微生物無處不在，無論是體內(nèi)還是體外。與某一特定部位相關的一系列微生物，可以稱為菌群（microbiota），其所包含的遺傳物質(zhì)稱為微生物組（microbiome）。胃腸道是人體內(nèi)聚集微生物最多的部位。所以不難理解，目前研究最多的人體微生物就是腸道菌群。一般而言，腸道中包括60多個屬類的微生物，其總量甚至超過體細胞。研究認為人類腸道菌群可以影響人類健康的方方面面，其中就包括大腦。

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)腸道與大腦相互作用的幾種不同渠道，例如：合成代謝產(chǎn)物及神經(jīng)遞質(zhì)、迷走神經(jīng)激動、免疫系統(tǒng)的激活。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)人體微生物參與了多種心理過程以及神經(jīng)精神疾病。其中就包括情緒障礙、焦慮癥、神經(jīng)發(fā)育疾病比如孤獨癥和精神分裂癥，甚至是一些神經(jīng)退行性疾病比如阿爾茲海默癥和帕金森病。此外，大部分的精神活性類藥物都可以影響人體菌群。

本文總結了目前人體菌群在大腦健康、年齡相關認知損傷以及神經(jīng)精神疾病中的雙向作用。此外，還將介紹目前研究中常見的的微生物學以及生物信息學技術。本文旨在讓讀者對這個新興的研究領域有所了解。

隨著近幾十年測序技術以及生物信息學的發(fā)展，對于菌群生態(tài)系統(tǒng)復雜組成的研究得以開展，對于該生態(tài)系統(tǒng)的代謝組學以及宏基因組學研究也越來越多。我們對于微生物的理解隨之改變。現(xiàn)在我們不只把其當成致病因素，也更多的了解到其在促進健康當中的作用。腸道菌群包含細菌、真菌、古生菌等唱過60個種屬的微生物。最近研究估算人類腸道菌群平均包括3.0*1013的細菌含量，比人體細胞還要多。在一個70kg的人類體內(nèi)腸道菌群的重量可以達到驚人的0.2kg。在遺傳上，絕大多數(shù)人體中找到的遺傳物質(zhì)或者基因都來源于微生物。本領域中最讓人感到驚訝的進展就是，微生物其實在我們各個器官系統(tǒng)的運作中都有著重要的作用，甚至包括大腦的活動。

本文將回顧我們目前已知的微生物與大腦功能之間的聯(lián)系。首先，我們將討論微生物在健康個體中的發(fā)生發(fā)展以及功能。之后，我們將總結目前研究微生物的主要方法。最后，我們將關注微生物在應激與疾病中起到的作用。其中就包括精神疾病、年齡相關的認知損傷以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病。本文的目的推動更多的關于微生物與大腦功能，尤其是關于精神健康與疾病的研究。人體微生物不僅有著巨大的潛在的精神疾病治療靶點，也是改善健康人群總體健康、心理狀態(tài)、認知功能的可能的靶點。

“健康的”微生物

值得注意的是，我們生活在微生物的世界中。微生物首先出現(xiàn)在這個世界，我們的大腦子從來沒有體驗過一個沒有微生物的世界。在此語境下討論人類作為宿主的問題是很有必要的。雖然科學還原論是一種重要的工具，但是更全面的系統(tǒng)生物學方法使得我們能夠更準確且復雜的理解其中的相互作用。在上述觀念的引領下，一種指代宿主以及其微生物群的新的術語“共生功能體”，正越來越受到關注。通過模糊器官系統(tǒng)之前的界限，“共生功能體”這一概念為理解宿主與微生物之間多水平的相互作用提供了一個實際的概念。

微生物的起源

每個人的微生物的組成都是獨一無二的，甚至在一生之中不得不同階段，微生物的組成都有巨大差異。目前認為人體腸道菌群的形成是從分娩開始的，但也有一些爭議。例如在胎盤和胎糞中檢測到微生物的DNA?？梢源_信的是，新生兒在生產(chǎn)的時候經(jīng)過產(chǎn)道而暴露于母親的陰道菌群之中。而當新生兒是剖腹產(chǎn)時，其接觸的是皮膚菌群而不是陰道菌群。由此，兩種不同生產(chǎn)方式生產(chǎn)的新生兒的菌群組成有著顯著的差異。其他因素，例如早熟、母乳喂養(yǎng)、飼養(yǎng)寵物、父母吸煙、生產(chǎn)年齡、體重以及人種都對人體微生物的發(fā)展產(chǎn)生影響。

