微生物，微而不微！肠道菌群可能在掌握着你的行为！| 脑海Yeah
【脑科学科普】专栏
# 脑海Yeah 第20期 #
撰写：李楷 郭梦男
指导老师：倪金飞
复旦大学脑科学转化研究院肠道神经生物学实验室
一直以来人们都认为，我们的行为、决策、还有情绪上的波动，都是由大脑控制，大脑调控生物体的各种行为以应对纷繁复杂的因素，由此构成了动物之间复杂的社会行为。但如果告诉你“肠道微生物”能影响动物的社交行为，你会感到惊讶吗？不同的饮食会影响动物的复杂行为，你会相信吗？胃肠道神经系统也能调控大脑，你会诧异吗？目前，越来越多的证据表明，肠道微生物能够对大脑的生理和行为产生影响，而我们的情感与行为也不再只依赖于大脑，还会听从肠道！那么我们体内的微生物群是如何影响我们的情绪和社交能力呢？
已有多种机制阐述了微生物-肠道-大脑轴（the microbiota-gut-brain axis）是肠道和大脑之间双向信号传递和关联的系统，包括免疫激活、色氨酸的代谢、微生物代谢物和神经代谢物质的生成等[1]。这种肠道与大脑之间的双向交流对机体的健康以及疾病的发生产生了极大的影响[2]，一些动物进化出了与肠道菌群独特的关系（如图1所示），这可能有助于它们与同种动物相互作用[1]。另外，在自闭症与抑郁症模型小鼠中，调节肠道微生物能改善模型小鼠的社交障碍[3-5]，但是我们仍然不清楚微生物是通过何种神经回路调控社交行为的。因此，揭开肠道与大脑交流的神秘面纱，不仅能够为自闭症、抑郁症等疾病的治疗提供更多可能，也能够推动神经科学的发展。
图 1 微生物-肠道-大脑轴和社会行为之间的关系[1]
2021年6月30日，加州理工学院的研究人员在Nature上发表了一篇题为《Microbiota regulate social behaviour via stress response neurons in the brain》的文章（图2）。在此研究中，他们确定了肠道和大脑之间的双向神经元回路，揭示了肠道菌群与社交行为之间的神经关联，证明了肠道微生物通过调控小鼠脑内特定区域应激反应神经元改变小鼠的社会行为。
图 2 论文原文
研究人员发现，小鼠肠道内的微生物种群对小鼠的社交行为至关重要，不论是无菌培育的小鼠（GF mice）还是使用抗生素清除肠道微生物组的小鼠（ABX mice）与无特定病原体小鼠（SPF mice）相比均出现社交行为的下降（如图3 a-d）。进一步，研究人员发现GF小鼠和ABX小鼠下丘脑室旁核（PVN）、终纹床核（BNST）和海马齿状回（DG）脑区中与神经元激活相关的c-FOS表达显著高于SPF小鼠，表明肠道微生物的减少会引起小鼠社交活动后不同脑区神经元的被激活（图3 e-l）。另外，动物社交水平的降低与应激激素皮质酮水平的升高有关，皮质酮主要通过小鼠的下丘脑-垂体-肾上腺轴的激活产生（HPA）。研究人员发现，在社交活动后GF和ABX小鼠中血清皮质酮含量要显著高于SPF小鼠（图3 m-o）。通过将SPF小鼠的肠道菌群移植到GF小鼠中，能够提高GF小鼠的社交活动并降低皮质酮水平，说明肠道微生物的调控作用是可逆的。另外，通过手术干预或药理学手段减少GF与ABX小鼠血清中皮质酮的含量从而也能够改善小鼠社交行为的缺陷，例如肾上腺切除术或者注射皮质酮合成阻断剂MET。除此之外，研究人员通过膈下迷走神经切断术排除了迷走神经在肠道微生物缺失引起的小鼠社交行为损伤中的作用。以上结果表明了肠道微生物对皮质酮水平及小鼠社交行为的调控作用。
图 3 肠道微生物组调节小鼠的社交行为和血清皮质酮水平
