Второй мозг: Как микробы в кишечнике управляют нашим настроением, решениями и здоровьем

«Чуять нутром»

Откусите кусочек сочного гамбургера или свежеиспеченного хрустящего багета, попробуйте клэм-чаудер – похлебку с моллюсками, которую готовят в Новой Англии, вдохните изысканный аромат плитки шоколада… Какой вкус вы чувствуете в каждом случае?

Ответить на этот вопрос вам поможет совокупность рецепторов, расположенных на вкусовых сосочках языка. Эти структуры, находящиеся на наружной мембране клеток, распознают конкретные химические вещества в пище, которую вы едите. Они распознают их, как замóк распознает свой ключ. Когда рецептор соотносит себя с химическим веществом, имеющимся в пище, он посылает сообщение в головной мозг, и там на основе сенсорной информации, поступающей от ротовой полости и языка, создается ощущение конкретного вкуса.

Вкусовые рецепторы языка могут обнаружить пять различных вкусов – сладкий, горький, соленый, кислый и умами^[6]. Вкус пищи определяется сочетанием этих вкусов. Кроме того, текстура того, что мы едим – хрустящая упругость моркови, обволакивающая однородность йогурта или бархатистая мягкость тыквы, – стимулирует работу других рецепторов, специализирующихся на распознавании механических свойств еды. Сочетание всех этих ощущений и создает то, что воспринимается нами как вкус. Компании – производители еды умело используют эти знания, разрабатывая свои продукты.

Недавние исследования показали, что не все механизмы и молекулы, которые участвуют в создании вкусовых ощущений, расположены во рту, некоторые из них распределены по всему желудочно-кишечному тракту. Достоверно это известно о рецепторах горького и сладкого. Фактически в пищеварительном тракте человека обнаружено около 25 различных вкусовых рецепторов горького. Установлено, что вкусовые рецепторы в ЖКТ очень слабо или вообще никак не влияют на формирование вкусового опыта, но мы мало что знаем о роли этих рецепторов в функционировании оси головной мозг – кишечник. Эти молекулы-рецепторы расположены на чувствительных нервных окончаниях и на гормон-содержащих клетках в стенке пищеварительного тракта (содержащие серотонин клетки, о которых мы рассказывали в предыдущей главе). Это идеальные позиции для участия в диалоге между головным мозгом и ЖКТ.

Некоторые из этих рецепторов активизируют специфические молекулы, имеющиеся в таких травах и специях, как чеснок, острый перец, горчица и васаби, в то время как другие реагируют на ментол, камфору, перечную мяту, хладагенты и даже на гашиш. Только в кишечнике мыши найдено 28 так называемых фитохимических рецепторов, и не приходится сомневаться в том, что в пищеварительном тракте человека мы обнаружим такое же, а то и более широкое разнообразие рецепторов, чувствительных к химическим веществам в растениях.

Многие добавляют в пищу специи и травы, чтобы стимулировать вкусовые рецепторы на языке и улучшить тем самым вкус еды. Появляется все больше людей, которые верят в лечение природными средствами: в лечебных целях они едят травы или принимают экстракты из них, и знатоки трав приведут вам длинный список их целебных свойств. Во многих частях мира специи являются неотъемлемой частью культуры. Невозможно представить себе блюда индийской и мексиканской кухни без перца чили, персидскую еду – без йогурта со свежей зеленью, а марокканский чай – без мяты.

Вполне вероятно, что региональные и географические различия во вкусовых предпочтениях людей в отношении различных трав и специй эволюционировали таким образом, чтобы стимулировать их потребление, а также обеспечить защиту от наиболее часто встречающихся там заболеваний. Разве острая пища во многих частях развивающегося мира не защищает от желудочно-кишечных инфекций? Разве расстройство желудка не предотвращают травы в блюдах персидской кухни, как и обязательный мятный чай после трапезы в Марокко? Как бы мы ни объясняли использование таких видов еды и напитков во всем мире, вещества растительного происхождения связывают нас и взаимодействие между головным мозгом и пищеварительным трактом с растительным миром. Внутреннюю экосистему человека (кишечную микробиоту) с окружающим миром синхронизирует множество фитохимических веществ, получаемых из пищи, богатой разнообразными растениями, и помогает этому идеально согласованная работа сенсорных механизмов в ЖКТ.

