Ha pasado casi un año desde que Rebecca Knickmeyer conoció por primera vez a los participantes de su más reciente estudio sobre desarrollo del cerebro. Knickmeyer, neuróloga de la Escuela de Medicina de la Universidad de Carolina del Norte, en Chapel Hill, espera ver cómo 30 recién nacidos han crecido y se han transformado en inquisitivos niños de un año que gatean, utilizando para ello una batería de pruebas de comportamiento y temperamento. En un examen, la madre de un niño podría desaparecer de la sala de pruebas y luego reaparecer con un extraño. Otra prueba aumenta la rareza del ambiente con algunas máscaras de Halloween. Luego, si todo va bien, los niños deberían tomar pacíficas siestas mientras una ruidosa máquina de resonancia magnética escanea sus cerebros.

“Tratamos de prepararnos para todo”, dice Knickmeyer. “Sabemos exactamente qué hacer si los niños tratan de huir”.

Knickmeyer está emocionada de ver algo más de estos niños: su microflora fecal, el conjunto de bacterias, virus y otros microbios que habitan en sus intestinos. Su proyecto (conocido cariñosamente como “el estudio del popó”) es parte de un pequeño pero creciente esfuerzo de neurólogos para ver si los microbios que colonizan los intestinos en la infancia pueden alterar el desarrollo del cerebro.

El proyecto llega en un momento crucial. Un creciente grupo de datos, en su mayoría de animales criados en condiciones estériles y libres de gérmenes, muestra que los microbios en los intestinos influencian el comportamiento y pueden alterar la fisiología y bioquímica del cerebro.

En humanos, los datos son más limitados. Los investigadores han trazado conexiones entre patología intestinal y condiciones neurológicas psiquiátricas como la ansiedad, el autismo, la esquizofrenia y los desórdenes neurodegenerativos, pero estas son solo conexiones.

“En general, el problema de la causalidad en estudios de la flora bacteriana es sustancial”, dice Rob Knight, microbiólogo de la Universidad de California, San Diego. “Es muy difícil decir si las diferencias microbianas que se ven asociadas con enfermedades son causas o consecuencias”. Hay muchas preguntas sin resolver. Pistas acerca de los mecanismos a través de los cuales las bacterias intestinales podrían interactuar con el cerebro están comenzando a surgir, pero nadie sabe qué tan importantes son estos procesos en el desarrollo y salud humanos.

Eso no ha evitado que algunas compañías en la industria de los suplementos nutricionales aseguren que los probióticos —bacterias que supuestamente ayudan con problemas digestivos— ayudan al bienestar emocional. Las empresas farmacéuticas, hambrientas de nuevas pistas para el tratamiento de desórdenes neurológicos, están comenzando a invertir en investigación relacionada con la flora bacteriana y las moléculas que estas producen.

Científicos e inversionistas están buscando claridad. En los últimos dos años, el Instituto Nacional de Salud Mental de Estados Unidos (NIMH), en Bethesda, Maryland, ha financiado siete estudios piloto con hasta $1 millón cada uno para examinar lo que llaman el “eje flora bacteriana-cerebro” (el estudio de Knickmeyer es uno de estos estudios). Este año, la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos, en Arlington, Virginia, acordó inyectar cerca de $14,5 millones en el curso de los próximos seis o siete años a trabajos que examinen el rol del intestino en la función cognitiva y las respuestas al estrés. Y la Unión Europea ha colocado €9 millones (equivalente a $10,1 millones) en un proyecto de cinco años llamado MyNewGut (“mi nuevo intestino”), donde dos de sus objetivos principales están dirigidos al desarrollo y los desórdenes del cerebro.

Los esfuerzos más recientes están orientados a ir más allá de las observaciones y correlaciones básicas, pero resultados preliminares indican que las respuestas son complejas. Los investigadores están comenzando a descubrir un vasto y variado sistema en el que la flora bacteriana influencia el cerebro a través de las hormonas, las moléculas inmunológicas y los metabolitos especializados que producen.

“Hay probablemente más especulación que datos concretos en este momento”, dice Knickmeyer. “Así que hay muchas preguntas abiertas acerca del  estándar de oro para los métodos que se deberían estar aplicando. Es muy exploratorio”.

Reacciones en el intestino

Rara vez se ha pensado que los microbios y el cerebro interactúan, excepto en instancias en que patógenos penetran la barrera hematoencefálica, la fortaleza celular que protege al cerebro de infecciones e inflamación. Cuando lo hacen, pueden tener fuertes efectos: el virus que causa la rabia genera agresión, agitación e incluso un miedo al agua. Pero por décadas, la gran mayoría del conjunto de microbios naturales del cuerpo no había sido descrito, y la idea de que podía influenciar la neurobiología difícilmente prevalecía. Eso está cambiando lentamente.

