристики ОГМ влияют на бактерии, которые одновременно улучшают и иммунный ответ, и пищевую биодоступность, и поведенческий фенотип, младенцы могут быть ограничены в противодействии материнскому влиянию на поведенческий фенотип, особенно в раннем младенчестве.
со стороны микробиологии	(4) Влияние бактерий на поведенческий фенотип ребенка зависит от вида бактерий и возраста младенчества В раннем младенчестве, ориентированная на молоко микробиота в кишечнике младенца будет создавать менее энергозатратный поведенческий фенотип. По мере того, как происходит отлучение от груди и ориентированная на молоко микробиота получает его меньше, эти бактерии будут нейробиологически вызывать поведение, требующее молока, например, истерики. Микробиота, которая может потреблять молочные олигосахариды, гликаны от хозяева и молекулы из прикорма, будет влиять на поведенческий фенотип ранней независимости, чтобы добиваться пищу не из грудного молока.

Еще больше усложняя динамику, отдельные изомеры ОГМ или классы ОГМ не обязательно могут быть задачей для отбора, с точки зрения влияния только на поведенческий фенотип; скорее, комбинации ОГМ, действующие согласованно, могут иметь решающее значение для смещения микробной среды в сторону материнских оптимумов. Такие сдвиги могут включать увеличение количества бифидобактерий, Bacteroides spp. или Lactobacillus spp., ранее вовлеченных в поведенческие последствия [22, 43, 45, 46]. С другой стороны, поведенческие изменения могут быть вызваны не строгим увеличением в определенной бактериальной группе; скорее, пропорциональные изменения могут иметь большее влияние. Например, у двух младенцев может быть одинаковое количество бифидобактерий в кишечнике, но общая доля бифидобактерий по отношению к другой кишечной микробиоте может быть очень разной. Пропорциональные взаимодействия с другими бактериальными родами или видами могут приводить к различиям в поведенческом фенотипе.

Конфликт родитель-потомство (мать-дитя) в микробном ландшафте

Дружественные младенческие бактерии, действующие ближе к материнским оптимумам, могут влиять на младенцев, чтобы они получали или требовали меньших ежедневных материнских вложений или более короткую их продолжительность (Таблица 1). Матери предположительно будут оказывать меньше заботы, связанной с поведением ребенка, и передавать меньше энергии молока младенцам, которые демонстрируют меньше сигналов для привлечения материнских ресурсов (меньший стресс, плач и интенсивность сосания) [58]. Кроме того, снижение энергетических затрат (меньше подвижности, исследований и игр) может либо снизить суточную потребность в калориях, либо позволить младенцам уделять приоритетное внимание росту, тем самым достигая отлучения от груди раньше [73]. Среди совместно размножающихся видов, таких как люди [74], менее затратный поведенческий фенотип может увеличить спрос на ресурсы со стороны других заботящихся фигур, одновременно снижая спрос на материнские вложения. Например, человеческий младенец может демонстрировать больше улыбок, смеха или объятий, но меньше сосания. Совместно размножающиеся виды могут также участвовать в донорском кормлении, когда самки обеспечивают молоком не своих детей. Хотя можно было бы ожидать, что такая практика разрушит гипотетическую систему, объемы донорского молока, необходимые для подавления материнского эффекта, должны быть существенными [75]. Биобихевиоральные (био-поведенческие) микробы, находящиеся под влиянием матери, также могут ускорять развитие поведенческих навыков и более раннюю независимость от матери, но они менее вероятны в окружающей среде, где есть социальные риски или риски нападения, болезней или голода. Матери, ограниченные в своей способности производить молоко или поддерживать лактацию—молодые, с недостатком питания, нездоровые или иным образом ограниченные—могут чувствовать себя благоприятно с младенцами, характеризующихся менее затратным поведенческим фенотипом. Ожидается, что менее затратный детский фенотип, смещенный в сторону материнских оптимумов, будет иметь измеримые последствия, включая ускоренное соматическое восстановление в процессе отлучения от груди, более быстрое возвращение к менструальному циклу, более короткие интервалы между родами и более высокую вероятность успешной последующей беременности.