Почему в пищеварительном тракте человека так много сенсоров? Некоторые рецепторы, наподобие тех, которые чувствуют сладкий вкус, играют важную роль в усвоении пищи. Когда рецепторы, отвечающие за сладкий вкус, чувствуют глюкозу (она образуется при переваривании углеводов) или искусственные подсластители, они стимулируют всасывание глюкозы в кровь и способствуют высвобождению инсулина из поджелудочной железы. Эти же рецепторы стимулируют выброс в организм ряда других гормонов, которые посылают сигналы в головной мозг и создают ощущение сытости.

Как именно действуют рецепторы горького вкуса, расположенные в ЖКТ, мы пока не знаем. Моя коллега по университету Катя Стернини, нейробиолог и специалист по энтеральной нервной системе, считает, что некоторые вкусовые рецепторы в ЖКТ могут реагировать на метаболиты, производимые кишечной микробиотой, а изменения в этих рецепторах, вызванные чрезмерным потреблением жиров и их воздействием на микробиоту кишечника, могут играть роль в развитии ожирения. Результаты нашего совместного исследования показали: эта гипотеза причин ожирения имеет под собой веские основания.

Предполагают, что у рецепторов горького вкуса в желудочно-кишечном тракте имеются и другие функции. Например, было установлено, что их стимулирование приводит к выбросу гормона грелина, также известного как гормон голода, который в головном мозге стимулирует аппетит. Я не удивлюсь, если привычка пить горький аперитив в некоторых европейских странах сформировалась потому, что такие напитки стимулируют рецепторы горького вкуса в ЖКТ, вызывают выброс грелина, в результате чего пробуждается аппетит.

Вспомните и об ужасно горьких лекарствах растительного происхождения, применяемых в традиционной китайской медицине. Похоже, что их терапевтический эффект каким-то образом связан с активизацией одного или нескольких из 25 рецепторов горького вкуса в ЖКТ, посылающих целительные сообщения головному мозгу и организму в целом. Еще более интригует недавно открытый факт, что точно такие же обонятельные рецепторы в носу, позволяющие нам наслаждаться запахом роз и прожаренного куска мяса или предупреждающие о том, что молоко скисло, рассеяны по всему желудочно-кишечному тракту. Как и вкусовые рецепторы в ЖКТ, эти обонятельные рецепторы, расположенные в основном на эндокринных клетках, контролируют высвобождение различных гормонов.

Поскольку вкусовые и обонятельные рецепторы расположены не только во рту и в носу, а по всему пищеварительному тракту, их первоначальное разделение на «вкусовые» и «обонятельные» устарело. Теперь ученые понимают, что эти рецепторы являются частью большого семейства химических сенсорных механизмов, расположенных во внутренних органах, и в зависимости от местоположения играют разные роли. Лично я не удивлюсь, если узнаю, что эти химические сенсоры могут принимать сообщения от сообществ микроорганизмов, обитающих в этих органах.

Как нервная система получает свою долю жизненно важной информации, поступающей из столь запутанного источника сигналов, как ЖКТ? Есть же какая-то причина, по которой такая высокопроизводительная система сбора данных встроена в хаотическое смешение частично переваренной пищи и агрессивных химических веществ, перемещающихся по ЖКТ. Однако на самом деле прямого контакта с его содержимым здесь нет, так как сами нейроны находятся внутри слизистой оболочки пищеварительного тракта и напрямую с содержимым кишечника не контактируют, а прибегают к помощи специализированных клеток слизистой оболочки, которые обращены в просвет пищеварительного тракта и собирают информацию обо всем происходящем там. Эти клетки подают сигналы клеткам-посредникам в стенках ЖКТ, в частности эндокринным клеткам, а те, в свою очередь, сигнализируют сенсорным нейронам, в том числе нейронам блуждающего нерва. Уже выявлено и опознано большое число различных сенсорных нейронов, каждый из которых специализируется на определенном виде чувствительности в ЖКТ и реагирует на определенную молекулу, которую выбрасывают эндокринные клетки пищеварительного тракта. Такие нейроны посылают сигналы в энтеральную нервную систему или в головной мозг.

