Background & Aims

 Alterations in the microbial composition of the gastrointestinal tract (dysbiosis) are believed to contribute to inflammatory and functional bowel disorders and psychiatric comorbidities. We examined whether the intestinal microbiota affects behavior and brain biochemistry in mice. 

Methods

 Specific pathogen–free (SPF) BALB/c mice, with or without subdiaphragmatic vagotomy or chemical sympathectomy, or germ-free BALB/c mice received a mixture of nonabsorbable antimicrobials (neomycin, bacitracin, and pimaricin) in their drinking water for 7 days. Germ-free BALB/c and NIH Swiss mice were colonized with microbiota from SPF NIH Swiss or BALB/c mice. Behavior was evaluated using step-down and light preference tests. Gastrointestinal microbiota were assessed using denaturing gradient gel electrophoresis and sequencing. Gut samples were analyzed by histologic, myeloperoxidase, and cytokine analyses; levels of serotonin, noradrenaline, dopamine, and brain-derived neurotropic factor (BDNF) were assessed by enzyme-linked immunosorbent assay. 

Results

 Administration of oral antimicrobials to SPF mice transiently altered the composition of the microbiota and increased exploratory behavior and hippocampal expression of BDNF. These changes were independent of inflammatory activity, changes in levels of gastrointestinal neurotransmitters, and vagal or sympathetic integrity. Intraperitoneal administration of antimicrobials to SPF mice or oral administration to germ-free mice did not affect behavior. Colonization of germ-free BALB/c mice with microbiota from NIH Swiss mice increased exploratory behavior and hippocampal levels of BDNF, whereas colonization of germ-free NIH Swiss mice with BALB/c microbiota reduced exploratory behavior. 

Conclusions

 The intestinal microbiota influences brain chemistry and behavior independently of the autonomic nervous system, gastrointestinal-specific neurotransmitters, or inflammation. Intestinal dysbiosis might contribute to psychiatric disorders in patients with bowel disorders.

Neurogastroenterology & MotilityVolume 23, Issue 12 p. 1132-1139 The anxiolytic effect of Bifidobacterium longum NCC3001 involves vagal pathways for gut–brain communication P. Bercik, P. Bercik Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorA. J. Park, A. J. Park Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorD. Sinclair, D. Sinclair Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorA. Khoshdel, A. Khoshdel Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorJ. Lu, J. Lu Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorX. Huang, X. Huang Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorY. Deng, Y. Deng Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorP. A. Blennerhassett, P. A. Blennerhassett Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorM. Fahnestock, M. Fahnestock Department of Psychiatry & Behavioural Neurosciences, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorD. Moine, D. Moine Bioanalytical Science Department, Nestlé Research Center, Lausanne, SwitzerlandSearch for more papers by this authorB. Berger, B. Berger Bioanalytical Science Department, Nestlé Research Center, Lausanne, SwitzerlandSearch for more papers by this authorJ. D. Huizinga, J. D. Huizinga Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorW. Kunze, W. Kunze Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorP. G. McLean, P. G. McLean Digestive Health, Nutrition and Health Department, Nestlé Research Center, Lausanne, SwitzerlandSearch for more papers by this authorG. E. Bergonzelli, G. E. Bergonzelli Digestive Health, Nutrition and Health Department, Nestlé Research Center, Lausanne, SwitzerlandSearch for more papers by this authorS. M. Collins, S. M. Collins Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorE. F. Verdu, E. F. Verdu Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this author P. Bercik, P. Bercik Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorA. J. Park, A. J. Park Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorD. Sinclair, D. Sinclair Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorA. Khoshdel, A. Khoshdel Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorJ. Lu, J. Lu Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorX. Huang, X. Huang Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorY. Deng, Y. Deng Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorP. A. Blennerhassett, P. A. Blennerhassett Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorM. Fahnestock, M. Fahnestock Department of Psychiatry & Behavioural Neurosciences, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorD. Moine, D. Moine Bioanalytical Science Department, Nestlé Research Center, Lausanne, SwitzerlandSearch for more papers by this authorB. Berger, B. Berger Bioanalytical Science Department, Nestlé Research Center, Lausanne, SwitzerlandSearch for more papers by this authorJ. D. Huizinga, J. D. Huizinga Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorW. Kunze, W. Kunze Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorP. G. McLean, P. G. McLean Digestive Health, Nutrition and Health Department, Nestlé Research Center, Lausanne, SwitzerlandSearch for more papers by this authorG. E. Bergonzelli, G. E. Bergonzelli Digestive Health, Nutrition and Health Department, Nestlé Research Center, Lausanne, SwitzerlandSearch for more papers by this authorS. M. Collins, S. M. Collins Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this authorE. F. Verdu, E. F. Verdu Department of Medicine, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, Hamilton, ON, CanadaSearch for more papers by this author First published: 11 October 2011 https://doi.org/10.1111/j.1365-2982.2011.01796.xCitations: 83 Address for Correspondence Elena F Verdu, MD, PhD, Farncombe Family Digestive Health Research Institute, McMaster University, HSC 3N8, Hamilton, Ontario, Canada L8S 4K1. Tel: 1 (905) 525 9140/Ext 21952; fax: 1 (905) 522 3454; e-mail: verdue@mcmaster.ca Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onFacebookTwitterLinked InRedditWechat Abstract Background The probiotic Bifidobacterium longum NCC3001 normalizes anxiety-like behavior and hippocampal brain derived neurotrophic factor (BDNF) in mice with infectious colitis. Using a model of chemical colitis we test whether the anxiolytic effect of B. longum involves vagal integrity, and changes in neural cell function. Methods Mice received dextran sodium sulfate (DSS, 3%) in drinking water during three 1-week cycles. Bifidobacterium longum or placebo were gavaged daily during the last cycle. Some mice underwent subdiaphragmatic vagotomy. Behavior was assessed by step-down test, inflammation by myeloperoxidase (MPO) activity and histology. BDNF mRNA was measured in neuroblastoma SH-SY5Y cells after incubation with sera from B. longum- or placebo-treated mice. The effect of B. longum on myenteric neuron excitability was measured using intracellular microelectrodes. Key Results Chronic colitis was associated with anxiety-like behavior, which was absent in previously vagotomized mice. B. longum normalized behavior but had no effect on MPO activity or histological scores. Its anxiolytic effect was absent in mice with established anxiety that were vagotomized before the third DSS cycle. B. longum metabolites did not affect BDNF mRNA expression in SH-SY5Y cells but decreased excitability of enteric neurons. Conclusions & Inferences In this colitis model, anxiety-like behavior is vagally mediated. The anxiolytic effect of B. longum requires vagal integrity but does not involve gut immuno-modulation or production of BDNF by neuronal cells. As B. longum decreases excitability of enteric neurons, it may signal to the central nervous system by activating vagal pathways at the level of the enteric nervous system. Citing Literature Volume23, Issue12December 2011Pages 1132-1139 RelatedInformation