Рис 3. Связь между ограничивающими факторами и менее затратным фенотипом. Интенсивность ограничений (красный указывает на строгость; синий указывает на ослабление) в диаде мать–ребенок влияет на определение "менее затратного" фенотипа с точки зрения материнских ресурсов. В ситуациях умеренных ограничений (А и D) менее затратные фенотипы будут отдавать приоритет либо росту, либо поведенческим навыкам, потому что ресурсов не хватает для того, чтобы отдавать приоритет обоим. При жестких ограничениях (С) менее затратные фенотипы будут задерживаться как в росте, так и в поведенческих навыках. При слабых ограничениях (B) ресурсы могут быть распределены на поведенческие навыки и рост.

Младенцы могут быть ограничены в своей приспособляемости к управлению с микробами, полученными от матери, особенно в раннем возрасте. В настоящее время, насколько нам известно, не описано никаких возможостей, с помощью которых младенцы могут влиять на профиль ОГМ матери. Более того, если молочные олигосахариды играют важную роль в здоровье и питании младенцев, и в то время пока иммунная система незрелая и другое питание недоступно, дети могут быть ограничены в противодействии матери. Однако физиология кишечника ребенка частично самоорганизуется, а не зависит исключительно от материнского и бактериального вклада [76], открывая дверь для возможностей, препятствующих росту или доминированию микробиоты, которая обеспечивает материнское преимущество, особенно по мере взросления детей. Воздействие не материнской микробиоты также может уменьшить материнское воздействие. Младенцы подвергаются влиянию других микробов через контакт с окружающей средой и прикорм, особенно по мере взросления [4, 77].

В этой модели конфликта между родителями и потомством есть и третья сторона–микробы. Микробиота кишечника имеет свои интересы самосохранения, которые необходимо учитывать [9]. Микроб, повышающий материнскую приспособленность, с большей вероятностью переносится матерью и вертикально передается младенцу [29]. Эти микробы могут затем принести пользу младенцу, создавая иммунитет и обеспечивая биодоступность питательных веществ, улучшая физическое состояние ребенка. Однако влияние микроба на ребенка также будет объектом отбора, поскольку оно влияет на приспособленность микробов. Хотя нелогично предполагать, что ориентированные на молоко микробы будут влиять на поведение так, чтобы снизить спрос на молоко, микробы, ориентированные на молоко, такие как Bifidobacteria infantis, возможно, достигли компромисса: эти микробы ежедневно программируют менее энергозатратный фенотип с возможностью продлить их контакт с молоком в младенчестве. В процессе отлучения от груди кишечник претерпевает резкие изменения в микробном составе из-за меньшего потребления молока [2]. По мере снижения их численности бактерии, метаболизирующие молоко, могут выделять токсины или нейрохимические вещества в отсутствие ОГМ [9]. Токсины, взаимодействующие с осью кишечник-мозг, могут вызвать усиление поведения, требующего заботу, в попытке увеличить доставку молока ребенку и его микробиоте; и это может частично объяснить размеры истерик при отлучения от груди [9, 56]. Кроме того, микробы, которые могут метаболизировать ОГМ и принимать гликаны слизи или другие углеводы, такие как Bacteroides spp. [9, 23], могли бы запрограммировать более ранний фенотип самостоятельности. Поскольку приспособленность этих микробиот в меньшей степени зависит от наличия ОГМ, они могут мешать усилению поведения, требующего внимания, при отлучении от груди.

Экспериментальные подходы к исследованию механистических путей

Разносторонний исследовательский подход, включающий культуры in vitro, опыты на животных и исследования на людях – все это потребуется для планомерного изучения системы "молоко-микробиота-мозг-поведение" (M2B2)  (вставка 1; Таблица 2). Идентификация целевых "биобихевиоральных" бактерий, которые, вероятно, вырабатывают нейромедиаторы, является первостепенным шагом [31]. В рамках этой системы исследования бактерии, выделенные из детского микробиома или "ориентированной на молоко микробиоты", могли бы стать первоначальной целью исследования [24]. Микробные сообщества, населяющие младенцев, включая некультурные популяции, могут быть исследованы с помощью метагеномики, чтобы определить их потенциальную способность выделять молекулы, подобные нейромедиаторам, и их способность метаболизировать компоненты молока. Биологически активные компоненты молока также могут быть выделены путем тестирования in vitro с бактериальными штаммами и исследования in vivo на подопытных организмах [81]. Экспериментальное введение молекул, полученных из молока, у самок, которые будут секретировать молоко, вместо непосредственного лечения новорожденных, является менее инвазивным и может иметь меньше стрессовых осложнений, что является важным аспектом для исследования поведения. После выделения целевых компонентов молока и бактерий гнотобиотические животные могут быть заселены целевой бактерией, обработаны биоактивным веществом и подвергнуты биобихевиоральной анализу [31]. Заселение самок (матерей) или новорожденных специфическими, единичными микроорганизмами и биоактивными веществами предоставит причинные механистические пути.

