腦與能量

在所有靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物中，人類(lèi)擁有相對(duì)于體型而言最大的腦容量。事實(shí)上，許多靈長(zhǎng)類(lèi)物種，都進(jìn)化出了相對(duì)于體型而言異常巨大的腦。這些大型的腦與一系列增強(qiáng)腦部能量供給的代謝適應(yīng)共同進(jìn)化，其中包括循環(huán)血液中葡萄糖水平的升高。

盡管過(guò)去已有研究表明，腸道微生物能夠影響宿主的代謝。但科學(xué)家對(duì)于腸道微生物組在靈長(zhǎng)類(lèi)的腦進(jìn)化中所起的作用仍不甚清楚。

為了探究這一問(wèn)題，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)將來(lái)自三種擁有不同腦大小的靈長(zhǎng)類(lèi)物種的腸道微生物接種到無(wú)菌小鼠體內(nèi)。他們的研究結(jié)果首次提供了實(shí)證證據(jù)，表明腸道微生物組在塑造不同靈長(zhǎng)類(lèi)物種之間的腦功能差異中發(fā)揮著直接作用。

研究結(jié)果已發(fā)表于近期的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

無(wú)菌小鼠的微生物實(shí)驗(yàn)

此前，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將擁有較大的腦的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的微生物，引入宿主小鼠體內(nèi)時(shí)，會(huì)在宿主的微生物組中產(chǎn)生更多的代謝能量——而這正是腦變得更大的一個(gè)先決條件，因?yàn)?strong>腦的發(fā)育和運(yùn)作都需要消耗大量能量。

這一次，他們將目光直接投向腦本身，希望探究：來(lái)自腦大小不同的靈長(zhǎng)類(lèi)物種的腸道微生物，是否會(huì)改變宿主小鼠腦的運(yùn)作方式。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員選擇了三種擁有不同腦尺寸的靈長(zhǎng)類(lèi)物種，分別是相對(duì)腦尺寸較大的人類(lèi)和松鼠猴，以及相對(duì)腦尺寸較小的獼猴。他們將這三種靈長(zhǎng)類(lèi)物種的腸道微生物接種到無(wú)菌小鼠體內(nèi)。

在改變了宿主小鼠的微生物組的八周內(nèi)，研究人員觀察到：接種了獼猴的腸道微生物的小鼠，其腦的運(yùn)作方式不同于接種了人類(lèi)和松鼠猴的腸道微生物的小鼠。

首先，他們發(fā)現(xiàn)接種了人類(lèi)和獼猴的腸道微生物的無(wú)菌小鼠，其腦中出現(xiàn)的基因表達(dá)差異，竟然與真實(shí)的人類(lèi)與獼猴的腦差異高度相似。換言之，在某種程度上，研究人員讓這些接種了不同微生物的小鼠的腦，呈現(xiàn)出了這些微生物原本來(lái)源的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的腦特征。

進(jìn)一步的比較揭示了一個(gè)更耐人尋味的現(xiàn)象。盡管人類(lèi)和松鼠猴在進(jìn)化上相距甚遠(yuǎn)，但它們都屬于相對(duì)腦尺寸較大的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物。研究發(fā)現(xiàn)，那些接種了來(lái)自這兩個(gè)物種的腸道微生物的小鼠，會(huì)以非常相似的方式，上調(diào)小鼠腦中與能量產(chǎn)生相關(guān)的基因表達(dá)水平。

而尤為引人注目的是，接種了來(lái)自人類(lèi)的腸道微生物的小鼠，其體內(nèi)的與氧化磷酸化過(guò)程相關(guān)的基因表達(dá)得到了特異性的增強(qiáng)，而這些基因表達(dá)變化與腸道微生物組中和葡萄糖代謝以及糖異生相關(guān)的代謝通路的豐度增加顯著相關(guān)。

腸道微生物與精神疾病

此外，這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)的腸道微生物組會(huì)下調(diào)一些在進(jìn)化上高度保守、并與孤獨(dú)癥等神經(jīng)發(fā)育障礙相關(guān)的基因表達(dá)。而在接種了獼猴的腸道微生物的小鼠中，其基因表達(dá)模式中出現(xiàn)了與注意力缺陷多動(dòng)癥（ADHD）、精神分裂癥、雙相障礙以及孤獨(dú)癥相關(guān)的信號(hào)特征。

此前已有研究顯示，孤獨(dú)癥等疾病與腸道微生物的組成之間存在相關(guān)性，但能夠直接證明腸道微生物對(duì)這些疾病具有因果貢獻(xiàn)的數(shù)據(jù)仍然不足。而這項(xiàng)研究提供了更多證據(jù)，表明微生物可能在因果層面上參與了這些疾病的形成——更具體地說(shuō)，腸道微生物組在發(fā)育過(guò)程中塑造了腦的功能。

基于這些發(fā)現(xiàn)，研究人員推測(cè)：如果人類(lèi)的腦在發(fā)育過(guò)程中暴露于“錯(cuò)誤的”微生物作用之下，那么其發(fā)育軌跡就可能發(fā)生改變，從而出現(xiàn)這些疾病的癥狀。也就是說(shuō)，如果一個(gè)人在生命早期沒(méi)有接觸到“正確的”人類(lèi)微生物，那么其腦的運(yùn)作方式就會(huì)有所不同。

對(duì)臨床的啟示

這項(xiàng)研究在臨床上具有重要啟示意義：它有助于進(jìn)一步探索某些心理疾病的起源，并促使研究人員從進(jìn)化視角重新審視微生物會(huì)如何影響腦的生理功能。

研究人員表示，從物種和個(gè)體兩個(gè)層面來(lái)思考腦的發(fā)育是非常關(guān)鍵的。未來(lái)，他們希望探究是否能夠通過(guò)比較不同物種、不同個(gè)體在同一時(shí)間點(diǎn)上的差異模式，來(lái)發(fā)現(xiàn)微生物與腦相互作用的普遍規(guī)律，以及這些規(guī)律是否同樣適用于個(gè)體發(fā)育過(guò)程。

#參考來(lái)源：

https://news.northwestern.edu/stories/2026/01/microbes-may-hold-the-key-to-brain-evolution?fj=1

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2426232122

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Annelise Capossela via Northwestern.edu