Vazba mezi střevní mikrobiotou a mozkem se předpokládá již dlouho, ale v posledních desetiletích začaly studie hlásit příčinné účinky střevní mikrobioty na náš mozek a chování a začaly se objasňovat základní molekulární mechanismy.

Několik prvních studií na zvířecích modelech poskytlo důkazy, že stres může narušit složení střevní mikrobioty a že střevní patogeny mohou ovlivnit chování hostitele. V roce 2004 studie ukázala, že myši bez zárodků (GF) vykazují zvýšenou hormonální odpověď na stres vyvolaný fyzickým omezením, což naznačuje, že mikrobiota ovlivňuje neuroendokrinní osu hypotalamus-hypofýza-nadledviny (HPA), centrální systém reakce na stres. Vliv mikrobioty – nebo její absence – na chování však zůstává nejasný. O sedm let později, v roce 2011, vrhlo několik experimentálních zjištění na myších světlo na to, jak nedostatek konvenční mikrobioty ovlivňuje chování, genovou expresi v mozku a vývoj nervového systému.

Studie odhalily, že myši léčené GF a antibiotiky vykazovaly ve srovnání s kontrolami bez specifických patogenů (SPF) snížené chování podobné úzkosti. Například bylo zjištěno, že GF myši trávily více času na otevřených ramenech zvýšeného plusového bludiště (EPM) a v osvětleném prostoru světlo-tma boxu než jejich SPF protějšky. Potomci GF myší, které byly konvencionalizovány SPF mikrobiotou, ale ne GF myši konvencionalizované v dospělosti, vykazovali chování podobné SPF kontrolám, což naznačuje, že mikrobiota může ovlivňovat mozek během „kritického období“ vývoje.

Související práce ukázaly vliv rozdílů ve střevní mikrobiotě na chování. Myši léčené směsí antimikrobiálních látek (ATM) vykazovaly více průzkumného chování a myši GF BALB/c (které jsou typicky plaché) kolonizované mikrobiotou jiného kmene myší vykazovaly více průzkumného chování než myši, které dostávaly mikrobiotu BALB/c, a naopak. Dále bylo zjištěno, že léčba SPF myší probiotikem Lactobacillus rhamnosus (JB-1) snižuje úzkostné a depresivní chování.

Kromě behaviorálních rozdílů vykazovaly mozky zvířat se změněnou nebo chybějící střevní mikrobiotou různé molekulární rozdíly. Patřily k nim změny v hladinách neurotrofického faktoru odvozeného od mozku (BDNF; o němž je známo, že je modulován při úzkosti a depresi) specifické pro jednotlivé oblasti mozku, rozdíly v expresi různých neurotransmiterových receptorů a změny v obratu některých neurotransmiterů, včetně serotoninu.

Od té doby se mnoho výzkumů zaměřilo na serotonin jako uzel interakce střevní mikrobioty a mozku. Bylo zjištěno, že střevní bakterie tvořící spory řídí produkci serotoninu enterochromafinními buňkami v myším tlustém střevě, ačkoli není jasné, jak přesně to může ovlivňovat mozek. Navíc samci (ale ne samice) GF myší vykazují vyšší hladiny hipokampálního serotoninu a plazmatické hladiny prekurzoru serotoninu, což naznačuje, že určité vlivy střevní mikrobioty na mozek mohou být pohlavně specifické.

Jak střevní mikrobiota vysílá signál do mozku, bylo předmětem mnoha výzkumů. Důkazy z modelů roztroušené sklerózy a mozkové mrtvice naznačují, že změny střevní mikrobioty mohou nepřímo ovlivňovat centrální nervový systém prostřednictvím vlivu na imunitní homeostázu a imunitní reakce. Na podporu cesty zprostředkované vagovým nervem pro signály pocházející ze střeva zablokovalo přerušení vagového nervu pod bránicí anxiolytické a genové expresní účinky L. rhamnosus (JB-1). Naproti tomu ablace bloudivého nervu nebo sympatiku nezabránila účinkům ATM na úzkostné chování a myši léčené ATM nevykazovaly žádné zjevné známky střevního zánětu nebo změny hladin střevních neurotransmiterů, což naznačuje, že některé komunikační cesty mezi střevem a mozkem mohou být nezávislé na imunitním a nervovém systému.

V pozdějším výzkumu se totiž začaly objevovat další způsoby komunikace mezi střevem a mozkem – zejména produkty pocházející z mikroorganismů, které mohou přímo nebo nepřímo signalizovat nervovému systému. Například potomci imunitně postižených myší vykazovali střevní dysbiózu, narušenou střevní integritu a behaviorální abnormality (včetně chování podobného úzkosti), jakož i vysoké sérové hladiny mikrobiálního metabolitu, který po injekčním podání myším divokého typu vyvolával chování podobné úzkosti. Podobně v modelu Parkinsonovy choroby (neurologické poruchy spojené s agregací α-synukleinu v mozku) přítomnost střevní mikrobioty nebo mikrobiálně produkovaných mastných kyselin s krátkým řetězcem podporovala neurozánět, motorické poruchy a patologii α-synukleinu.

Téměř veškerá dosavadní práce v této oblasti byla provedena na zvířecích modelech a zjištění, zda se tyto poznatky přenesou na člověka, bude zásadní, avšak náročné. Jako příklad takové snahy lze uvést studii, která zkoumala souvislost mezi složením fekální mikrobioty a kvalitou života na základě údajů od více než 1 000 osob. Kromě identifikace bakteriálních rodů spojených s vyšší kvalitou života nebo depresí provedli metagenomické analýzy, které ukázaly, že potenciál mikroorganismů syntetizovat určité neuroaktivní metabolity může také korelovat s duševní pohodou.

Výše popsané studie společně položily základy našeho chápání účinků střevní mikrobioty na mozek a chování a mechanismů, které jsou jejich základem, a představují první snahy o prozkoumání významu poznatků získaných na zvířecích modelech pro člověka.