Таблица 2.

Приоритеты исследований и пути интегративного понимания системы молоко-микробиота-мозг-поведение (M2B2). Существующие и продолжающиеся исследования в настоящее время затрагивают все элементы этой системы, но их интеграция предоставляет новые возможности для понимания приспособляемости у матерей и младенцев для обсуждения конфликта и координации материнских вложений и использования этих вложений младенцами.

Тема	Программа (повестка)	Методы/дисциплины	Измерения
Молочные олигосахариды	Описание наличия или отсутствия, источников разнообразия в молочных олигосахаридах, характеристики внутри-индивидуального, меж-индивидуального, среди популяции, среди вида	Аналитическая химия, биохимия, педиатрия, наука о животных	Образцы молока, продольные
Микробиота в молоке	Определить способ попадания в молоко, исследовать возможности избирательной смены расположения материнских бактерий, определить, выживает ли молочная микробиота после прохождения желудка	Микробиология, Метагеномика, Психология	Культивированная, стерильная биопсия тканей молочной железы с анализом материнской микробиоты и микробиоты кишечника ребенка.
Детская микробиота	Определить наличие или отсутствие микробов, реакцию на изменения	Микробиология, Метагеномика, Метаболомика	Образцы кала, анализ 16S r-РНК, Культуры, Продукты метаболизма
Ориентированная на молоко микробиота	Определить микробиоту, способную перерабатывать человеческое молоко	Микробиология, Метагеномика,	Биохимия          культуры In vitro, метагеномный анализ некультурных организмов
Поведение ребенка	Оценить поведенческий фенотип в период пищевой зависимости от матери, в процессе отлучения от груди	Этология, экология поведения, антропология, психология, биология человека	Уровень активности, аффекты, динамичность/экстраверсия, вокализация, время, проведенное на матери, время, проведенное с другими особями того же вида
Мозг ребенка  .	Оценить нейронные функции, плотность рецепторов, структуры в областях мозга, лежащие в основе регуляции эмоций и поведенческой мотивации	Нейробиология, биопсихология, наука о животных	In vivo нейровизуализация, ex vivo окрашивание рецепторов, нейронное картирование интересующих областей
Эпителий кишечника ребенка	Посчитать плотность рецепторов и экспрессию генов через желудочно-кишечных тракт, чтобы определить пути оси кишчник-мозг, влияющие на эмоциональную регуляцию и поведение	Психология, наука о животных	Гистология рецепторов нейротрансмиттеров, РНК-последовательность в тканях в образцах кала
Состояние матери                Эволюционная антропология, биология человека, экология поведения	Измерить материнское восстановление и готовность к последующей беременности в связи с поведенческим фенотипом ее ребенка	Эволюционная антропология, биология человека, экология поведения	Метаболические затраты на лактацию, интервал между родами, длительность аменореи, результаты следующей беременности

Вставка 1. Модели кишечной микробиоты

Большая часть нашего понимания взаимодействия млекопитающих и микробов вытекает из биомедицинских исследований на подопытных животных, таких как грызуны и, в меньшей степени, свиньи. Гнотобиотические животные целенаправленно колонизируются определенным набором специфических бактерий или остаются без микробиоты, будучи выращенными и поддержанными в стерильной среде [4]. Моделями (подопытными) могут быть SPF-животные, которые, как известно, свободны от определенных штаммов микроорганизмов [78]. Особую практичность в том, что гнотобиотическим животным можно заселять человеческую микробиоту, создавая "очеловеченные" модели [79]. Использование гнотобиотических животных позволяет проводить контролируемые эксперименты, направленные на изучение молекулярных механизмов и функциональных результатов взаимодействия компонентов молока с населенной микробиотой. В отличие от гнотобиотических моделей, традиционные модели поддерживают микробную среду, которая не была искусственно составлена до эксперимента, но косвенно подвергалась воздействию через экзогенные вмешательства. Это может включать контролируемую диету, стрессовые проблемы и болезненное состояние, которые могут вызвать характерный сдвиг в микробной среде по форме и/или функции [43, 63, 80]. Моделирование на животных имеет важное значение для понимания механизмов, посредством которых микробные продукты в кишечнике взаимодействуют с мозгом через ось кишечник–мозг, и обеспечивают важные возможности для изучения материнского молока, микробной среды и поведения младенцев.

