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近些年，肠道微生物，作为肠-脑轴功能的关键调节者之一，越来越受到精神类疾病、神经发育和神经退行性疾病的生理学基础研究领域的重视。微生物群和大脑通过肠道免疫反应、迷走神经等多种途径影响神经系统。同时，许多影响微生物群组成的因素可以显著影响微生物群的肠脑轴。最近的许多研究表明，肠道微生物群与许多疾病有关，动物模型在神经发育的调节方面已经取得了初步进展，微生物组激活小胶质细胞。未来的研究将侧重于了解微生物群-肠-脑轴潜在的机制并阐明神经疾病的微生物干预和治疗策略。本文对相关的重要的观点和实证研究证据进行了介绍，建议对微生物群-肠-脑轴系统感兴趣的研究者在拿到本文后仔细阅读，本文是快速了解当前研究前沿和明确未来研究方向的重要文章。本文发表在Physiological Reviews杂志。（1）无菌动物模型GF：动物一出生就在无菌环境下生长，缺乏与微生物的接触，是研究微生物对动物发育的影响。（2）自主神经系统（ANS）是一种神经中继网络，无需有意识地控制部分身体功能，包括呼吸，心跳和消化，肠道微生物能够通过ANS对相关过程产生影响。 Gut：脑成像技术在脑肠交互疾病中的角色 从古希腊时期开始，疾病与肠道的关系一直影响着医学研究者。一个偶然的机会，博蒙特将消化与疾病和情绪联系了起来。他发现当被试变得愤怒时，会极大地影响消化速度，表明情绪状态影响消化，即存在脑-肠轴。接下来的动物模型研究也为我们理解脑-肠轴在健康和疾病的稳态过程中所起的关键作用奠定了基础。随着20世纪80年代脑成像技术的出现，人们开始充分认识到肠-脑轴的双向性。研究表明，肠道扩张导致脑内关键通路的激活，并且在肠易激综合征（IBS）等疾病中，这种通路被进一步激活，并伴有肠-脑轴失调的微生物群。近几十年，人们发现肠道内的数万亿微生物组成的微生物群对肠-脑轴产生关键的影响，微生物群-肠-脑轴的概念由此产生。在本文中，我们将介绍这个领域所研究的微生物群对身体和思维的影响。A、微生物群：我们生活在一个微生物世界。过去的二十年里，微生物组学的研究以惊人的速度发展，并揭示了这些微小生物影响我们日常生活的各种方式。测序技术的进步加上微生物组生物信息管道的发展，使得微生物组组成的分析变得更加廉价和复杂。微生物群是人类健康和疾病的关键决定因素，也是宿主生理的关键调节因子。B、肠-脑轴：肠道对大脑功能产生影响，反之亦然。通过相关研究，我们现在了解了异常的肠道-大脑互作网络的一些病理后果，包括加剧的肠道炎症紊乱、肥胖症以及炎症性肠病等胃肠道疾病相关的疾病。C、微生物群-肠-脑轴：近几十年来，微生物学和神经科学的领域变得越来越相互交织。尽管微生物群-肠-脑轴的概念相对较新，但越来越多的人接受，微生物群可以对宿主行为产生相当大的影响。沿着肠-脑轴的双向交流是微生物群调节宿主大脑和行为方面协同作用的一个基本方面。D、进化的全基因组理论：随着时间的推移，微生物群已经与宿主生物共同进化，成为相互依赖的生存方式，所以将微生物群对宿主健康的评价结合起来是很重要的。这导致了进化的全基因组理论，该理论的一个关键原理是，宿主基因组及其相关的微生物基因组都促进了生物的遗传变异。此外，全基因组理论甚至可以解释复杂的生物现象。微生物群和大脑之间存在着不可分割的联系，因此研究我们自己就必须了解共生微生物是如何影响大脑生理学和行为的。虽然我们还没有完全理解宿主和微生物共生关系的功能意义，但在大脑健康的背景下，许多工具和动物模型能够帮助我们缩小对微生物群-肠-脑轴的理解差距。A、无菌动物GF模型能够用以了解微生物与宿主关系。GF动物提供了关于微生物群如何塑造其宿主的行为，生理学和神经生物学中不可或缺的见解。实验验证了GF动物与普通动物具有截然不同的发育和生理学。