有趣的是，在社交活动后ABX小鼠下丘脑中对神经系统具有重要调控作用的Crh（corticotrophin releasing hormone）基因选择性上调（如图 4 a）。研究人员使用化学遗传的手段，通过向Crh-ires-Cre小鼠的PVN中注射表达hM4Di基因的AAV病毒，从而抑制ABX小鼠PVN中的CRH阳性神经元活动，发现不仅能够提高ABX小鼠的社交活动，降低皮质酮的含量，也能够减少了社交活动后下丘脑中c-FOS的表达（图4 c-g）。为了确定PVN中CRH阳性神经元的激活是否可以导致正常小鼠社交损伤，研究人员继续使用化学遗传的手段激活了SPF小鼠PVN中CRH阳性神经元，发现SPF小鼠中皮质酮水平升高、社交活动降低（图4 h-j）。接着，研究人员发现不论将促肾上腺皮质素释放因子（CRF），还是皮质酮（CORT）和地塞米松（DEX）直接注射进入SPF小鼠PVN中均能够导致SPF小鼠社交活动的减少（图4 k-p）。以上结果揭示了肠道微生物通过CRH阳性神经元调节小鼠的社交行为。
图 4 CRH神经元和糖皮质激素受体影响社会行为
在种类繁多的肠道微生物中，到底哪些肠道菌群能够影响小鼠的社交活动？研究人员使用不同组合的抗生素分别处理SPF小鼠，最终发现对新霉素敏感（neomycin-sensitive）的一类肠道微生物调控了小鼠的社交行为与皮质酮水平（如图5 a-e）。接着，研究人员使用细菌测序确定粪肠杆菌（E. faecalis, E.f.）在其中发挥了重要作用（图5 f-g）。为了验证E.f.的作用（图5 h-j），研究人员发现为ABX小鼠灌服E.f.后社交活动显著增加，同时皮质酮水平显著降低，揭示了E.f.在调控小鼠社交活动中发挥了重要作用。
图 5 粪肠球菌可以恢复小鼠的社交缺陷和皮质酮水平
综上，本研究揭示了特定的肠道微生物（如粪肠杆菌）通过抑制HPA轴的激活降低了应激小鼠皮质酮的水平,通过介导大脑应激反应的神经元回路影响小鼠的社交行为。
本研究加强了对肠道与大脑联系的认识，一方面为改善社交能力缺陷的研究提供了重要视角；另一方面也为研究宿主与细菌的关系、肠道微生物产生的分子信号与宿主之间的关系打下了基础。重要的发现总是令人兴奋，但是对未知的探索更加具有魅力。我们仍然不清楚微生物与社会大脑之间的联系是何时出现，以及为何出现？期待未来的研究能够完全揭开“微生物-肠道-大脑轴”的面纱。
参考文献：
[1] SHERWIN E, BORDENSTEIN S R, QUINN J L, et al. Microbiota and the social brain [J]. Science, 2019, 366(6465): eaar2016.
[2] WU W-L, ADAME M D, LIOU C-W, et al. Microbiota regulate social behaviour via stress response neurons in the brain [J]. Nature, 2021 （原文）
[3] BUFFINGTON S A, DI PRISCO G V, AUCHTUNG T A, et al. Microbial Reconstitution Reverses Maternal Diet-Induced Social and Synaptic Deficits in Offspring [J]. Cell, 2016, 165(7): 1762-75.
[4] HSIAO ELAINE Y, MCBRIDE SARA W, HSIEN S, et al. Microbiota Modulate Behavioral and Physiological Abnormalities Associated with Neurodevelopmental Disorders [J]. Cell, 2013, 155(7): 1451-63.
[5] SGRITTA M, DOOLING S W, BUFFINGTON S A, et al. Mechanisms Underlying Microbial-Mediated Changes in Social Behavior in Mouse Models of Autism Spectrum Disorder [J]. Neuron, 2019, 101(2): 246-59.e6.
脑科学转化研究院
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