Indigenous microbiota have several beneficial effects on host physiological functions; however, little is known about whether or not postnatal microbial colonization can affect the development of brain plasticity and a subsequent physiological system response. To test the idea that such microbes may affect the development of neural systems that govern the endocrine response to stress, we investigated hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) reaction to stress by comparing germfree (GF), specific pathogen free (SPF) and gnotobiotic mice. Plasma ACTH and corticosterone elevation in response to restraint stress was substantially higher in GF mice than in SPF mice, but not in response to stimulation with ether. Moreover, GF mice also exhibited reduced brain-derived neurotrophic factor expression levels in the cortex and hippocampus relative to SPF mice. The exaggerated HPA stress response by GF mice was reversed by reconstitution with Bifidobacterium infantis. In contrast, monoassociation with enteropathogenic Escherichia coli, but not with its mutant strain devoid of the translocated intimin receptor gene, enhanced the response to stress. Importantly, the enhanced HPA response of GF mice was partly corrected by reconstitution with SPF faeces at an early stage, but not by any reconstitution exerted at a later stage, which therefore indicates that exposure to microbes at an early developmental stage is required for the HPA system to become fully susceptible to inhibitory neural regulation. These results suggest that commensal microbiota can affect the postnatal development of the HPA stress response in mice.

Abstract The role of intestinal bacterial flora in oral tolerance induction to the IgE response was investigated using germfree (GF) mice. When GF mice were orally administered 20 mg of OVA as tolerogen before a systemic challenge with OVA, the Th1-mediated responses, such as the production of IgG2a and IFN-gamma, were abrogated, while the Th2-mediated immune responses, such as the production of IgE, IgG1, and IL-4, were maintained. Moreover, the basal level of IL-4 production in vitro was significantly higher in the GF mice than that of IL-4 in specific pathogen-free mice when challenged systemically with OVA. On the other hand, both Th1 and Th2 responses were fully sensitive to such tolerance induction in specific pathogen-free mice. The reconstitution of intestinal flora of GF mice with Bifidobacterium infantis, one of the predominant bacteria in the intestinal flora, restored the susceptibility of these Th2 responses to oral tolerance induction; however, this was only effective when such reconstitution was performed in neonates, but not in mice at an older age. These results thus suggested that intestinal bacterial flora play a crucial role in generating a Th2 cell population whose size and response are adequately regulated and, consequently, fully susceptible to oral tolerance induction, probably by affecting the development of gut-associated lymphoid tissue at the neonatal stage.

Daily restraint for 3 weeks was shown to atrophy dendrites of hippocampal pyramidal neurons in rats. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), which maintains neuronal survival and morphology, has been shown to decrease in response to acute stress. Plasma glucocorticoid (GC) and serotonergic projections from the raphe nuclei play major roles in reducing BDNF synthesis in the hippocampus. We investigated BDNF mRNA levels there, together with plasma GC levels, GC receptors in the hippocampus/hypothalamus and 5-HT synthesizing enzyme, tryptophan hydroxylase in the raphe nuclei, in animals chronically stressed for 1–3 weeks, using in situ hybridization and immunohistochemistry. In these animals, BDNF mRNA levels were significantly decreased in the hippocampus after 6 h of restraint, but the ability of restraint to reduce BDNF synthesis seemed less robust than that seen in acute stress models. HPA axis response to stress in these animals assessed by plasma GC levels was delayed and sustained, and the GC receptor in the paraventricular hypothalamic nucleus was increased at 1 week. Tryptophan hydroxylase immunoreactivity was increased in the median raphe nucleus at 2–3 weeks. Repetitive stress-induced reduction of BDNF may partly contribute to the neuronal atrophy/death and reduction of hippocampal volume observed both in animals and humans suffering chronic stress and/or depression.