图1 GF小鼠模型的神经相关的各种变化的示意图，↑和↓分别对应与对照小鼠相比升高和降低的过程。 B、抗生素也是研究微生物群扰动对大脑和行为影响的有用药理学工具。与GF模型相比，它们提供了更大的时间灵活性和特异性，因为它们可以在动物发育的任何阶段中急性或慢性注入。同时，它们还提供了一种模拟人类临床情况的工具。抗生素的灵活性和相关性使其成为研究微生物-胃肠轴的非常有价值的工具，它们将成为该领域未来研究的关键组成部分。C、粪便微生物群移植FMT能够将肠道微生物群从一个个体转移到另一个个体的过程。该技术在受体的胃肠道中建立供体样微生物组，从而对肠道微生物群与宿主结果之间的因果关系做出更强有力的推论。同时，FMT在人类医学治疗中的应用越来越受欢迎，能够有效地重建患者的主要共生细菌群体并重建患者的肠道微生物群多样性以及组成。D、益生元的主要类别之一是膳食纤维，已经证明益生元摄入量的下降与炎性，肥胖，代谢综合征和焦虑症等疾病的发病率的增加相关。迄今为止，大多数研究都仅限于证明益生元对大脑生理和行为的影响。因此，仍需进一步的研究了解益生元可以影响大脑生理和行为的机制，参与其中的肠道微生物衍生的代谢物及相关途径。E、 益生菌和精神生物益生菌是指活细菌的候选物种，当摄入足量时，会对宿主产生有益的健康影响。通过与宿主微生物群和肠上皮细胞相互作用，益生菌已被证明对宿主健康产生广泛影响，各种菌株在临床前研究中改善代谢，免疫，内分泌功能和减缓衰老。过去十年的大量研究已经证明益生菌如何影响各种中枢神经元过程，如神经传递，神经发生，神经肽表达，神经炎症甚至行为。这些发现导致通过靶向肠道微生物群来治疗各种神经和精神疾病，随着支持精神生物对大脑和行为影响的证据增加，该领域现在转向阐明神经生物效应的生物学基础。F、人脑成像技术的出现使得肠道与关键脑网络激活的关联提供了确凿的证据。磁共振成像（MRI）的广泛应用，提供了研究体内肠-脑相互作用的理想方法。脑成像领域的工作已将肠道微生物生态学与大规模脑网络联系起来。这些方法将有助于我们确定微生物群如何影响大脑功能并潜在地识别肠-脑轴的多个介质。然而目前研究数量很少，需要进一步研究肠道微生物，大脑和人体效应之间的相互作用，以了解微生物调节是否影响认知功能和行为。目前已经出现多个方面的脑成像与肠道菌群相关的研究。如在临床前研究中，利用磁共振波谱学（MRS），已显示鼠李糖乳杆菌JB-1除N-乙酰天门冬氨酸和N-乙酰基天冬氨酸外还能够增加神经递质谷氨酸及其γ-氨基丁酸（GABA）。而且，反应的程度和时机在受影响的代谢产物之间也不同。在最近的一项研究中，扩散张量成像被用于识别大鼠中以饮食依赖的方式发生的白质结构完整性的整体变化。 这说明细菌种群的变化与饮食有关。通过使用机器学习分类器对微生物群-大脑区域关联的强度进行定量评估，发现大脑结构的变化与肠道微生物组的饮食依赖性变化有关。在以人为被试的研究中也发现了类似的证据。一项具有里程碑意义的研究调查了摄入发酵乳饮料（结合四种不同细菌菌株）如何影响健康女性的大脑功能。该研究观察到静止状态的大脑功能活动发生了变化，表明摄入发酵乳产品与以导水管周围灰质为中心的中脑连接性变化有关，还有其他脑网络区域包括前额叶皮层（PFC），前基底神经节和海马旁回，这可能解释了在任务执行过程中观察到的差异。另一项研究评估了肥胖和非肥胖个体中肠道菌群的组成，大脑微结构和认知测验（即the Trail Making Test,一种涉及运动速度，注意力和认知灵活性的通用测试）之间的相互作用。