Estudios de brotes en comunidades fueron unas de las claves que iluminaron las posibles conexiones. En el 2000, una inundación en el pueblo canadiense de Walkerton, contaminó las fuentes de agua potable de la ciudad con patógenos como Escherichia coli y Campylobacter jejuni. Cerca de 2.300 personas sufrieron de infección gastrointestinal severa, y muchos de ellos desarrollaron síndrome crónico de colon irritable, como resultado directo.

Durante un estudio de ocho años de duración sobre los residentes de Walkerton, liderado por el gastroenterólogo Stephen Collins, en la Universidad McMaster, en Hamilton, Canadá, los investigadores notaron que problemas psicológicos como depresión y ansiedad parecían ser un factor de riesgo en el síndrome de colon irritable persistente. Premsyl Bercik, otro gastroenterólogo de McMaster, dice que esta interacción generó preguntas interesantes. ¿Podrían los síntomas psiquiátricos estar motivados por la inflamación persistente, o tal vez por un microbioma desajustado por la infección?

El grupo de McMaster comenzó a buscar respuestas en ratones. En un estudio de 2011, el equipo trasplantó flora bacteriana entre diferentes tipos de ratones y mostró que los rasgos de comportamiento específicos de una raza se transmitían con la microbiota. Bercik dice, por ejemplo, que los ratones que eran “relativamente tímidos” exhibían comportamientos más exploratorios cuando cargaban con la flora bacteriana de ratones más aventureros. “Pienso que es sorprendente. La flora bacteriana realmente está impulsando el fenotipo de comportamiento del huésped. Hay una marcada diferencia allí”, dice Bercik. Investigaciones no publicadas sugieren que tomar materia fecal de humanos con ambos padecimientos, síndrome de colon irritable y ansiedad, y trasplantarla en ratones, induce a un comportamiento ansioso, mientras que trasplantar bacterias de humanos saludables no.

Dichos resultados pueden recibirse con escepticismo. A medida que se desarrolla el campo de estudio, Knight dice, los microbiólogos han tenido que aprender de científicos del comportamiento que la forma en los animales son manipulados y enjaulados puede afectar cosas como la jerarquía social, estrés e incluso el microbioma.

Y estos experimentos y otros como ellos comienzan con un modelo muy poco natural: ratones libres de gérmenes, o gnotobióticos. Estos animales nacen a través de una cesárea para prevenir que recojan los microbios que residen en el canal de parto de la madre. Luego son criados dentro de un ambiente aislado y estéril, con comida esterilizada en un autoclave y aire filtrado. Los animales son así desprendidos de muchos de los microbios comunales que sus especies han desarrollado por eras.

En 2011, el inmunólogo Sven Pettersson y la neuróloga Rochellys Diaz Heijtz, ambos del Instituto Karolinska en Estocolmo, Suecia, mostraron que en estudios de laboratorio, los ratones libres de gérmenes demostraban comportamientos menos ansiosos que los ratones colonizados con microbios naturales indígenas. (Menos ansiedad no es siempre algo bueno, evolucionariamente hablando, para un pequeño mamífero con tantos depredadores.)

Cuando el equipo del Instituto Karolinska examinó los cerebros de los animales, encontraron que una región de los ratones libres de gérmenes, el cuerpo estriado, tenía niveles más altos de neuroquímicos claves que son asociados con el comportamiento ansioso, incluyendo al neurotransmisor serotonina. El estudio también demostró que el introducir ratones adultos libres de gérmenes en ambientes convencionales, no estériles, no normalizaba su comportamiento, pero que los hijos de estos ratones “convencionalizados” mostraban algún retorno al comportamiento normal, sugiriendo que hay una ventana crítica durante la cual los microbios tienen un efecto mayor.

En este punto, muchos investigadores estaban intrigados en la creciente evidencia, pero los resultados provenían, en su mayoría, de otros campos y no de la neurociencia. “Los grupos trabajando en esto son, primordialmente, expertos en intestinos, con unas pocas personas enfocadas en psicología colaborando con ellos”, dice Melanie Gareau, fisióloga en la Universidad de California, en Davis. “Así que los hallazgos tendían a describir cambios periféricos y comportamentales y no los cambios del sistema nervioso central”.

