肠道菌群对大脑发育和行为影响成研究热点
时间:2017-12-07

  肠道菌群对大脑发育和行为的研究热点 - 新闻 - 科学网

  自从丽贝卡·尼克迈尔(Rebecca Knickmeyer)认识了她的最新大脑研究项目的参与者已经一年了,北卡罗莱纳大学教堂山医学院的神经科学家尼克迈尔(Knickmeyer)通过了一系列行为和性格测试,希望看到30名新生儿如何学习爬到认知能力的1岁儿童身上。

  那么,如果一切顺利的话,这些孩子们应该睡觉,当嘈杂的核磁共振成像他们的大脑。我们希望一切都是万无一失的。 Knickmeyer说,如果孩子们想要闯入大门,我们知道该怎么做。

  要转移的情况

  Knickmeyer希望从这些检查中看到一些其他的兴奋点,她也想检查她的排泄物中的微生物菌群,一系列细菌,病毒和其他殖民地肠道微生物。她的项目被亲切地称为“便利研究”,属于神经科学领域研究界中一个小而不断增长的分支。神经科学家希望通过相关研究,了解寄生在婴儿肠道内的微生物是否能够改变大脑发育。

  这项研究启动的时刻至关重要。在无菌条件下,来自培养动物的数据越来越多地表明,肠道微生物可以影响动物行为并改变脑生理学和神经化学特征。

  但是,在人体研究中,相关数据非常有限。研究人员已经建立了胃肠道病理学与精神病性神经疾病如焦虑,抑郁症,自闭症,精神分裂症和神经退行性疾病之间的联系,但是由于缺乏证据,这些联系是不可否认的。

  一般来说,在微生物研究的因果关系研究中还存在很多尚未明确的问题。加州大学圣地亚哥分校的微生物学家罗布·奈特(Rob Knight)说,很难说为什么与这种疾病有关的微生物是疾病的原因,在这方面有许多有趣的问题,例如线索肠道细菌如何影响脑机制才刚刚开始萌芽,没有人知道它在人类发展和健康方面的重要性。

  即便如此,这种情况并没有阻止膳食补充剂行业的一些公司宣称,益生菌(据说是有助于消化系统的细菌)有助于积极的情绪。那些渴望在神经系统疾病中领先一步的人开始在与肠道微生物及其产生的代谢分子有关的领域投入巨资。

  科学家和投资者想要追踪来源并找出问题所在。在过去的两年里,马里兰州精神卫生研究所(NIMH)已经支持了7个微生物肠脑轴试点项目,每个项目的资金都是100万美元。今年,弗吉尼亚州的阿灵顿海军研究办公室同意在未来几年投资5200万美元,支持胃肠在认知功能和压力反应中的作用。与此同时,欧盟花了900万欧元支持一个名为“我的新胃”的五年计划,其中两个主要目标是脑发育和神经紊乱。

  最新的研究旨在超越基础观察和相互关系分析,为揭示复杂问题提供初步结论。研究人员正在揭开一个巨大而复杂的系统的面纱,肠道微生物通过激素,免疫分子和新陈代谢影响大脑。

  目前,各种推理和猜测远远超出有形数据。 Knickmeyer说什么方法是最好的方法?这个问题的答案是开放的,一切都需要探索。

  胃反应

  除了极少数例外,微生物和大脑之间几乎没有联系。这里很少有病例包括病原体穿过血管和大脑的细胞壁,防止感染和脑部发炎的细胞。发生这种情况时,他们经常反应强烈:例如,引起狂犬病的病毒会引起侵略性的,激化的病症,甚至引起水肿。但几十年来,绝大多数人体的大量微生物种类尚未确定,其对神经生物学的影响更难被主流科学界所接受。

  但情况正在发生变化。 2000年,加拿大沃尔克顿(Walkerton)一个城镇的洪水使得该镇的饮用水受到大肠杆菌和空肠弯曲杆菌的污染,约有2,300人患有极其严重的胃肠道感染,许多人直接受慢性肠易激综合征IBS)。

  研究人员在汉密尔顿麦克马斯特大学胃肠病学家史蒂芬·柯林斯(Stephen Collins)的研究中指出,IBS患者抑郁和焦虑的风险较高。麦克马斯特大学(McMaster University)的另一位胃肠病专家Premysl Bercik说,这种相互作用引发了一个更为复杂的问题:这些心理症状是由长期炎症引发的吗?还是由微生物驱动的不平衡引起的感染?