结果发现，肥胖和非肥胖受试者的肠道微生物群组成，特别是放线菌的丰度与认知测试成绩以及丘脑，下丘脑和杏仁核神经活动的改变有关，这表明肥胖症会影响微生物群组成和随后的认知表现。脑成像技术也已开始用于探索肠道微生物群和脑功能在各种神经精神疾病中的相互作用。例如，最近的研究调查了精神分裂症前驱期前扣带回皮层的肠道菌群和胆碱浓度的变化。在被临床诊断为超高危人群的粪便样本中观察到梭菌，乳杆菌和拟杆菌的相对丰度增加。 此外，肠道菌群组成的变化表明短链脂肪酸（SCFA）的增加，同时前扣带回皮层中胆碱水平增加。总体来看，临床前研究越来越多地显示出令人信服的证据和共识，即肠道微生物从出生到生命最初几年都会影响大脑结构和功能。在动物模型方面也发现了许多从微生物层面到大脑介观层面的直接通路。但迄今为止，得出共识的研究很少，需要对肠道微生物、大脑和对人类的影响之间的相互作用进行进一步的检查，以到达可以在临床前报告中就告知患者微生物调节是否可以成功地影响认知功能的目的。 G、微生物组的分析技术，涉及生物信息学和测序方法与生物学和医学相结合的多合作努力。生物信息学开发了多种计算算法研究处理大量微生物组数据，微生物组测序技术主要包括16S测序和全基因组鸟枪法测序（WGS）。最近，组成数据分析技术已应用于微生物组领域，主要的分析指标包括：比较相对丰度，比较两个样品特定微生物的存在；多样性，用于量化样品内的异质性程度或两个样品之间的差异；主成分分析，用于可视化高维数据；功能宏基因组学，通常是WGS或功能预测16S数据集；稳定性，某些物种本身对其环境几乎没有影响，但可能在维持生态稳定状态中起重要作用。除此之外，微生物组的计算机模型也能提供极大的帮助。尽管人和动物模型具有许多优点，但是在许多情况下，体内模型仍有特定约束，这时可以使用微生物组的计算机模型。微生物组的代谢模型利用实验数据和处理大数据的能力，对微生物-微生物相互作用和微生物-环境相互作用提供了宝贵的理解。微生物组的计算机模型不仅可以用来回答实验问题，还可以用来验证结果的可靠性。随着越来越强大的计算技术和复杂设计的编程软件的发展，计算机模拟将越来越多地对动物模型在基础微生物组研究进行必要补充。
图2 微生物群相关的生物信息学分析步骤的顺序示意图。从相关样品提取细菌基因组开始，然后进行测序和计数，通过细菌物种的确定，并对相关功能、多样性和丰度以及主成分进行分析，以供接下来的研究参考。微生物-肠-脑轴并不是固定不变的，而是在整个生命周期中处于不断变化的状态。接下来，我们将讨论三个时期（胚胎和幼儿期，青春期和衰老期），并研究微生物组在这些时间对宿主大脑功能中的作用。
图3 显示了微生物多样性在人类整个生命周期中的变化，包括婴儿期、儿童期、青少年期、成年期和老年期。下方为特定阶段的心理变化和神经发育过程。A、胚胎和幼儿期关于胃肠道微生物的定植时间存在一些争议，最近的研究报道了胎盘微生物群的存在和胎儿的子宫内定植，而其他人则认为这一证据受到限制。怀孕期间的GF状态对啮齿动物的后代发育具有显着影响。同时，相比其他阶段，胚胎和幼儿期很难确定健康的微生物群构成。B、青春期除了众所周知的激素波动之外，大脑经历了巨大的重塑，包括髓鞘形成，各个区域的体积变化以及功能连接性的变化。鉴于这些因素都与微生物-肠-脑轴的改变有关，在青春期敏感期探索微生物群有可能提供改善青少年幸福感的见解和干预措施。C、衰老是各种稳态功能恶化的缓慢过程，伴随着疾病患病率的增加，还与肠道生理学的变化有关，包括胃酸过少，胃动力障碍和ENS的退行性变化，对肠道微生物组的组成和功能产生显着影响。