腸道微生物影響記憶?揭秘菌群變化如何改變大腦
2019年10月24日08:41

  來源:學術經緯

  我們每個人的體內和體表,生活著為數眾多的小夥伴:病毒、細菌、真菌、寄生蟲……這些微生物的細胞數量可能比你自身的細胞還要多。不難想像,它們與其代謝產物會對人體健康產生諸多影響。而近些年層出不窮的科學研究,揭示出人體微生物的影響之大,仍然時不時突破我們的想像。

  頂尖學術期刊《自然》今日在線發表的一篇論文,再次刷新了我們對腸道菌群的認識。科學家通過小鼠研究發現,腸道菌群的變化會改變大腦神經元的功能和結構,進而影響動物的行為。同期刊發的評論給予這項工作很高評價,認為“代表了我們對腸-腦相互作用的理解有了一次飛躍”。

  這項研究來自威爾·康奈爾醫學院(Weill Cornell Medicine)。David Artis教授和同事用一項經典的動物實驗考察了微生物群對大腦學習能力的影響。

  他們讓小鼠學習的是恐懼記憶的消除。具體來說,是訓練小鼠先把一種聲音與輕微的電擊聯繫起來,形成條件反射,小鼠在聽到聲音後就會害怕地身體僵住。隨後,當電擊不再和聲音同時出現,正常情況下,小鼠慢慢地就會消除對聲音的恐懼。

  然而,在給成年小鼠用了抗生素後,隨著菌群被消除,小鼠還是會在聽到聲音提示後表現出恐懼反應。另一組生長在無菌環境、體內缺乏微生物群的小鼠,出現了類似的情況,先前對聲音建立的恐懼難以消除。

▲如果無法消除恐懼或創傷的經曆,可能出現“創傷後應激障礙”(PTSD)(圖片來源:123RF)
▲如果無法消除恐懼或創傷的經曆,可能出現“創傷後應激障礙”(PTSD)(圖片來源:123RF)

  這些行為變化歸根結底來自於大腦,因此科學家們非常好奇,體內缺少了微生物為什麼會對大腦有這樣的作用?接下來,這支研究團隊展開了深入而細緻的探秘工作。

  大腦內側前額葉皮層(mPFC)是消除恐懼反應依賴的關鍵腦區,因此研究人員用顯微成像的手段觀察小鼠該部位的神經活動模式,比較普通小鼠和抗生素小鼠在神經連接結構上的差別。消除恐懼反應的過程中,神經連接的細微結構發生著動態變化,可是在清除體內微生物群後,這種連接強度的可塑性受到了影響。

▲在小鼠形成和消除恐懼記憶的過程中觀察神經元樹突棘結構變化(圖片來源:參考資料[2])
▲在小鼠形成和消除恐懼記憶的過程中觀察神經元樹突棘結構變化(圖片來源:參考資料[2])

  不僅如此,這項研究還採用先進的單細胞RNA測序技術,識別整個mPFC各細胞類型中的基因表達變化。結果表明,缺少腸菌主要影響興奮性神經元。

  而在各類細胞中,小膠質細胞的基因表達變化尤其引人注目。它們是大腦中重要的先天免疫細胞,抗生素對微生物群的改變讓小膠質細胞表達更多與未成熟狀態有關的基因。

▲腸道菌群影響大腦的小膠質細胞功能和神經元突觸功能的圖示(圖片來源:參考資料[2])
▲腸道菌群影響大腦的小膠質細胞功能和神經元突觸功能的圖示(圖片來源:參考資料[2])

  那麼,腸道菌群是通過什麼途徑來影響大腦的神經元與小膠質細胞,這篇論文提供了一個答案。

  研究人員在腸道代謝物中鑒定出四種化合物,它們在無菌小鼠體內的含量大大低於對照組,有可能是腸-腦相互作用的分子。

▲在無菌小鼠體內顯著減少的四種微生物代謝產物,這些化合物過去也被認為與神經精神疾病有關(圖片來源:參考資料[1])
▲在無菌小鼠體內顯著減少的四種微生物代謝產物,這些化合物過去也被認為與神經精神疾病有關(圖片來源:參考資料[1])

  總結來看,這篇論文從多個角度驗證了體內微生物群及其代謝產物對神經活動和大腦行為的影響。這些發現還為臨床轉化指出了方向。“幾乎所有的神經精神疾病中都可以看到認知和突觸可塑性的改變。”有專家指出,“這項研究為幫助這些人提供了新的策略,或許可以針對腸道菌群及其代謝產物進行治療。”

  隨著科學家們加深理解我們與體內微生物小夥伴們的關係,期待有更多有效的手段讓有益微生物幫助我們的大腦更健康。

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