Background & AimsClinical and preclinical studies have associated gastrointestinal inflammation and infection with altered behavior. We investigated whether chronic gut inflammation alters behavior and brain biochemistry and examined underlying mechanisms.MethodsAKR mice were infected with the noninvasive parasite Trichuris muris and given etanercept, budesonide, or specific probiotics. Subdiaphragmatic vagotomy was performed in a subgroup of mice before infection. Gastrointestinal inflammation was assessed by histology and quantification of myeloperoxidase activity. Serum proteins were measured by proteomic analysis, circulating cytokines were measured by fluorescence activated cell sorting array, and serum tryptophan and kynurenine were measured by liquid chromatography. Behavior was assessed using light/dark preference and step-down tests. In situ hybridization was used to assess brain-derived neurotrophic factor (BDNF) expression in the brain.ResultsT muris caused mild to moderate colonic inflammation and anxiety-like behavior that was associated with decreased hippocampal BDNF messenger RNA (mRNA). Circulating tumor necrosis factor-α and interferon-γ, as well as the kynurenine and kynurenine/tryptophan ratio, were increased. Proteomic analysis showed altered levels of several proteins related to inflammation and neural function. Administration of etanercept, and to a lesser degree of budesonide, normalized behavior, reduced cytokine and kynurenine levels, but did not influence BDNF expression. The probiotic Bifidobacterium longum normalized behavior and BDNF mRNA but did not affect cytokine or kynurenine levels. Anxiety-like behavior was present in infected mice after vagotomy.ConclusionsChronic gastrointestinal inflammation induces anxiety-like behavior and alters central nervous system biochemistry, which can be normalized by inflammation-dependent and -independent mechanisms, neither of which requires the integrity of the vagus nerve. Clinical and preclinical studies have associated gastrointestinal inflammation and infection with altered behavior. We investigated whether chronic gut inflammation alters behavior and brain biochemistry and examined underlying mechanisms. AKR mice were infected with the noninvasive parasite Trichuris muris and given etanercept, budesonide, or specific probiotics. Subdiaphragmatic vagotomy was performed in a subgroup of mice before infection. Gastrointestinal inflammation was assessed by histology and quantification of myeloperoxidase activity. Serum proteins were measured by proteomic analysis, circulating cytokines were measured by fluorescence activated cell sorting array, and serum tryptophan and kynurenine were measured by liquid chromatography. Behavior was assessed using light/dark preference and step-down tests. In situ hybridization was used to assess brain-derived neurotrophic factor (BDNF) expression in the brain. T muris caused mild to moderate colonic inflammation and anxiety-like behavior that was associated with decreased hippocampal BDNF messenger RNA (mRNA). Circulating tumor necrosis factor-α and interferon-γ, as well as the kynurenine and kynurenine/tryptophan ratio, were increased. Proteomic analysis showed altered levels of several proteins related to inflammation and neural function. Administration of etanercept, and to a lesser degree of budesonide, normalized behavior, reduced cytokine and kynurenine levels, but did not influence BDNF expression. The probiotic Bifidobacterium longum normalized behavior and BDNF mRNA but did not affect cytokine or kynurenine levels. Anxiety-like behavior was present in infected mice after vagotomy. Chronic gastrointestinal inflammation induces anxiety-like behavior and alters central nervous system biochemistry, which can be normalized by inflammation-dependent and -independent mechanisms, neither of which requires the integrity of the vagus nerve.