虽然成人肠道微生物群的组成如果不受干扰通常是稳定的，但其稳定性在老年时会恶化。事实上，已经发现施用微生物群靶向饮食以防止有益双歧杆菌的年龄相关性下降对肠道微生物群组成和相关健康具有积极作用。这说明了肠道微生物群调节作为有益于衰老宿主的治疗策略的潜力。肠道微生物群与大脑之间存在许多潜在的连通途径，从复杂的神经元途径到难以测量的小分子信号系统。我们将介绍许多这些通信方法。然而，需要做很多工作来完全解决胃肠道腔内细菌如何对大脑和行为产生如此显着影响的确切机制。
图4。已知肠道微生物群-大脑的双向通路之间的联系的示意图，包括肝脏和胆汁代谢，免疫调节，神经支配，肠道内分泌和微生物代谢信号。A、微生物-肠-轴的各个组分能够通过ANS进行双向通信。这些信息的进一步处理涉及作用于外周器官的正反馈回路。ANS为肠道提供最直接的神经反应，通过靶器官的神经支配，导致肠道生理学的快速变化。微生物可以通过宿主细胞识别的代谢物相互通信，从而可以与肠ANS突触相互作用。微生物能够产生神经调节代谢物。尽管有大量证据表明迷走神经是微生物-脑信号传导的通道，但还不能详细地绘制微生物-肠-脑轴的神经元网络，需要更多的工作来了解这些通路。B、在微生物群和宿主之间的肠神经系统位于称为ENS的神经元网络中。其分为两个神经丛，粘膜下神经丛和肌间神经丛，主要负责协调肠道功能。现在的证据也表明，ENS和肠道微生物群之间可能存在相互关系。到目前为止，我们已经考虑了微生物群对ENS的影响。然而，ENS似乎能够控制微生物群。未来的研究需要充分认识到微生物群在形成ENS功能障碍病理效应方面的影响。ENS神经回路与微生物群直接或间接的相互作用可能是ANS活动的结果。交感神经和副交感神经系统可以影响ENS神经回路，导致运动性的变化，这可能影响前和益生菌向小肠和结肠的递送速率，包括抗性淀粉和膳食纤维，以及其他关键的微生物营养素。C、免疫系统和特异性免疫，能够参与塑造肠道微生物群，这些过程对宿主或微生物群的生理后果尚不清楚，或将成为未来研究的主题。D、微生物内分泌学提供了我们对微生物-肠-脑轴更深的认识，有助于从相关性转变为因果关系。微生物内分泌学概念的主要方面是基于宿主和微生物之间存在的共享神经化学语言。E、微生物群已被证明合成并响应涉及宿主情绪，行为和认知的几种关键神经化学物质，这些神经活性分子也是肠道界面宿主-微生物群相互作用中的重要信号分子。以下是几个重要的神经活性分子： 1. 儿茶酚胺在宿主生理学中发挥着不同的作用，包括压力反应和肠道等多个方面，从而影响宿主行为以及决策。儿茶酚胺系统是第一个被证明可以介导宿主-微生物作用的系统之一，且具有重要的临床意义。肠神经能够合成多巴胺和去甲肾上腺素，但缺乏将去甲肾上腺素转化为肾上腺素的苯乙醇胺-N-甲基转移酶。其中微生物群已被证明在将宿主去甲肾上腺素和多巴胺从非活性形式转化为生物活性形式方面发挥关键作用。2. GABA是宿主神经系统的主要抑制性神经递质，宿主和细菌都具有将氨基酸谷氨酸转化为GABA的能力。尽管在宿主肠腔中细菌产生GABA的重要性尚不清楚，需要进一步的研究来揭示谷氨酸和GABA作为宿主-微生物串扰介质的功能动力学和重要性。3.组胺是由组氨酸通过组氨酸脱羧酶合成的。这种酶途径在哺乳动物和某些细菌物种中是保守的，因此代表了宿主微生物通讯的重要领域。在哺乳动物中，组胺在宿主生理学中起着多种作用，包括调节觉醒以及各种免疫功能。很明显，组胺作为宿主-微生物作用的神经内分泌免疫介质起作用；然而，宿主组胺如何影响微生物功能仍有待揭示。4. 在哺乳动物中，5-HT起着不同的作用，从调节宿主行为到影响胃肠动力以及影响骨重建和红细胞健康。