Maternal prenatal stress, infant microbiota, brain, and behavioral development : The FinnBrain Birth Cohort Study

Abstract

The gut microbiota and its manipulation have been shown to affect behavior and neurodevelopment in rodents. Likewise, maternal prenatal stress is known to influence offspring health and development as well as gut microbiota composition in rodents and non-human primates. However, how infant fecal microbiota is associated with infant behavioral and brain developmental phenotypes or with exposure to prenatal stress remains largely unknown.

The first aim of this dissertation was to explore how infant fecal microbiota associates with temperament, emotional attention, and amygdala volume, all of which may relate to later socioemotional and behavioral development. The second aim was to investigate if maternal prenatal chronic psychological distress and chronic cortisol levels, which are measures of prenatal stress in this study, associate with infant fecal microbiota composition and diversity. The studies were conducted in the prospective, general population-based FinnBrain Birth Cohort Study.

First, the results showed that early fecal microbiota composition was associated with temperament traits and attention bias towards fearful faces. Specifically, Bifidobacterium, Stroptococcus, and Atopobium were positively associated with positive emotionality, whereas Bifidobacterium was negatively and Clostridium was positively associated with greater attention bias towards fearful faces. Both temperament and attention bias towards faces showed an interaction by sex regarding fecal microbiota composition. The left amygdala volume as well as negative emotionality and fear reactivity were negatively associated with fecal microbiota diversity. Second, maternal prenatal stress associated with fecal microbiota composition, including increases in abundances of genera within the Proteobacteria phylum and decreases in Lactobacillus abundance.

This dissertation argues that infant fecal microbiota associates with later brain and behavioral phenotypes and encourages future longitudinal and mechanistic studies. Likewise, we corroborate some earlier findings regarding maternal prenatal stress and infant fecal microbiota.

Äidin raskaudenaikainen stressi, lapsen mikrobisto, käyttäytymisen ja aivojen kehitys

Eläintöiden perusteella on ehdotettu, että suolistomikrobisto vaikuttaa aivojen toimintaan ja käyttäytymiseen. Lisäksi jyrsijöillä ja kädellisillä on osoitettu, että äidin raskaudenaikainen stressi vaikuttaa jälkeläisten kasvuun ja terveyteen sekä suolistomikrobiston koostumukseen. Vielä ei kuitenkaan täysin ymmärretä, että liittyykö äidin raskaudenaikainen stressi lapsen suolistomikrobiston koostumukseen tai liittyykö lapsen suolistomirkobiston koostumus varhaiseen käyttäytymiseen tai aivojen kehittymiseen ihmisillä.

Tässä väitöskirjassa kartoitettiin FinnBrain-syntymäkohorttitutkimuksessa lapsen varhaisen mikrobiston yhteyksiä temperamenttiin, kasvoihin ja kasvojen ilmeisiin kohdistuvaan kognitiiviseen tarkkaavuuteen sekä mantelitumakkeen kokoon. Lisäksi väitöskirjassa tutkittiin äidin raskauden aikaisen pitkäaikaisten psyykkisten oireiden ja kortisolipitoisuuksien – joita käytettiin raskaudenaikaisen stressin mittareina tässä tutkimuksessa – yhteyksiä lapsen suolistomikrobiston koostumukseen ja monimuotoisuuteen.

Lapsen suolistomikrobiston koostumus oli yhteydessä temperamenttiin ja varhaiseen pelokkaisiin kasvoihin kohdistuvaan tarkkaavaisuuteen. Bifidobacterium, Streptococcus, Atopobium bakteerisuvut olivat yhteydessä positiiviseen emotionaalisuuteen, ja toisaalta Clostridium ja Bifidobacterium suvut olivat yhteydessä pelokkaisiin kasvoisiin kohdistuvaan tarkkaavaisuuteen. Sukupuoli vaikutti suolistomikrobiston ja temperamentin sekä lapsen kasvoihin kohdistuvan tarkkaavaisuuden välisiin yhteyksiin. Suolistomikrobiston vähäisempi monimuotoisuus oli yhteydessä suurempaan vasemman mantelitumakkeen kokoon ja voimakkaampaan negatiiviseen emotionaalisuuteen ja pelkoreagoivuuteen. Äidin raskaudenaikaisten stressi oli yhteydessä Proteobakteereihin kuuluvien sukujen ja maitohappobakteerien pitoisuuksiin.

Väitöskirjan löydökset tukevat väitettä, että suolistomikrobisto on yhteydessä aivojen kehitykseen ja käyttäytymiseen, mutta löydökset eivät vielä kerro taustalla olevista syy-seuraussuhteesta. Äidin raskaudenaikaisen stressin yhteydet lapsen suolistomikrobistoon vahvistivat jo aiemmin raportoituja löydöksiä.