Pero la investigación de Pettersson y Diaz Heijtz impulsó el campo de estudio, sugiriendo que los investigadores podrían ir más allá de la fenomenología observacional e ir hacia los mecanismos que afectan al cerebro. Nancy Desmond, quien trabaja en la revisión de propuestas de estudios científicos en el NIMH, dice que el artículo despertó interés en la agencia de financiamiento poco después de su publicación y, en 2013, el NIMH formó una sección de estudio dedicada a investigación de neurociencia que aspira a desenmarañar mecanismos funcionales y desarrollar drogas o tratamientos no invasivos para desórdenes psicológicos.

Judith Eisen, una neurocientífica en la Universidad de Oregon, en Eugene, obtuvo fondos para estudiar peces cebra libres de gérmenes, cuyos embriones transparentes permiten a los investigadores visualizar fácilmente los cerebros en desarrollo. “Por supuesto, ‘libre de gérmenes’ es una situación completamente antinatural”, dice Eisen. “Pero provee la oportunidad de aprender cuáles funciones microbianas son importantes para el desarrollo de cualquier órgano específico o tipo de célula”.

Exploración química

Mientras tanto, investigadores han empezado a descubrir maneras en que las bacterias de los intestinos podrían enviar señales al cerebro. Pettersson y otros revelaron que en ratones adultos, metabolitos microbianos influencian la fisiología básica de la barrera hematoencefálica. Los microbios intestinales descomponen carbohidratos complejos en cadenas cortas de ácidos grasosos, con un conjunto de efectos: el ácido butírico graso, por ejemplo, fortifica la barrera hematoencefálica ajustando las conexiones entre las células.

Estudios recientes también demuestran que los microbios intestinales directamente alteran los niveles de neurotransmisores, lo que podría permitirles comunicarse con las neuronas. Por ejemplo, Elaine Hsiao, ahora bióloga en la Universidad de California, en Los Ángeles, publicó este año investigaciones que examinan cómo ciertos metabolitos de la flora bacteriana promueven la producción de serotonina en las células que recubren el colon, un hallazgo interesante dado que algunas drogas antidepresivas trabajan promoviendo la serotonina en las uniones entre las neuronas. Estas células conforman 60% de la serotonina periférica en ratones y más de 90% en humanos.

Igual que el grupo del Instituto Karolinska, Hsiao encontró que los ratones libres de gérmenes tienen significativamente menos serotonina flotando en su sangre, y también demostró que los niveles podrían restaurarse al introducir en los intestinos bacterias formadoras de esporas (dominadas por Clostridium, las cuales rompen las pequeñas cadenas de ácidos grasos). A la inversa, ratones con flora bacteriana normal, cuando se les dio antibióticos, tuvieron una producción reducida de serotonina. “Al menos con esas manipulaciones, está claro que hay una relación causa-efecto”, dice Hsiao.

Pero sigue siendo confuso si estos niveles alterados de serotonina en los intestinos motivan una cascada de eventos moleculares, los cuales afectan la actividad cerebral – y si eventos similares también tienen lugar en humanos–. “Será importante replicar hallazgos anteriores, y traducir estos hallazgos en condiciones humanas para que puedan llegar verdaderamente a los libros de texto”, dice Hsiao.

Para John Cryan, un neurólogo de la Universidad College Cork, en Irlanda, hay pocas dudas que lo lograrán. Su laboratorio ha demostrado que los ratones libres de gérmenes crecen más neuronas en regiones específicas del cerebro al llegar a la adultez, que los ratones convencionales. Él ha estado promoviendo el eje intestino-cerebro entre neurólogos, investigadores de drogas psiquiátricas y el público en general. “Si miras la neurociencia dura que ha emergido en el último año solamente, todos los procesos fundamentales en los que los neurólogos pasan sus vidas trabajando se muestran ahora todos siendo regulados por microbios”, dice, señalando a la investigación en la regulación de la barrera hematoencefálica, neurogénesis en los ratones y la activación de las microglia, células de tipo inmunológico que residen en el cerebro y en la médula espinal.

En la reunión de la Sociedad para la Neurociencia de 2015, en Chicago, Illinois, llevada a cabo en octubre pasado, Cryan y sus colegas presentaron una investigación que muestra que la mielinación —la formación de una cubierta grasa para insular las fibras nerviosas— puede ser también influenciada por la flora bacteriana, al menos en una parte específica del cerebro. Trabajos no relacionados han mostrado que ratones libres de gérmenes están protegidos de una condición inducida de manera experimental y que es similar a la esclerosis múltiple, la cual está caracterizada por la desmielinación de las fibras nerviosas. Al menos una compañía, Symbiotix Biotherapies, en Boston, Massachusetts, está ya investigando si un metabolito producido por ciertos tipos de bacteria intestinal podría algún día ser usado para contener el daño en humanos con esclerosis múltiple.

