肠道菌群"安抚"你的惶恐不安? 有更新!

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今天,我们特别编译了刊登在 _Quanta _上关于微生物与恐惧的文章,文章重点介绍了中国学者朱可可博士等人发表在 Nature 杂志上的研究。

编者按:

脑-肠轴的概念或许在大众眼中是一类“异端邪说”,人们难以想象肠道菌群失调会引发诸多的心理疾病,这些我们看不见摸不着的共生者,怎么会对大脑产生影响呢?

然而,许多科学研究对脑-肠轴的作出了强有力的肯定,我们在之前的《BBC 肠道八问》系列第3问“脑病可以肠治?”中就已介绍过肠道菌群与精神健康的联系。BBC 肠道八问 (3-4) : 脑病肠治?菌群决定你的胖瘦?

那么恐惧呢?你能想象微生物或许与恐惧的消除相关吗?

或许未来,我们真的能够利用肠道微生物治愈创伤后应激障碍等疾病。

以下是全文的编译:

核心挑战:脑肠轴机制

我们的大脑与肠道物理间隔似乎很远,但是近年,研究已经强烈表明,聚集在我们消化道的大量微生物,成为了大脑与肠道间的沟通媒介。目前,已经证实肠道微生物组会影响认知和情绪,精神疾病状态,甚至是信息处理过程。但是它们是如何做到这一点的却一直是个谜。

直到最近,大多数大脑-肠道关系的研究都只显示出肠道菌群状态与大脑活动存在关联。来自科罗拉多大学博尔德分校的综合生理学助理教授 Christopher Lowry 表示:“挖掘这些与大脑相互作用的这些机制是微生物组研究的一个核心挑战。”

几年前,在精神病学家、微生物学家、免疫学家和其它领域科学家的帮助下,威尔康奈尔医学院的博士后研究员朱可可开始对这些反应机制进行深入细致的研究。她被“栖息在我们体内的微生物可能会影响我们的感觉和行为”这一观点深深吸引。

2019 年 10 月 23 日,她作为第一作者在 Nature 杂志发表了关于微生物如何调节神经元消除恐惧的文章。整个研究由美国康奈尔大学 David Artis 与 Conor Liston 团队合作主导。

该研究观察到微生物组受损的老鼠具有恐惧消退学习缺陷,通过测序发现,相关的重要脑区内的多种细胞在基因表达上均存在差异。同时,团队准确地找到了在出生后一个短暂的时间窗口,此时恢复微生物组仍然能预防成年后一些行为缺陷。

另外,研究人员还追踪到或许有助于解释这些变化的 4 种特殊化合物。

尽管现在就考虑如何利用微生物组治疗脑部相关疾病还为时尚早,但是这些实实在在的研究结果夯实了这两个系统密切关联的理论。

以下是热心肠日报关于该文章的报道和第一作者的专访:《自然》:学会忘记恐惧,需要肠道菌群帮忙(附一作采访)| 热心肠日报

Nature长文揭示:肠道菌群如何帮小鼠忘记恐惧

[IF:43.07]

Nature

① 抗生素处理(ABX)和无菌的成年小鼠有恐惧消退学习缺陷;② 单细胞测序发现,相关的关键脑区内,兴奋性神经元和胶质细胞等多种细胞的基因表达改变;③ 双光子活体成像发现,消退学习过程中 ABX 小鼠的突触后树突棘重构受损,或与小胶质细胞不成熟有关,同时相关神经活动减弱;④ 给新生无菌小鼠定植多样化的菌群可恢复消退学习能力;⑤ 菌群可能通过特定代谢物(而非迷走神经)影响消退学习,无菌小鼠中与神经精神疾病有关的 4 种代谢物显著降低。

The microbiota regulate neuronal function and fear extinction learning
2019-10-23, doi: 10.1038/s41586-019-1644-y