Early-life stress is a determinant of vulnerability to a variety of disorders that include dysfunction of the brain and gut. Here we exploit a model of early-life stress, maternal separation (MS) in mice, to investigate the role of the intestinal microbiota in the development of impaired gut function and altered behaviour later in life. Using germ-free and specific pathogen-free mice, we demonstrate that MS alters the hypothalamic–pituitary–adrenal axis and colonic cholinergic neural regulation in a microbiota-independent fashion. However, microbiota is required for the induction of anxiety-like behaviour and behavioural despair. Colonization of adult germ-free MS and control mice with the same microbiota produces distinct microbial profiles, which are associated with altered behaviour in MS, but not in control mice. These results indicate that MS-induced changes in host physiology lead to intestinal dysbiosis, which is a critical determinant of the abnormal behaviour that characterizes this model of early-life stress. There is growing evidence that the intestinal microbiota can affect host behaviour. Here, De Palma et al. show in mice that early-life stress (maternal separation) induces changes in host physiology that alter the gut microbiota, which then triggers anxiety-like and depression-like behaviour later in life.

Background & Aims: The recently proposed Inflammatory Reflex describes an interaction between the vagus nerve and peripheral macrophages, resulting in attenuation of proinflammatory cytokine release in response to systemic exposure to bacterial endotoxin. The purpose of this study was to determine whether a similar vagus/macrophage axis modulates the inflammatory responses in the colon in mice. Methods: We assessed the Disease Activity Index (DAI), macroscopic and histologic damage, serum amyloid-P level, and myeloperoxidase activity in colitis induced by administration of dextran sodium sulfate (DSS) in healthy and vagotomized C57BL/6 and in mice deficient in macrophage-colony stimulating factor (M-CSF)–induced and in hapten-induced colitis. A pyloroplasty was performed in vagotomized mice. Results: DAI, macroscopic and histologic scores, myeloperoxidase activity, levels of serum amyloid-P, and colonic tissue levels of interleukin (IL)-1β, IL-6, and tumor necrosis factor-α were increased significantly in vagotomized mice 5 days post-DSS and 3 days after hapten-induced colitis compared with sham-operated mice that received DSS or the hapten. Pretreatment with nicotine significantly decreased each of these markers in vagotomized mice with DSS colitis, and all markers except DAI and IL-6 in sham-operated DSS-treated mice. Conversely, hexamethonium treatment significantly increased each of these markers in the sham-operated DSS-treated mice. Vagotomy had no effect on the colitis in M-CSF–deficient mice. Conclusions: The vagus nerve plays a counterinflammatory role in acute colitis via a macrophage-dependent mechanism, involving hexamethonium-sensitive nicotinic receptors. The identification of a counterinflammatory neural pathway would open new therapeutic avenues for treating acute exacerbations of inflammatory bowel disease.

Abstract Background Depression often coexists with the irritable bowel syndrome ( IBS ) which is characterized by alterations in gut function. There is emerging evidence that the microbial composition (microbiota) of the gut is altered in IBS , but the basis for this is poorly understood. The aim of this study was to determine whether the induction of chronic depression results in changes in the colonic function and in its microbial community, and to explore underlying mechanisms. Methods Bilateral olfactory bulbectomy ( OB x) was used to induce depression‐like behavior in mice. Colonic function was assessed by measuring muscle contractility, pellet excretion, c‐fos activity, and serotonin levels. Microbiota profiles were obtained using denaturing gradient gel electrophoresis ( DGGE ). The hypothalamic‐pituitary axis ( HPA ) was assessed by the hypothalamic expression of corticotropin‐releasing hormone ( CRH ). In separate studies, mice without OB x received CRH via intracerebroventricular ( ICV ) infusion for 4 weeks prior to assessing colonic function and microbiota profiles. Key Results Olfactory bulbectomy mice demonstrated chronic depression‐ and anxiety‐like behaviors associated with elevated central CRH expression and increases in c‐Fos activity, serotonin levels, and motility in the colon. These changes were accompanied by an altered intestinal microbial profile. Central CRH administration produced similar changes in behavior and motility and altered the microbiota profile in the colon. Conclusions & Inferences The induction of chronic depression alters motor activity and the microbial profile in the colon likely via activation of the HPA . These findings provide a basis for linking the behavioral and gastrointestinal manifestations of IBS .