一項新的研究表明，腸道微生物組的變化可以直接影響大腦的工作方式，揭示微生物與大腦活動之間的密切聯繫。
相對於所有靈長類動物的身體尺寸，人類的大腦尺寸最大，但科學家們仍然對擁有大大腦的哺乳動物如何進化以滿足生長和維持所需的巨大能量需求知之甚少。
西北大學的研究人員現在提供了第一個直接的實驗證據，證明腸道微生物組有助於塑造靈長類動物之間大腦功能的差異。
“我們的研究表明，微生物作用於與我們對進化的理解相關的特徵，尤其是人類大腦的進化，”生物人類學助理教授、該研究的首席研究員凱蒂·阿馬託說。
以之前的微生物組研究為基礎
這些新發現建立在阿馬托實驗室之前的工作基礎上，該工作表明，來自大腦較大的靈長類動物的腸道微生物在轉移到小鼠體內時會產生更多的代謝能量。這種額外的能量是必要的，因為大腦需要大量的燃料來發育和運作。
在當前的研究中，研究人員更進一步檢查了大腦本身。他們想知道具有不同相對大腦大小的靈長類動物的腸道微生物是否真的可以改變宿主小鼠大腦的工作方式。
將靈長類微生物移植到小鼠體內
為了測試這一點，該團隊進行了嚴格控制的實驗室實驗。他們將兩種大腦靈長類動物（猴子和松鼠）和一種小腦靈長類動物（獼猴）的腸道微生物引入到沒有自身微生物群的小鼠體內。
八週後，研究人員注意到大腦活動的明顯差異。與接受大腦靈長類動物微生物的小鼠相比，接受小腦靈長類動物微生物的小鼠表現出不同的大腦功能模式。
大腦基因和學習途徑的變化
在給老鼠餵食來自較大大腦靈長類動物的微生物後，科學家發現與能量產生和突觸可塑性相關的基因活性更高，突觸可塑性是大腦學習和適應的過程。在接受了來自大腦較小的靈長類動物的微生物的小鼠中，這些相同的通路的活性要低得多。
“非常有趣的是，我們能夠將從宿主小鼠大腦中獲得的數據與來自實際獼猴和人類大腦的數據進行比較，令我們驚訝的是，我們在小鼠大腦基因表達中看到的許多模式與在實際靈長類動物本身中看到的模式相同，”阿馬託說。 “換句話說，我們能夠使小鼠大腦看起來像微生物所來自的實際靈長類動物的大腦。”
與神經發育狀況的聯繫
研究人員還揭示了另一個意想不到的結果。接受來自大腦較小的靈長類動物的微生物的小鼠表現出與多動症、精神分裂症、雙相情感障礙和自閉症相關的基因表達模式。
先前的研究發現自閉症等疾病與腸道微生物組組成差異之間存在關聯。然而，腸道微生物組導致這些疾病的直接證據有限。
阿馬託說：“這項研究提供了進一步的證據，證明微生物組可能會導致這些疾病，特別是腸道微生物組在發育過程中塑造大腦功能。” “根據我們的發現，我們可以推測，如果人類大腦接觸到‘錯誤’的微生物，它的發育就會發生變化，我們就會看到這些疾病的症狀。也就是說，如果你在生命早期沒有接觸到‘正確的’人類微生物組，你的大腦就會發揮不同的功能，這可能會導致這些疾病的症狀。”
對大腦生長和發育的影響
阿馬托認為，這些發現可能具有重要的臨床意義，特別是對於了解某些精神疾病的起源以及通過進化的視角觀察大腦的發育。
“思考跨物種和個體的大腦進化，並檢查我們是否可以觀察橫截面和跨物種模式的差異，發現微生物與大腦相互作用的規則，以及這些規則是否也可以轉化為進化，這是很有趣的。”
這項題為“靈長類腸道微生物群驅動小鼠神經發育的顯著發育變化”的研究於今天發表。 美利堅合眾國國家科學院院刊。