Эндокринные клетки ЖКТ, передающие сигналы нервной системе, играют важнейшую роль в поддержании здоровья и благополучия организма. Если бы мы могли объединить все гормон-содержащие клетки ЖКТ, получился бы самый большой эндокринный орган в организме человека. Эндокринные клетки в стенках пищеварительного тракта – от желудка до конца толстой кишки – могут распознавать широкий спектр химических веществ, содержащихся в еде, и тех веществ, которые создает микробиота. Например, когда желудок пустой, специализированные клетки его стенок производят грелин, который разносится кровью или передает через блуждающий нерв сигналы в головной мозг, где эти сигналы формируют чувство голода. Но, когда человек сыт и тонкая кишка занята перевариванием пищи, расположенные в ней клетки вырабатывают гормоны сытости, которые сообщают головному мозгу, что есть больше не надо, пора прекратить поступление еды.

В дополнение к каналу взаимодействия между головным мозгом и ЖКТ с привлечением эндокринных клеток действует еще одна система нашего организма. Ее образуют иммунная система пищеварительного тракта и производимые ее клетками молекулы воспаления, так называемые цитокины. Иммунные клетки, обитающие в ЖКТ, преимущественно сгруппированы в тонкой кишке. Они известны как пейеровы бляшки; кроме того, иммунные клетки имеются в аппендиксе и в стенках тонкой и толстой кишки. Иммунные клетки ЖКТ отделены тончайшим слоем клеток от пространства внутри кишечника, а некоторые из них, так называемые дендритные клетки, даже проходят через оболочку кишечника и могут взаимодействовать с кишечными микроорганизмами и потенциальными патогенами. Самое важное, что цитокины, высвобождаемые из этих клеток, могут проникнуть сквозь слизистую оболочку кишечника, попасть в большой круг кровообращения и с кровотоком достичь головного мозга. В альтернативном варианте сигнальные молекулы, высвобождаемые гормон-содержащими клетками пищеварительного тракта, посылают сигналы в головной мозг по блуждающему нерву.

Такое количество механизмов, участвующих в информировании нервной системы о свойствах съеденной еды, свидетельствует: наш желудочно-кишечный тракт спроектирован для выполнения куда большей работы, чем простое усвоение питательных веществ. Сложные сенсорные системы ЖКТ выступают в качестве «службы безопасности» организма, собирая информацию из всех областей ЖКТ, в том числе из пищевода, желудка и кишечника, игнорируя массу получаемых сигналов, но поднимая тревогу, когда что-то выглядит подозрительно или какой-то процесс происходит неправильно. Пищеварительный тракт – один из самых сложных сенсорных органов человека.

Полная информированность пищеварительного тракта

Всякий раз, когда мы что-то едим или пьем, пищеварительная система сбора данных передает массу важной информации маленькому мозгу в кишечнике (энтеральной нервной системе) и головному мозгу. Оба мозга заинтересованы в получении этой информации, но их интересуют разные ее составляющие.

Маленькому мозгу информация нужна, чтобы генерировать оптимальные пищеварительные реакции и при необходимости вывести из организма токсины, удалив содержимое пищеварительного тракта через оба его конца – в виде рвоты или диареи (поноса). В обрабатываемых им отчетах сообщается об объеме и составе пищи, попадающей в ЖКТ (в том числе информация о химических веществах, удельных долях жира, белка и углеводов, о концентрации, консистенции и размерах частиц). Эти сообщения также содержат результаты анализа, выявляющего признаки враждебных вторжений в ЖКТ бактерий, вирусов или других токсинов из зараженной пищи. Если маленький мозг получит информацию о высоком содержании жира в попавшем в желудок десерте, он замедлит скорость опорожнения желудка и перемещения содержимого по кишечному тракту. Если поступит информация о низкой калорийности пищи, маленький мозг ускорит освобождение желудка, чтобы поглотить достаточное количество калорий. А получив информацию о потенциально опасных нарушителях, маленький мозг стимулирует секрецию воды и меняет характер перистальтики, освобождая желудок и ускоряя перемещение содержимого по всей длине тонкой и толстой кишки, чтобы быстрее удалить из организма провоцирующее вещество.