吃什么產(chǎn)什么

當嬰兒長大之后，那些早期因素似乎變得不再重要。比方說，到6周大的時候，因順產(chǎn)和剖腹產(chǎn)而產(chǎn)生的微生物差異就已經(jīng)難以察覺。然而，有一個因素從始至終顯著影響著微生物的組成。那就是宿主的飲食。比如說，西方飲食有著高糖分、多動物油、碳水化合物多的特點，而地中海飲食的食物種類豐富、纖維含量高。兩種飲食下的人群有著顯著的菌群差異。雖然有研究基于微生物的組成分離出不同的哺乳動物腸道菌群分類，且稱之為“腸型”（enterotype），但仍有很多爭議且有待改良。對于人體微生物可以分為幾種典型的腸型目前尚有爭議，但有一點共識是從屬的層面分為富含普雷沃菌屬類（Prevotella）和富含擬桿菌屬（bacteroides）。這一差異可能與飲食有關，特別是高纖維飲食與普雷沃菌屬類（Prevotella）相關。這也提示普雷沃菌屬類與分解植物纖維的水解酶的產(chǎn)生有關。而擬桿菌屬（bacteroides）與西方飲食習慣有關。

微生物-腦-腸軸

目前的研究認為腸道菌群能直接與大腦相互影響。這一過程主要通過幾條通路：迷走神經(jīng)激動、免疫系統(tǒng)反應以及菌群產(chǎn)生的神經(jīng)遞質(zhì)（圖一）。盡管具體的作用機制仍不清楚，但微生物與大腦之間的相互作用是顯而易見的。

除了與大腦的功能相關，腸道菌群也被認為與大腦的生理發(fā)育過程有關。例如，在無菌大鼠大腦中發(fā)現(xiàn)前額葉神經(jīng)元髓鞘形成增多。此外，無菌大鼠大腦的杏仁核和海馬的樹突形態(tài)與對照組大鼠有顯著差異。在最近的一項研究中，研究者將發(fā)育較快和發(fā)育較慢的嬰兒的菌群分別移植到無菌大鼠生產(chǎn)的幼鼠身上，其中移植了發(fā)育較快嬰兒菌群的幼鼠有著更快的神經(jīng)元分化速度。此外，移植了發(fā)育較慢嬰兒菌群的幼鼠表現(xiàn)出更多的神經(jīng)炎癥反應。最后，由菌群產(chǎn)生的Pglyrp2分子能穿過血腦屏障且影響無菌大鼠模型的蛋白表達。

不僅僅改變腸道菌群可以影響大腦，也有研究表明大腦也會影響腸道菌群。最近的一系列研究表明某些藥物，特別是有神經(jīng)活性的藥物，可以改變腸道菌群。在此方面證據(jù)最多的是抗精神病藥物。此外，大多數(shù)的抗抑郁藥包括被廣泛使用的SSRI類，也被報道可以影響腸道菌群。此類藥物在體外表現(xiàn)出抑制微生物活性的作用。這些結果提示精神活性藥物可能影響的是整個腦腸軸。同時應激和心理因素對于腦腸軸的影響也同樣是全方位的。然而，目前很難辨別這些影響是腦對腸道菌群的信息傳導通路改變引起的，還是藥物對菌群的直接影響。其他方法和模型比如腦刺激或腦外傷模型也越來越多的被應用到腦腸軸的研究當中。目前腦刺激的研究尚較少，目前只有一篇發(fā)表于2018年的會議發(fā)言提到經(jīng)顱磁刺激通過改變腸道菌群而起到緩解肥胖的作用。在一項腦卒中動物模型的研究中，大鼠盲腸菌群的在腦卒中72h后表現(xiàn)出顯著差異。這一發(fā)現(xiàn)與漢族腦卒中人群中展現(xiàn)出來的腸道菌群組成變化一致。綜上所述，不斷有研究提示大腦對于腸道菌群的影響。而這一切我們目前還知之甚少。

常見的研究方法

近幾年來涌現(xiàn)了大量的技術方法以及動物模型，用以研究腸道菌群以及其與宿主的關系。下文中我們將討論最常見的幾種技術方法。大多數(shù)研究都將大鼠或小鼠作為菌群的宿主。與人體相比，兩種動物都有各自的相似性和獨特性，因此他們是目前最常用的實驗動物模型。然而也有小到果蠅，大到靈長類動物都用來研究人體微生物。隨著我們對于腦腸軸的了解愈來愈多，可以預見會有更多的臨床實驗出現(xiàn)。

菌群消除：無菌動物與抗生素

科學研究與工程學中最常用的研究方法就是消除某一要素然后觀察可能的后果，從而研究其重要性。無菌動物是目前最好也是最實際的消除所有體內(nèi)微生物的動物模型。該方法可將微生物與多種關鍵大腦功能及行為聯(lián)系在一起。然而，盡管無菌動物表現(xiàn)出及其異常的神經(jīng)發(fā)育結果，但明確微生物在其中的作用仍十分困難。此外，如此極端的動物模型也鮮有臨床轉化的價值。