【主编评语】肠道菌群参与调节大脑发育和功能,甚至影响个体行为和神经精神疾病,但相关机制仍需深入研究。Nature刚刚发表了由美国康奈尔大学 David Artis 与 Conor Liston 团队合作主导、朱可可博士为第一作者的长文研究,表明小鼠的恐惧消退学习(不再对特定事物产生恐惧的联想性学习)需要幼年神经发育阶段和成年期的肠道菌群信号。该研究通过单细胞RNA测序和双光子成像等方法,揭示了缺乏复杂菌群造成的神经细胞功能和突触可塑性缺陷,并通过代谢组分析鉴定出 4 种菌群相关代谢物(硫酸吲哚酚+ 3 种酚类化合物),可能介导了菌群对小鼠神经发育和功能的作用。这些发现对菌群-肠-脑轴的机制研究有重要意义,有助于进一步理解饮食、感染和生活方式等因素对大脑健康和神经精神疾病的影响。(@mildbreeze)

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肠道菌群与恐惧消除

在该研究中,用于实验的部分小鼠通过抗生素来大量削减其体内微生物组,部分小鼠被隔离饲养确保它们无菌。然后,研究人员对所有小鼠进行了经典的行为学训练,小鼠们都很好地“学”会了害怕电击前的某种声音。

当研究人员停掉电击后,普通小鼠逐渐地不再对这种声音恐惧。但是在微生物组缺失的小鼠或无菌小鼠中,这种恐惧仍然存在,与对照组小鼠相比在听到这种声音后它们的身体更有可能持续僵硬。

检查处理恐惧反应的大脑前端区域的内侧前额叶皮质(medial prefrontal cortex, mPFC)后,研究人员在微生物组贫瘠的小鼠中注意到一些明显区别:一些基因表达相对降低;一种神经胶质细胞完全没有正常发育;与学习相关的神经元树突棘生长较少;有一种细胞的神经活性降低。

这暗示着缺乏正常微生物组的小鼠似乎无法学会消除恐惧,而且研究人员从细胞水平上就能观察到这一点。

研究人员开始研究肠道微生物组的状态是如何造成这些变化的。一种可能性是微生物会通过长的迷走神经给大脑发送信号,将消化道中的感受传递到脑干。但是,剪断迷走神经后,小鼠的表现并没有发生变化。

另一种可能是微生物组激活了能影响大脑的免疫系统,但是所有小鼠的免疫细胞数量和比例都差不多。

虽然没有找到明确的机制,但是,研究人员的确鉴定出了四种能影响神经反应的代谢化合物,这些化合物在微生物组受损小鼠的血浆、脑脊液和粪便样本中含量稀少。其中一些化合物已被证实与人体神经系统疾病相关。

根据本研究的通讯作者微生物学家 David Artis(威尔康奈尔医学吉尔·罗伯茨研究所所长)的猜测, 或许是因为微生物会大量地产生某些物质,而部分物质会进入大脑区域。

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靠近大脑前部的 mPFC 在恐惧反应的消退或“试图忘记”中具有重要作用,在这个片区域的显微照片中,神经元为绿色、微型胶质细胞为红色。研究人员在微生物组缺失的小鼠中发现这些细胞会出现畸形。

微生物组:“黑箱”之谜

Melanie Gareau(加州大学戴维斯分校的解剖学、生理学和细胞生物学助理教授)表示,在许多实验室中,人们对追踪参与神经系统信号传递的特定细菌产物越来越感兴趣。在这些过程中可能会涉及到多种代谢产物和信号通路。

加州大学洛杉矶分校(UCLA)研究压力与恢复神经生物学的 G.奥本海默中心主任兼医学教授 Emeran Mayer 表示,其它疾病如抑郁症,也发现微生物分泌的一些特定化合物会参与其中,但是在哪些微生物会引发何种失调上仍然没有形成共识。

他认为尽管肠道菌群在很多有脑部疾病的人中发生了明显的改变,但通常并不清楚这种改变是因还是果。微生物组的差异或许会引起神经问题,但也有可能是这些疾病改变了微生物组。