Головной мозг больше озабочен общим состоянием здоровья и благополучия организма. Он контролирует сигналы, поступающие из ЖКТ, и объединяет их с сигналами из других частей организма и с информацией о среде, в которой обитает человек. Головной мозг отслеживает все, что происходит в энтеральной нервной системе, а кроме этого, его очень интересуют реакции ЖКТ, ведь состояние пищеварительного тракта отражает наше эмоциональное состояние. Например, когда мы сердимся, в желудке и толстой кишке происходят болезненные сокращения, а когда находимся в состоянии депрессии, активность желудочно-кишечного тракта будет нулевой. Образно говоря, головной мозг внимательно следит и за театром, и за пьесой, которая разыгрывается на сцене ЖКТ. Головной мозг почти наверняка также получает информацию, создаваемую триллионами микроорганизмов, обитающих в пищеварительной системе. Вопрос о сигналах, поступающих из ЖКТ в головной мозг, привлек внимание исследователей всего несколько лет назад. Хотя мозг ведет постоянный мониторинг всей сенсорной информации, поступающей из ЖКТ, свои повседневные обязанности он делегирует другим органам, в данном случае – энтеральной нервной системе. Непосредственно в процесс головной мозг вмешивается, только когда требуется совершить какое-то действие или когда ситуация несет серьезную угрозу и необходима ответная реакция головного мозга.

Неважно, бодрствует человек или спит – на протяжении всего дня пищеварительный тракт с помощью различных сенсорных механизмов каждую миллисекунду сообщает головному мозгу обо всем, что происходит внутри организма. Однако ЖКТ – не единственная часть организма, обеспечивающая постоянной обратной связью центральную нервную систему. Головной мозг постоянно получает сенсорную информацию от каждой клетки и каждого органа. Легкие и диафрагма передают механические сигналы в головной мозг каждый раз при вдохе и выдохе, сердце производит механические сигналы с каждым ударом, стенки артерий посылают сигналы о давлении крови, а мышцы передают информацию об уровне их тонуса.

Ученые называют эти текущие отчеты о состоянии организма интероцептивной информацией – информацией, которую головной мозг затем использует для поддержания баланса систем организма и их бесперебойного функционирования. Хотя интероцептивная информация поступает от каждой клетки организма, сообщения, направляемые в головной мозг пищеварительным трактом и его сенсорными системами, уникальны по огромному числу, разнообразию и сложности. Чтобы это понять, начните хотя бы с того факта, что сенсорная сеть ЖКТ распространена по всей поверхности его оболочки, а она в 200 раз больше поверхности кожи и сопоставима с площадью баскетбольной площадки. Теперь представьте баскетбольную площадку с миллионами крошечных механических датчиков, которые собирают информацию о движениях игроков, их весе, ускорениях и торможениях, о каждом прыжке и последующих приземлениях в ходе игры. А поскольку сигналы пищеварительного тракта также включают данные о химических, пищевых и других параметрах, наша метафора в первом приближении дает представление об огромном объеме информации, закодированной во внутренних ощущениях.

Скоростная трасса для сообщений между мозгом и ЖКТ

Блуждающий нерв играет особенно важную роль в доведении ощущений из пищеварительного тракта до головного мозга. Именно блуждающий нерв связывает с мозгом подавляющее большинство клеток ЖКТ и рецепторы, которые кодируют его ощущения. Многие сигналы, посылаемые в головной мозг микробиотой ЖКТ, также передаются через этот канал коммуникаций. В исследованиях нарушений кишечной микробиоты и ее влияния на эмоциональное поведение грызунов это влияние больше не наблюдалось после того, как блуждающий нерв был рассечен. При этом блуждающий нерв – не односторонний канал связи, скорее это шестиполосная скоростная трасса, даже в час пик обеспечивающая движение в обоих направлениях (хотя 90 % трафика направлено от ЖКТ к головному мозгу). Блуждающий нерв обеспечивает такой напряженный трафик, поскольку является одним из главных регуляторов работы внутренних органов, связывающим мозг не только с ЖКТ, но и со всеми другими органами.