  麦克马斯特队开始寻找老鼠的答案。在2011年的一项研究中,研究小组移植了不同菌株的肠道微生物。研究表明,小鼠在一个菌株中的独特特征是微生物移植和传播。例如,Bercik说,相对比较害羞的老鼠,在更具冒险性的老鼠肠道携带微生物后,最初显示出更多的探索性行为。我认为这是惊人的,肠道微生物确实是在推动着主人的行为,并表现出非常显着的差异。贝奇克说。目前尚未发表的研究也表明,植入IBS患者粪便的小鼠在植入小鼠体内也表现出焦虑行为,相反,将健康小肠中的微生物植入小鼠中没有这样的反应。

  然而,这样的研究结果也引起了人们的怀疑。随着这一领域的发展,奈特表示,微生物学家应该从行为疗法中学习,了解动物的生活条件(如笼中)对其社会地位,压力甚至身体微生物的影响。

  出于这个原因,这些实验导致研究人员开始使用非自然的模型:无论是无菌的或生殖培养的小鼠。在2011年,瑞典斯德哥尔摩Karolinska研究所的免疫学家Sven Pettersson和神经科学家Rochellys Diaz的研究发现,在实验室测试中,无菌小鼠表现出较低的焦虑并且植入正常的肠道细菌的小鼠表现出更多的焦虑。 (专家说,从进化的角度来看,对许多天敌和相对较小的身体来说,并不总是好事。)

  俄勒冈大学的神经学家Judith Eisen已经获得了一项无菌斑马鱼研究的资助,这使得研究人员更容易了解它的大脑发育情况。当然,无菌是一个不自然的环境。艾森说,但它提供了一个机会,了解有机体或某些细胞对特定生物体功能的影响有多大。

  去治疗

  同时,研究人员已经开始揭示肠道细菌如何向大脑发出信号。 Pettersson等科学家已经揭示,在成年小鼠中,微生物代谢影响血脑屏障的生理基础。肠道微生物将合成碳水化合物分解成短链脂肪酸,产生一系列作用:丁酸脂肪酸,例如,通过加强细胞 - 细胞相互作用来增强血脑屏障。此外,最近的研究还显示肠道微生物可以直接改变神经递质水平来影响神经元。

  在本月在伊利诺斯州芝加哥召开的2015年神经学大会上,纽约爱尔兰国立大学神经科学家John Cryan及其同事计划做一份报告,显示髓鞘化的形成,脂肪鞘的形成螯合神经纤维至少在大脑的某些部位会受到肠道微生物的影响。其他研究也表明,不育小鼠也免除了实验诱导的类似多发性硬化症,这种疾病的主要特征之一是神经纤维的脱髓鞘。目前,至少有一家公司,即马萨诸塞州波士顿的Symbiotix Biotherapeutics公司,已经开始研究某些肠道微生物产生的代谢物是否有一天可以用于治疗人类多发性硬化症。

  宾夕法尼亚大学的神经学家特雷西·贝尔(Tracy Bale)怀疑使用这种疗法进行简单的人为干预已经获得批准。三年前,贝尔听说了克劳恩的工作,当时她正在研究胎盘,但她也非常关心微生物如何通过母亲的压力影响她的后代。

  如今,Knickmeyer的胎儿研究项目代表了她所说的不可抵赖的混合样本,在Knickmeyer扫描的区域,杏仁核和前额叶皮层是她最喜欢的区域,在这两个区域,大鼠模型中的肠道微生物都会影响到大脑的区域。把这些数字与其他数十项婴幼儿测试结合起来将是她面临的挑战之一,最大的问题是如何处理这些复杂的因素,她说孩子的饮食,家庭生活和其他环境因素都会影响他们的肠道微生物及其神经发育,因此需要区分各种促成因素。

  现在,有很多答案等着被打开,她说:很多发现经常让我感到惊讶。这个地区是开放的,有点像美国的狂野西部(美国的狂野西部)。 (冯丽飞)

  中国科学通报(2015-10-20第3版国际)

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  自然报告(英文)