人们早就认识到细菌物种产气荚膜梭菌是肠道微生物群的成员，它调节5-HT的产生，其通过宿主TPH1调节宿主结肠5-HT合成。F、支链氨基酸（BCAAs）是必需氨基酸，它们不能从头合成，必须从饮食中获得。它们间接和直接参与外周和中枢神经系统的各种生化功能。肠道细菌能够产生更高比例的BCAAs，但是这是否影响宿主BCAAs的可用性仍有待确定。G、宿主胆汁系统和肠道细菌之间的双向通信与神经调节相关。从微生物-肠-脑信号传导的角度来看，胆汁酸在调节胃肠道屏障功能和免疫状态方面发挥着作用。TGR5的激活通常与对肠上皮的抗炎作用和保护特征有关。TGR5激活的有益作用至少部分是通过对GI免疫系统的直接作用介导的。最近的一些证据表明胆汁酸可以直接影响大脑功能，其诱导的FXR/FGF信号传导的激活可以通过成纤维细胞生长因子（FGF）受体显着改善肥胖小鼠的葡萄糖耐量。需要进一步的研究来检查肠道微生物群，胆汁信号传导和神经功能之间的可能联系，可能直接牵涉胆汁酸在肠-脑轴信号传导中。H、短链脂肪酸SCFAs也许是检查最多的肠道微生物衍生代谢物。其涉及多种宿主过程，包括GI功能，血压调节，昼夜节律和神经免疫，在脑疾病中，已经报道了粪便SCFA水平降低。这些数据暗示SCFAs有可能成为微生物-肠-脑轴通信的关键参与者。目前已在小鼠模型中检测到相关受体，但未在人类中验证，需要进一步了解这些受体的作用，特别是在其表达可能变化的时期。我们需要更多关于SCFAs影响宿主代谢和内分泌系统的机制的研究，以更好地理解SCFAs在内源性SCFAs和SCFA补充增加的条件下在肠脑轴系统中发挥的确切作用。除此之外，SCFAs可以刺激神经递质5-HT的分泌，参与宿主系统免疫过程，甚至能够通过直接相互作用影响大脑生理。I、通过脊髓通路可以将无疼痛信号从肠道到大脑进行连接。与肠道状态相关的某些生理信号是通过脊髓机制进行传导的，包括运动、炎症、疼痛、pH值变化、细胞损伤等。微生物可以利用这些信号通过脊髓与大脑连接。J、下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA轴）是人体内主要的神经内分泌系统之一，也是微生物群-肠-脑轴内关键的非神经元通讯途径之一。已有研究将微生物群与HPA活性联系起来，但还需要对这种联系进行更多的验证。K、肽聚糖受体能够检测微生物的不同模式或结构，先天免疫系统能够通过多种识别蛋白来检测完整的和片段化的肽聚糖。有四种肽聚糖识别蛋白（PGLYRP 1-4）通过识别胞壁结构与细菌细胞壁中的肽聚糖结合。最近发现的一种抗炎蛋白，已被证明可增强肠道屏障功能，并可调节微生物群和炎性细胞因子。并且小鼠实验已经验证肠道微生物群来源的肽聚糖能够从粘膜转移到体循环，从而直接影响神经元突触相关基因的表达。这些数据表明细菌被先天免疫系统感知，并可能影响大脑功能和发育。如果您对磁共振脑影像数据处理感兴趣，欢迎浏览思影科技课程及服务。（可添加微信号siyingyxf或18983979082咨询）：第三十八届磁共振脑影像基础班（南京，2.23-28） 第十四届脑影像机器学习班（重庆，3.12-17） 第八届磁共振ASL数据处理班（上海，3.1-4） 第三十九届脑影像基础班（上海，3.25-30） 神经可塑性是胃肠道和大脑中神经功能的一个重要方面。然而，微生物群能够在宿主的肠道或大脑中精确地进行长期的神经塑性变化的程度尚未得到充分研究，目前尚未得到解决。测量微生物对肠道神经支配和大脑神经网络的任何潜在长期影响的一个重要且充分表征的方法是通过测量突触可塑性，即具有特定功能目的的系统的长期变化。GF动物模型验证了微生物群参与了中枢神经系统突触可塑性。已经发现GF动物将改变杏仁核和海马中神经生理相关基因的表达。尽管在研究微生物群脑扰动对神经元可塑性的影响等方面取得了很大进展，但与之相关的调节通路仍需要。影响微生物-肠-脑轴的因素，包括遗传学和表观遗传学、出生时的分娩方式、饮食与环境、锻炼、药物、应激状态、昼夜节律等，对大脑和微生物群都有调节作用。
