科研 | 婴儿肠道微生物组与认知发展相关（第四期文献包投票选出的文章）
本文由周宇航编译，董小橙、江舜尧编辑。
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有关啮齿动物的研究已经证实了肠道中定植的微生物会影响神经发育。特别是，改变肠道微生物群会影响探索和交流行为以及认知表现。但是在人类生命的最初几年，肠道定植和大脑发育之间的关系知之甚少。
原名：Infant Gut Microbiome Associated with Cognitive Development
译名：婴儿肠道微生物组与认知发展相关
期刊：Biological Psychiatry
IF：11.982
发表时间：2017年
通信作者：Rebecca C. Knickmeyer
通信作者单位：北卡罗来纳大学教堂山分校精神病学系
实验设计图
1 婴儿微生物群分为三组
基于平均轮廓宽度和Calinksi-Harabasz分数，将婴儿肠道菌群分成三组（图1a），即所有婴儿被分成三组。在这种分组下，每组婴儿肠道菌群的Jensen-Shannon指数都是很高的。此外，三组菌群中丰度较高的菌是不同的。第1组中Faecalibacterium 的丰度较高，第2组中Bacteroides的丰度较高，第3组中Ruminococcaceae 的丰度较高（图1b）。通过图1c我们可以看出每组菌属之间的相关性。
图1
2 预测协变量的识别
样本采集时（1岁），分娩方式，父系种族和喂养方式存在显著差异（表1）。C2组的婴儿在1岁时有更大的可能是通过母乳喂养，并且不太可能通过剖宫产出生。与C3和C1相比，C2中的父系种族白人为90％，C3和C1父系种族为白人分别为71％和57％。此外，家庭中有兄弟姐妹与α多样性增加有关。与白人父系种族相比，具有黑人或亚洲父系种族的婴儿的α多样性增加，而具有美洲原住民父母种族的婴儿的α多样性减少。
表1
3 每组婴儿的认知能力不同
我们的分析主要基于1岁和2岁婴儿的ELC评分。在2岁时发现，三组婴儿认知能力具有显著差异（n = 69）。其中，C2组认知能力最高，C1组认知能力最低（图2a; p值= 0.006）。为了确定婴儿2岁时ELC与特定功能域的差异，我们进行了二次分析，通过马伦早期学习量表（大运动，精细运动，视觉感知，语言表达和语言接受能力）评估这些婴儿的认知能力。结果表明，每组婴儿的接受语言能力和语言表达能力是明显不同的（图2b，q值= 0.005，q值= 0.005）。但是，在婴儿1岁时，不同组别之间没有观察到显著差异（n = 86）。
图2
4 每组婴儿的局部灰质有差异
我们测试了1岁和2岁的婴儿的全部和局部脑容量是否不同（n = 46，n = 27）。在1岁时，右侧枕上回在C2组是最大的，在C3组最小（协变量：剖宫产，父系种族，喂养方式，颅内总体积; q = 0.037）。在2岁时，左右尾状核在C2组是最小的，在C3组最大（协变量：剖宫产，父系种族，喂养方式，总颅内体积; q = 0.001，q = 0.003）。除此之外，在1岁或2岁时，颅内容积，总白质，总灰质，总脑脊液，侧脑室容积或其他90个区域的分割体积没有显著差异。
5 每组婴儿的肠道菌群的宏基因组学
不同组别之间直系同源物和功能类别具有显著差异。由于C2组的认知能力最高，所以本文对C2组的代谢能力更感兴趣。结果在KEGG通路第2个水平发现，C2组中“辅因子和维生素的代谢”能力增加，但是“细胞运动性”能力下降。在这些类别中，参与生物素，硫辛酸，叶酸，泛醌和其他萜类醌代谢的基因增加，而参与细菌趋化性的基因，鞭毛组装，细菌运动蛋白和细胞骨架蛋白减少。
6 菌群α多样性与认知表现相关
本文分析了α多样性的四种测量方法[Chao1 (CH1) ，observed species（OS），Shannon Index（SI）和Faith’Phylogenetic Diversity（FPD）]与ELC的关联性。结果表明，婴儿在2岁时，ELC与CH1、OS、FPD呈显著负相关(图3a；p = 0.013，p = 0.008，p = 0.030 )。1岁时没有观察到两者显著的关联性。此外，语言表达能力与CH1 ( q = 0.002 )、OS ( q = 0.009 )和FPD ( q = 0.016 )呈显著负相关，视觉感知与CH1 ( q = 0.031 )、OS ( q = 0.016 )和SI ( q = 0.038 )呈负相关(图3b)。α多样性的不同占马伦早期学习量表变化的原因的5％至23％。
图 3
7 菌群α多样性与婴儿2岁时的局部灰质体积相关
菌群α多样性与脑容量相关性分析揭示了2岁时的三个区域的重要性（协变量：兄弟姐妹，父系种族，颅内总体积），分别为左侧中央前回（CH1，q = 0.025），左侧杏仁核（OS，q = 0.046），右侧角回（CH1，q = 0.025），均与α多样性呈正相关。但颅内容积，总灰质，总白质，脑脊液总量，侧脑室体积或其他区域体积与α多样性无关。同样，α多样性指标与1岁时脑容量没有显著的关联性。
8 不同组别的菌群α多样性不同
最后，我们测试了不同组婴儿之间菌群α多样性是否不同。结果表明FPD，SI，OS和CH1明显不同，C1组的α多样性最大，C2组最小（图4）。
图 4
9 敏感性分析
本研究通过将组别或个体的菌群α多样性度量作为协变量，来确定每组中婴儿或菌群α多样性对结果的影响是否更大。最值得注意的是，聚类分析的认知结果在CH1，FPD和SI作为协变量时保持显著性，但在OS中没有显著性（OS主要测量丰富度而不是均匀度）。当将组别作为协变量时，2岁时的ELC不再与α多样性显著相关。第二次敏感性分析评估了1岁至2岁时婴儿的马伦早起学习表现的差异。这是使用大运动，精细运动，视觉感知，语言表达和语言接受能力的原始分数（未经年龄调整）完成的。对于语言表达和语言接受能力，1岁至2岁之间不同组别的婴儿具有显著的差异（图5，q = 0.007，q = 0.007）。
图5
总之，本研究证明，1岁时人体肠道的微生物组成可以预测2岁时的认知表现，特别是在交际方面。本研究的结果可能对以认知表现或语言延迟为特征的发育障碍是有帮助的。
该研究通过分析1岁婴儿的肠道菌群，发现其微生物组成与婴儿2岁时认知相关。但本研究作者也承认实验还有一些不足，未来通过更深入的研究或许会将两者的关系分析的更透彻。小编能力不足，文中可能有一些编译的不太好的地方，希望大家指出，一起交流学习。