该领域的争论不仅是关于失调微生物组会引发何种后果,也有关于健康微生物组的。Lowry 表示“长久以来,我们一直在专注于这种想法即我们可以甄别出特定种类的细菌,它们有引发应激相关障碍的风险或有使应激相关障碍恢复的能力,也可能不是某一种特定的微生物。”

但是,即使在健康人群中,微生物组也变化多端。如果一个微生物组多样性足够高,某些种类的微生物也许无关重要,就像在繁茂的森林中有种类非常多的树木,那么,某一单独类型的树木可有可无。

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微生物对神经系统影响的研究仍是一个新兴的领域,关于究竟是何种影响仍然有诸多不确定性。之前,关于微生物组的改变是否有助于动物忘记恐惧反应的实验结论存有不一致或矛盾。

朱可可和其同事研究结果的额外意义在于对他们观察到引发某一行为的一种特定机制提供了证据。

UCLA 大卫·格芬医学院的医学教授 Kirsten Tillisch 表示,即使动物研究无法提出用于人体的治疗方式,但在进一步阐明神经系统和微生物组的关系上像这种研究还是相当有用的。

她解释道:“人类大脑处理情感、身体感受和认知的方式与动物非常不同,这就使得动物实验结果很难应用于人类。”

理论上,某些微生物产物的存在或许有助于预测哪类人群最容易受到像创伤后应激障碍疾病(PTSD)的影响。类似的研究甚至可以确定大脑和微生物组之间可以用来治疗的信号通路。Mayer 说道:“这是对这些动物实验一直抱有的最大期望,并且我们离干预手段越来越近了。”

这些研究通过严谨的设计总能获得令人赞叹的结果,但是人类大脑的活动无法完全在小鼠中体现。此外,大脑和肠道菌群的互作在人体和小鼠中也有区别,饮食的区别进一步造成了两者在微生物组上的差异。

生命早期至关重要

Mayer 表示对人类而言,针对微生物组的干预措施或许在婴儿和童年期最为有效,那时候微生物组仍然在发育,并且早期的认知学习是发生在大脑部位的。

在这项新的研究中,科学家们发现了小鼠婴儿期时的一个特定时间窗口,此时小鼠需要建立一个在它们长大后用来消除恐惧的典型微生物组。

出生后前 3 周完全与微生物隔离的小鼠与具有典型微生物组的小鼠混养,无菌小鼠会获得其它小鼠的微生物组并且能进一步建立丰富的微生物组,但是当它们长大后进行了相同的恐惧忘却实验,它们仍然会显示出缺陷来。虽然只有几周大,但是它们已经太“老”,错过了正常学习消除恐惧的时机。

不过,如果将新生小鼠与它们的养父母放在一起后,它们的微生物组获得了恢复,而且这些幼鼠长大后行为表现正常。

Tillisch 解释,出生后的最初几周,微生物组似乎很重要——了解了这一点自然地会产生更为深入的想法,即控制恐惧敏感性的回路在生命早期是易受影响的。

Artis 表示从进化角度上看,研究人员测试的这种恐惧消除反应是一种基本技能是一种基本技能。知道什么会令自己恐惧,并且在它不再产生威胁后作出调整对于生存来说至关重要。无法消除恐惧也会在 PTSD 中表现出来,还与其它脑部病变相关。

因此,进一步深化关于上述机制的科学研究,可以阐明人类的核心行为,并为潜在疗法铺平道路。

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从进化尺度上看,随着越来越多的人搬到城市生活,人体微生物组也开始改变,脑部疾病问题也变得越来越突出。Lowry 谈道生活在我们体内的微生物群会随着我们人类一起进化,理解它们如何影响生理和心理健康对我们来说非常重要。

环境可能会通过微生物组影响神经系统,这为研究脑部疾病与健康增添了一层新的面纱。

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