图5 与肠道微生物群脑活动相关的因素。其常见因素包括饮食、先天遗传和表观遗传学、环境、药物、运动和出生时分娩方式。以及受其影响的各种行为，包括认知和社交行为、压力、恐惧和食物摄入。 微生物群-肠-脑轴会影响许多因素，包括社会和认知行为、恐惧、压力和食物摄入。我们的食物摄入很可能受到我们的微生物群的组成和功能的影响，包括一系列促食欲激素（ghrelin，NPY）和厌食激素（GLP-1，PYY，CCK和CRF）起着至关重要的作用。小鼠研究在阐明肠道细菌如何影响社会行为方面取得了巨大进展，GF小鼠杏仁核中与神经元激活相关的转录因子表达增强，这些大脑区域不仅是社会行为的神经回路中的关键节点，而且也是微生物群调节这种行为的焦点。除此之外，越来越多的证据也支持了肠道微生物群组成的变化可以在多个层面上影响认知功能，某些益生菌菌群对阿尔茨海默病等疾病患者的认知功能和代谢状态产生积极影响。此外，脑成像技术与神经心理学和认知测量相结合，将极大地提高我们对微生物肠道脑轴在调节健康和易受伤害人群认知方面的认识。随着微生物群-肠-脑研究领域的发展和成熟，微生物群已经被证明参与了越来越多的心理和神经疾病和疾病过程中。值得注意的是，许多行为障碍、HPA轴应激反应失调和对压力的恢复力等压力反应，现在也被认为是由微生物群调节的。
图6 概述了目前与微生物群相关的各种疾病和疾病过程，包括精神和神经退行性疾病，疼痛，压力，IBS（肠易激综合征）、中风、成瘾和肥胖等。 长期以来，细菌一直是微生物群研究的主要对象，但微生物群中的病毒和真菌也各自起着复杂的作用。病毒占肠道微生物群中比例最高，因此它们不能被忽视。真菌数量较少，但可能对微生物群和宿主的功能产生很大影响。A、肠道病毒中感染细菌的噬菌体在病毒组的数量和多样性上占优势。肠道环境中的噬菌体能够在形成微生物群方面发挥重要作用。几十年来，安全有效的噬菌体治疗一直是一个理想的范例，噬菌体可以在黏液层下提供针对细菌的集中防御系统。由于噬菌体能够调节宿主细菌的增殖，塑造微生物群的组成，调节哺乳动物宿主的炎症反应，其对人类健康和认知的其他方面的影响将在未来几年继续是一个新兴的研究领域。B、肠道的真菌群落相比细菌和病毒群落不那么普遍，并且其在肠道微生物群落中的作用也并不清楚。考虑到真菌的危害和各通路相互作用的可能性，真菌很可能扮演重要的角色，但目前仍需要更多的研究以了解真菌在肠道中的存在和作用。了解肠道微生物如何影响肠-脑轴交流是过去十年重要研究的主题。现在人们普遍认为，肠道微生物群对于大脑功能的适当发育和维持至关重要。越来越多的动物和临床研究证据也表明，微生物群与各种神经系统疾病和神经退行性疾病有关。然而，这方面的研究尚处于早期阶段。微生物群的变化是否作为某些精神和神经疾病的病理核心，目前尚未得到证实。但随着更广泛的疾病研究，对微生物群的治疗应用前景是一个令人兴奋的前景。微生物群医学的一大难题是如何定义一个健康的微生物群，微生物群组成的个体间差异可能很大，然而，基于微生物群的治疗可能是未来有效的个性化医疗方法的渠道。
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