雖然第一眼看上去跟無菌動物模型很想，但抗生素提供了另一種獨特的研究微生物的動物模型?？股啬Ｐ退哂械奶攸c是可以在特定的時間窗清除微生物而不影響其本身的神經(jīng)發(fā)育過程。然而，抗生素可能對實驗動物的健康帶來副作用，有時我們很難區(qū)分抗生素副作用與微生物的作用。此外，許多抗生素可穿透血腦屏障，因此在解釋抗生素動物模型的實驗結果時需要謹慎。

“好利友”：益生元、益生菌、合生元以及益心菌

既然菌群的失調(diào)會對宿主的健康產(chǎn)生負面的影響，研究者在嘗試主動調(diào)節(jié)菌群以改善健康狀況。引入那些有證據(jù)證明或者被認為對人體有益的益生菌是研究宿主與微生物之間關系的一種自然而然產(chǎn)生的方法。但是，我們需要了解可能不單單是某一種微生物有益，而是某一系列微生物在微生態(tài)系統(tǒng)中的作用起到作用。盡管益生菌這個概念越來越得到大眾的關注，但需要指出的是許多商業(yè)化的被包裝成益生菌的微生物產(chǎn)品并沒有經(jīng)過臨床實驗的檢驗，嚴格意義上未達到促進健康的標準。

益生元從更寬泛的方式上改變菌群組成。其主要是通過提供特定的營養(yǎng)物質(zhì)以促進有益菌群的生長。益生元相較于益生菌來說缺乏特異性，因為很難控制那些微生物會利用益生元并且繁殖。越來越多的研究將益生元和益生菌結合起來，發(fā)展為合生元。最后，就是在最近又推出了益心菌的概念，即那些有利于心理健康的微生物干預，尤其是在精神疾病中研究的較多?？偠灾?，這些方法大多可以結合到食物或者飲品當中，從而以非侵入性的方式干預菌群。上述研究提示了益生菌的潛能，但也有陰性結果提示即便是同一種益生菌，其產(chǎn)生的結果可能不盡相同。這提示我們，除了用哪一種益生菌意外還有其他因素在發(fā)揮作用。微生物種群的行為是依賴于其代謝過程、微生物環(huán)境以及宿主環(huán)境的共同作用。

糞便微生物移植（FMT）

將糞便菌群移植作為一種治療方法的概念在西方醫(yī)學中引起了軒然大波。這個過程包括將合適的供體的糞便菌群引入受體的胃腸道中，讓受體的腸道菌群組成更類似于供體。供體本身需要經(jīng)過嚴格的篩選，至少在嚙齒類動物中人們觀察到肥胖以及抑郁是可以通過糞便移植傳遞的。既往研究表明艱難梭菌反復感染的患者在接受糞便移植后其癥狀可得以改善。這提示了一種非侵入性且便宜的治療難治性疾病的方法。此外，糞便移植的方法也在各種不同的疾?。ū热纾耗c易激惹綜合征、脂肪性肝炎、潰瘍性結腸炎甚至是孤獨癥）中得到研究，以及將患者的菌群移植到大鼠體內(nèi)。有趣的是，在將科魚群體中，將年輕供體的糞便微生物移植到老年受體后，受體的生存時間得到延長。

橫斷面研究

目前最廣泛使用的方法就是對比正常人群和疾病人群微生物組成的橫斷面研究。得益于越來越多的研究被發(fā)表，目前出現(xiàn)了很多數(shù)據(jù)庫例如“HumanPanMicrobialCommunitiesDatabase”以及“NIHHumanMicrobiomeProject”。需要注意的是，當試圖整合不同數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)時會遇到很多問題。主要是因為不同數(shù)據(jù)庫之間微生物物質(zhì)的處理和分析過程不盡相同，進而使標本之間難以比較。

微生物數(shù)據(jù)分析

得益于不斷革新的測序方法，生物信息學也相應的快速發(fā)展以面對日益增長的數(shù)據(jù)量。16sRNA基因測序和全基因鳥槍法測序都可以分析微生物的組成和功能（圖2）。需要說明的是，因為這一領域非?；钴S，目前很難建立一套標準的數(shù)據(jù)分析范式。因此，我們建議在報道微生物相關研究時提供詳細的分析方法，以確保實驗的可重復性。

菌群與精神疾病

菌群與應激

應激不僅與HPA軸的激活相關，且與菌群狀態(tài)明確相關。不少研究都提示應激在不同物種當中都能改變宿主的菌群組成，無論是大鼠、小鼠、豚鼠、豬以及靈長類動物。

另一方面，腸道菌群也影響應激反應。Sudo等人發(fā)表的一項影響深遠的研究提示，無菌大鼠在面臨應激事件時HPA軸的興奮程度更高。在引入益生菌后HPA軸的興奮程度回歸正常水平，而引入腸道病原體后HPA軸的興奮異常進一步加重。此外，后續(xù)實驗也在多種動物模型中證實益生菌能改善應激反應。臨床實驗也表現(xiàn)出類似的結果，益生菌能提高對應激的承受能力或者減少應激所致軀體不適以及認知損傷。最后，某些益生元也表現(xiàn)出能緩解應激所致菌群紊亂、生理反應以及行為問題。