Особую важность этой системы связи между мозгом и пищеварительным трактом для благополучия организма можно показать на примере еще одного моего пациента. Во время учебы в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе я встретил Джорджа Миллера, который уже давно страдал от симптомов обширной язвы двенадцатиперстной кишки – первой части тонкой кишки. Мало того что при обострении язвы его мучили боли, ему дважды пришлось ложиться в больницу, когда открывалось острое кровотечение. Поскольку Джордж страдал от этих симптомов уже много лет, гастроэнтеролог решил направить его к хирургу, чтобы тот перерезал блуждающий нерв, стимулирующий выработку кислоты в желудке. Рассказы таких пациентов, как Миллер, и изучение развития симптомов, возникающих после рассечения блуждающего нерва, многое объяснили нам в природе внутренних ощущений и в том, что происходит с людьми, которые лишены возможности получать интероцептивную информацию из жизненно важного источника.

В начале 1980-х гг. врачи и особенно хирурги считали, что самый простой и эффективный способ остановить выработку желудком избыточного количества кислоты и вылечить язвенную болезнь – это рассечение блуждающего нерва, трункулярная ваготомия. Эти операции делали, не задумываясь о потоке информации, проходящей через блуждающий нерв в головной мозг, и о возможной важности этой информации для нашего общего самочувствия. К счастью, сейчас врачи редко прибегают к таким радикальным процедурам, как ваготомия, поскольку могут лечить большинство язв при помощи лекарств.

Прооперировали Миллера успешно, если под успехом понимать то, что язва его больше не беспокоила. Однако цена, которую он за это заплатил, была огромной. После операции он стал испытывать множество неприятных ощущений в пищеварительном тракте. Он не только чувствовал, что объелся, даже съев небольшой объем пищи, но еще и испытывал постоянную тошноту. Прибавились и такие симптомы, как рвота, судороги, боли в животе и диарея.

Врачи не могли объяснить причин возникновения этих симптомов, в число которых входили такие симптомы неясной природы, как учащенное сердцебиение, потливость, головокружение и сильная усталость. Врачи предположили, что у Миллера усиление невротизма и «синдром альбатроса». Этот термин используется, когда операция, как в случае Миллера, приводит к успешному излечению язвы желудка, но оставляет неприятные ощущения в ЖКТ: боли в животе, тошноту, рвоту и плохое усвоение пищи. Теперь мы понимаем, что по крайней мере во многих случаях симптомы имеют прочную физиологическую основу.

Сегодня мы знаем о сложном характере внутренних ощущений в ЖКТ и важной роли, которую играет блуждающий нерв в передаче этих сигналов в гипоталамус и лимбическую систему. Эти области мозга в свою очередь влияют на широкий спектр таких жизненно важных функций, как боль, аппетит, настроение и даже на когнитивные показатели. Оглядываясь назад, сейчас уже несложно понять, что закрытие этой жизненно важной информационной скоростной трассы (по значимости сопоставимой, например, с шоссе номер 405 в Лос-Анджелесе) сильно влияет на ощущения человека, которые он испытывает по утрам, когда просыпается, или во время еды.

Вряд ли мы когда-нибудь узнаем до конца, какие именно механизмы вызывали такие мучительные симптомы, как у Миллера, поскольку в настоящее время ваготомию проводят весьма редко. Вновь возник интерес к роли блуждающего нерва при передаче сенсорной информации из ЖКТ в основные центры управления в мозге. Новым способом вызывать ощущения в ЖКТ считается электрическое или фармакологическое стимулирование блуждающего нерва, которое сейчас применяется для лечения ряда мозговых нарушений, в том числе депрессии, эпилепсии, хронической боли, ожирения и даже для таких хронических воспалительных заболеваний, как артрит. Новые данные еще раз подтверждают важность общения между блуждающим нервом, головным мозгом и ЖКТ для здоровья и самочувствия людей.