Encaminados hacia la terapia

Tracy Bale, neuróloga de la Universidad de Pensilvania, en Filadelfia, sospecha que intervenciones humanas simples podrían ya ser garantizadas. Bale escuchó acerca del trabajo de Cyran en el programa de radio Radiolab hace tres años. En ese momento, ella estaba investigando la placenta, pero se preguntó cómo los microbios podrían caber en un modelo de cómo el estrés materno afecta a los hijos.

En una investigación publicada este año, Bale colocó a ratones hembra embarazadas bajo estímulos estresantes. Ella halló que esto reducía notablemente los niveles de Lactobacilli presentes en las vaginas de los ratones, que son la principal fuente de microbios que colonizan los intestinos de las crías. Estos cambios microbianos fueron pasados a los retoños que nacieron vía vaginal, y Bale detectó señales de que la flora bacteriana podría afectar el desarrollo neurológico, especialmente en los machos.

En un trabajo que su grupo planea presentar en la reunión de la Sociedad para la Neurociencia, Bale ha demostrado que tras alimentar microbiota vaginal de ratones estresados a ratones bebé nacidos por cesárea, estos pueden recapitular los efectos en el desarrollo neurológico de tener una madre estresada. Bale y sus colegas ahora están terminando una investigación en torno a si puede tratar a ratones de madres estresadas con la microbiota vaginal de ratones no estresados.

El trabajo, dice Bale, tiene “efectos traducibles inmediatos”. Se refiere a un proyecto liderado por María Dominguez-Bello, microbióloga de la Escuela de Medicina de la Universidad de Nueva York, en el que a los bebés nacidos a través de cesáreas se les frota la boca y la piel con gasas tomadas de las vaginas de sus madres. Su equipo quiere ver si estas crías terminan con una microbiota similar a la de los bebés nacidos vaginalmente. “No es un cuidado estandarizado”, dice Bale, “pero le apuesto que, un día, lo será”.

Muchos están escépticos acerca del vínculo entre microbios y comportamiento y si podrá mejorar la salud humana —pero los científicos parecen estar más inclinados a considerar la idea ahora de lo que lo han hecho en el pasado–. En 2007, por ejemplo, Francis Collins, ahora director de los Institutos Nacionales de Salud de Estados Unidos, sugirió que el Proyecto de Microbioma Humano, un estudio a gran escala de los microbios que colonizan a los humanos, podría ayudar a desenmarañar desórdenes de salud mental. “Eso sí sorprendió a un par de personas que asumieron que hablábamos de cosas que son más intestinales que cerebrales”, dice Collins. “Se trató de un pequeño salto, pero ahora ha sido respaldado tentativamente”.

Agencias de financiamiento están apoyando a este campo emergente, que abarca a la inmunología, microbiología y neurología, entre otras disciplinas. El NIMH ha ofrecido capital inicial para trabajos en sistemas modelo y en humanos, para evaluar si el área merece un financiamiento más sustancial, un movimiento que ya ha atraído a más investigadores al grupo. En Europa, el proyecto MyNewGut, tiene incluso una visión aún más optimista del valor de dicha investigación, específicamente en la búsqueda de recomendaciones nutricionales que podrían aliviar desórdenes vinculados al cerebro.

Hoy, el proyecto de Knickmeyer en infantes representa lo que ella caracteriza como una muestra desordenada a la que se le estudia todo lo que se puede. Entre las regiones del cerebro que Knickmeyer está escaneando, la amígdala y la corteza prefrontal tienen su mayor interés; ambas han sido afectadas por manipulaciones de microbiota en modelos de roedores. Pero colocar estos datos junto a las mediciones que está tomando en docenas de otros infantes será un reto. “La gran pregunta es cómo lidiar con todos los factores de confusión”. Las dietas de los niños, la vida en sus hogares y otras exposiciones ambientales pueden todas afectar su microbiota y su desarrollo neurológico, y deben ser puestas aparte.

Knickmeyer especula que jugar con los microbios en los intestinos humanos para tratar desórdenes de salud mental podría fallar por otras razones. Tome, por ejemplo, cómo los microbios podrían interactuar con el genoma humano. Aún si los científicos hallaran una versión terapéutica del “Cadillac de oro de la microbiota”, señala Knickmeyer, “quizás su cuerpo rechaza eso y regresa a su punto de partida porque sus propios genes promueven ciertos tipos de bacteria”. Hay mucho más que resolver, dice. “Siempre estoy sorprendida. Es muy abierto. Es como un pequeño Salvaje Oeste allí afuera”.

 

Este artículo se reproduce con permiso y fue publicado primero en Nature el 14 de octubre de 2015.