Research Article

Impact of the gut microbiota on the neuroendocrine and behavioural responses to stress in rodents

Effet du microbiote intestinal sur les réponses neuroendocrinienne et comportementale au stress

¹ INRA, UMR1319 Micalis, 78350 Jouy-en-Josas, France
² AgroParisTech, Micalis, 78350 Jouy-en-Josas, France
³ Université de Pau et des Pays de l’Adour, IUT des Pays de l’Adour, Département de Génie Biologique, 371 rue du Ruisseau, 40004 Mont de Marsan, France
⁴ CNRS, Micalis, 78350 Jouy-en-Josas, France

^* Correspondence: sylvie.rabot@jouy.inra.fr

Received: 13 June 2015
Accepted: 30 June 2015

Abstract

The gastro-intestinal tract hosts a complex microbial ecosystem, the gut microbiota, whose collective genome coding capacity exceeds that of the host genome. The gut microbiota is nowadays regarded as a full organ, likely to contribute to the development of pathologies when its dynamic balance is disrupted (dysbiosis). In the last decade, evidence emerged that the gut microbiota influences brain development and function. In particular, comparisons between germ-free and conventional laboratory rodents showed that the absence of the gut microbiota exacerbates the hypothalamic pituitary adrenal (HPA) system reactivity to stress and alters the anxiety-like behaviour. Furthermore, the dysfunctions observed in germ-free animals can be corrected if the gut microbiota is restored in early life but not in adulthood, suggesting a critical period for microbiota imprinting on the responsiveness to stress. The modes of action are still to be deciphered. They may involve transport of neuroactive bacterial metabolites to the brain through the bloodstream, stimulation of the vagus nerve or of entero-endocrine cells, or modulation of the immune system and, consequently, of the inflammatory status. The discovery that the gut microbiota regulates the neuroendocrine and behavioural responses to stress paves the way for the hypothesis that gut microbiota dysbioses could contribute to the pathophysiology of anxiety-related disorders. In this regard, treatments of anxiety-prone rodent strains with probiotics or antibiotics aimed at modifying their gut microbiota have shown an anxiolytic-like activity. Clinical trials are now needed to know if results obtained in preclinical studies can translate to humans.

Résumé

Le tractus gastro-intestinal héberge une communauté microbienne complexe appelée microbiote, dont le potentiel génétique excède celui de l’hôte en richesse et diversité. Le microbiote intestinal est considéré aujourd’hui comme un véritable organe, susceptible de contribuer au développement de pathologies si son équilibre est rompu (on parle alors de dysbiose). Au cours de la dernière décennie, des travaux ont commencé à mettre en évidence que le microbiote intestinal influençait le développement et le fonctionnement du cerveau. En particulier, des comparaisons entre rongeurs axéniques et conventionnels ont montré que l’absence de microbiote intestinal intensifiait la réponse au stress de l’axe corticotrope et modifiait le niveau d’anxiété. Ces anomalies ne peuvent être corrigées que si la restauration du microbiote chez les animaux axéniques intervient avant l’âge adulte. Ceci suggère l’existence d’une période critique du développement au cours de laquelle le microbiote influence la maturation des structures cérébrales impliquées dans la réponse au stress. Les mécanismes d’action ne sont pas encore complètement élucidés. Pourraient intervenir des métabolites microbiens neuro-actifs, atteignant le cerveau par voie sanguine, une stimulation des afférences intestinales du nerf vague, une stimulation des cellules endocrines de la paroi intestinale, ou une modulation du système immunitaire et, par conséquent, du statut inflammatoire de l’organisme. La découverte que le microbiote intestinal régule les réponses neuroendocrinienne et comportementale au stress conduit à l’hypothèse que des dysbioses du microbiote pourraient contribuer à la physiopathologie des troubles anxieux ou des troubles de l’humeur ayant une composante anxieuse. À cet égard, la modulation du microbiote intestinal avec des probiotiques ou des antibiotiques chez des lignées de rongeurs prédisposées à l’anxiété a un effet de type anxiolytique. Des essais cliniques sont maintenant nécessaires pour déterminer si ces résultats précliniques sont transposables à l’Homme.