注意缺陷多動障礙

既往的研究就提示，飲食習慣是ADHD的發(fā)病誘因之一。也有研究支持通過改善飲食而控制ADHD的癥狀。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，有研究者就提出飲食習慣與ADHD之間的關系是借由腸道菌群產(chǎn)生的。前瞻性研究提示，ADHD患者的腸道菌群組成與健康對照組有顯著差異。也有一項小型前瞻性隨機對照實驗提示圍產(chǎn)期的益生菌干預能降低ADHD的患病風險。

孤獨癥譜系障礙

ASD與胃腸道疾病有著密切的關系，其與不同類型的胃腸道疾病都有著高共病率，且ASD的嚴重程度也與胃腸道不適程度相關。既往有一些研究發(fā)現(xiàn)ASD患者的腸道菌群與健康人群有著顯著區(qū)別。但這些相關性研究并無法說明因果關系，因此基于菌群的治療方法越來越受到關注。最近一項小型的前瞻性實驗證明糞便移植對孤獨癥的療效結果為陽性，而圍產(chǎn)期補充益生菌能降低ASD的患病風險。此外，動物實驗也提示在多種孤獨癥的動物模型中微生物都有著重要的作用。

精神分裂癥

近年來，越來越多的研究開始關注微生物與精神分裂癥的關系。與ASD類似的，精神分裂患者胃腸道疾病發(fā)病率也顯著高于健康人群。這一發(fā)現(xiàn)也許與精神分裂癥的免疫發(fā)病機制相關。而腸道菌群與免疫系統(tǒng)的發(fā)育和功能息息相關，也進一步推測菌群與精神分裂癥相關。一項早前研究提示首發(fā)精神分裂癥患者的腸道菌群組成中，乳桿菌和雙歧桿菌的數(shù)量顯著低與健康對照組。更重要的是，菌群的組成與陰性癥狀的程度相關，與一年后的復發(fā)風險相關，但與抗精神病藥物治療方案無關。此外，也有研究表明精神分裂癥患者口咽部的菌群組成與健康對照有顯著差異。盡管有人提出將益生菌治療作為精神分裂癥的增效治療，但目前只有一項有關的研究發(fā)表。該研究發(fā)現(xiàn)加用益生菌對精神分裂癥的陽性和陰性癥狀緩解并無統(tǒng)計學意義。

雙相情感障礙

有研究者提出腸道菌群介導的免疫活性可能與雙相情感障礙的發(fā)作有關。這一假說的可能來源于對于雙相情感障礙患者近期使用廣譜抗生素的可能性是健康人群的兩倍。也有研究發(fā)現(xiàn)雙相情感障礙患者的腸道菌群組成與健康人群有顯著差異。其中，在厚壁菌門中的兩個不同的屬的差異較為明顯，且與癥狀嚴重程度相關。此外，一項前期研究提出補充益生菌能減少躁狂發(fā)作后出院患者的在住院率。

總結

微生物與腦健康的相互溝通有多種方式。很多時候我們難以分辨其因果關系，是大腦還是胃腸道還是其他系統(tǒng)例如免疫系統(tǒng)的作用？因此，我們建議在研究的時候不要將大腦和微生物群看作兩個獨立的器官，而是看作一個更復雜的生物系統(tǒng)中的一部分。當我們討論健康與疾病的時候不應忽視微生物。上述討論的疾病都伴隨著菌群的組成甚至是穩(wěn)定性的改變。與其關注某一特定種群的作用，觀察其在微生物穩(wěn)態(tài)中起到的作用更有科學意義。近期，菌群的“共位群”（guilds）的概念，即在分類學上不同而在代謝功能上相關的微生物，被研究者們所關注。進一步強調(diào)了飲食在腦腸軸當中的作用，尤其是膳食纖維在維持“共位群”中的作用。飲食干預日漸成為一種可靠而可控的通過菌群微生物改善精神健康的方法。

考慮到微生物與許多疾病相關，將來的研究可能更多的著重揭示背后具體的作用機制。全面的理解腦腸軸在健康與疾病當中的作用，對于預測精神活性藥物療效以及規(guī)避其副反應有著巨大的價值。新的生物信息學技術例如機器學習或建模是一個很有前景的方向。目前仍有許多的挑戰(zhàn)在等待我們，例如如何處理研究復雜菌群環(huán)境時出現(xiàn)的海量數(shù)據(jù)。