Поведенческий фенотип обязательно опосредуется через мозг, поэтому нейронные области, лежащие в основе развития и поддержания регуляции эмоций и поведенческой мотивации, как правило, области среднего мозга, вероятно, будут вовлечены в гипотетические поведенческие последствия. В частности, гипоталамус, передняя поясная кора, миндалина, островок и гиппокамп, уже известные как неотъемлемые компоненты оси кишечник-мозг и чувствительные к развитию, являются важными объектами будущих исследований динамики М2В2 [44, 68, 82]. Аналогично, серотонинергическая система, связанная с тревогой и депрессией, по-разному регулируется у мышей без микробиоты [44, 69]. Более того, ранний жизненный опыт организует эти системы мозга и влияет на поведенческий фенотип потомства [83, 84]. Биологические микробы, находящиеся под влиянием матери, вероятно, непосредственно влияют на эти области через кишечно-мозговой путь ребенка, но также и косвенно через формирование поведенческого опыта их хозяина.

Предлагаемые эксперименты обязательно упрощаются с учетом природных обстоятельств, состоящих из сотен биоактивных веществ молока и сотен микробов, но, благодаря систематической разработке, исследователи могут обратиться к более сложным взаимодействиям. Как и микробиота, биоактивные вещества молока могут оказывать определенное воздействие только в сочетании с другими компонентами молока или поведенческими взаимодействиями. Наблюдаемые и эпидемиологические исследования, которые борются с этими сложностями, упрощают соответствующие модели, которые могут быть оценены на предмет соответствия экспериментальным данным и отклонений от них. Хотя кросс-популяционные исследования грудного молока человека часто характеризуются ограничениями в определении причинности, а также методологическими препятствиями, логистическими сложностями и этическими соображениями [85], они необходимы для того, чтобы поместить биоактивные вещества молока и кишечные бактерии в эволюционный контекст человека. Использование коллективных, интегративных, многофакторных подходов особенно важно при изучении микробиома, поскольку сотрудничество и антагонизм между микробными таксонами могут быть движущей силой микробной колонизации и микробной функции [19].

Аспекты, касающиеся здоровья человека

Современная клиническая практика может прямо и косвенно влиять на наличие и обилие дружественных микробов в критические периоды совместного (одновременного) развития нескольких физиологических систем у ребенка [1, 4]. Кесарево сечение, искусственное вскармливание и раннее введение антибиотиков, которые могут резко изменить экологию (среду) микробного сообщества и, следовательно, ребенка, становятся все более распространенными в Соединенных Штатах и во всем мире [86, 87]. Нарушения или дисбактериоз ранней кишечной микробиоты могут иметь неожиданные и стойкие последствия, включая изменение биобихевиоральной регуляции, иммунологической функции и метаболических процессов [26, 29, 88, 89]. Факторы стресса окружающей среды, опосредованные взаимодействием с матерью, влияют на раннее развитие и влияют на риск хронических заболеваний [41]. Воздействие микробиоты в младенчестве в рассогласованные моменты времени (слишком рано или слишком поздно) может иметь долгосрочные фенотипические последствия. Например, тяжелая дистрофия (квашиоркор) и тяжелое недоедание связаны с микробиотой, которая "недоразвита" для возраста малавийских детей [90]. Здесь мы расширяем стимулы для понимания основных метаболических и иммунологических функций дружественной микробиоты, от жизненно важных для поддержания здоровья до последствий для поведенческого фенотипа, в направлении более целостного, планомерного, развивающего подхода.

Биологически активные вещества молока и живые бактерии в настоящее время все чаще включают в клиническую помощь, особенно для младенцев, в виде пищевых добавок и медикаментозного лечения. Многие отделения интенсивной терапии новорожденных полагаются на донорское молоко, иногда дополнительно обогащенное витаминами и пробиотиками, включая лактобактерии и бифидобактерии, чтобы снизить частоту некротизирующего энтероколита (НЭК) [91-94]. Хотя донорское молоко пастеризуется, убивая микробы, ОГМ остаются неповрежденными и биологически активными [95]. В настоящее время промышеленно доступные альтернативы грудному молоку содержат олигосахариды растительного происхождения, но не ОГМ [96]. Учитывая различия между матерями в профилях ОГМ и неисследованные биобихевиоральные последствия, выбор того, какой ОГМ включать в детские смеси, является сложной задачей. Однако недавно было показано, что один из видов ОГМ—диалиллакто-Н-тетраоза—снижает NEC у подопытных грызунов [97].

Микробиологические методы лечения также набирают обороты для устранения поведенческих и психиатрических симптомов. В последнее время "психобиотики" —живые организмы, в том числе бифидобактерии, которые уменьшают симптомы психических заболеваний,—привлекли к себе клиническое внимание [98]. При депрессии у крыс введение бифидобактерий обратило вспять депрессивное поведение, восстановило нормальный иммунный ответ и вернуло уровень норадреналина в стволе мозга к исходному уровню [46]. Колонизация Lactobacillus rhamnosus у мышей снижала тревожность и влияла на экспрессию ГАМК-рецепторов [98]. У людей введение Lactobacillus helveticus и B. longum уменьшает психологический дистресс и облегчает симптомы депрессии по сравнению с плацебо [33]. Совсем недавно прием пребиотиков у людей продемонстрировал снижение уровня кортизола и снижение настороженности по отношению к негативной информации [99]. В обзоре Рука и соавторов [8] в этом журнале оценка "гипотезы старых друзей" в различных популяциях предполагает, что различное воздействие микробов во время развития регулирует воспалительную реакцию в течение всей жизни. Снижение регуляции воспалительной реакции способствует стрессоустойчивости, в то время как воздействие менее разнообразных микробов может увеличить риск психических расстройств во взрослом возрасте из-за преувеличенной воспалительной реакции на социальный стресс [8, 100].

В то время как доказательства бактериальной терапии продолжают накапливаться, многое остается неизвестным, особенно в отношении вмешательств во время развития, когда такие воздействия оказывают большие фенотипические последствия [30]. Аспекты этой системы могут отражать двухтактную динамику между матерью и потомством, что редко встречается в клинических обсуждениях управления здоровьем новорожденных. Прикладная микробиология в клинических условиях может вызывать непреднамеренные побочные эффекты для детского поведения, но также имеет потенциал для целенаправленного улучшения нежелательных последствий от текущей медицинской практики.

Заключение

Биологически активные компоненты в молоке, вырабатываемые матерью, могут влиять на детскую микробиоту, чтобы сдвинуть фенотип ребенка в сторону материнских оптимумов, с т.з. материнских вложений. Исследования на грызунах, макаках-резусах и людях уже продемонстрировали биобихевиоральные последствия биоактивных компонентов молока [36]. Мы предполагаем, что другие биоактивные вещества в молоке, такие как ОГМ, также влияют на поведенческий фенотип и опосредуют конфликт между матерью и потомством и взаимодействие через кишечную микробиоту. Поскольку первичная микробиота, колонизирующая младенца, происходит от матери [1, 4, 20] и питается материнским молоком [22], то, по-видимому, состав кишечной микробиоты может быть восприимчив к материнским воздействиям. Эта система M2B2 чрезвычайно сложна, охватывая множество бактерий с большим количеством генов, чем геном человека [2], сотни ОГМ [16] и физиологические и нейробиологические системы исключительной сложности. Мы предполагаем, что маловероятно найти простые, единичные ответы на фенотипические последствия взаимодействия материнского молока. Взгяд с точки зрения эволюции, позволяет нам оценить существенную напряженность в диаде мать-ребенок и признать, что микробная среда ребенка является потенциальным платформой для начала конфликта и поддержания сотрудничества. Среди многих, многих бактерий в кишечнике младенца, возможно, скрываются самые маленькие помощники матери.

Благодарности

Авторы благодарят Рэйчел Кармоди и двух рецензентов, пожелавших остаться неназванными, за ценные замечания по ранним наброскам этой рукописи.

Авторы: Cary R. Allen-Blevins, David A. Sela, and Katie Hinde

Финансирование: C.R.A.B. было поддержано Национальным научным фондом исследовательских грантов для аспирантов/специалистов (NSF DFE1144152).

Конфликт интересов: не заявлено.