【科普营养】肠道微生物——大脑的“幕后玩家”！

本文由专注营养科普的微信公众平台《极养®视界》公众号：JiYang_Vision授权转载。 撰写｜Yuan Ye MSc 校稿｜Haoran PHD 编审｜Xinyin PHD, RD 编辑｜Mandy Wu 设计｜Fay & Yiki [实习]

引言：

肠道微生物和健康的关系近几年已经成为大家关注的热门话题，相信平台忠实粉丝对它们一定早就不陌生了。但是要说我们大脑的意识和行为都和肠道微生物有关，会不会太夸张了？

文章纲要

• 肠道菌群：大脑的“指挥官”？

• 肠脑轴运行：离开“指挥官”可不行！

• 数据不撒谎：“指挥官”的“小宇宙”很强大！

• “指挥官”的“小宇宙”何以拥有如此威力？

• 极养君点评

1 肠道菌群： 大脑的“指挥官”？ “肠道微生物控制宿主大脑”的这个说法到底从何而来，我们先来看看一个刊登在《Cell》杂志上的实例：肠道沙门氏菌亚种-伤寒杆菌通过迷走神经控制疾病引起的厌食反应，而变异后的此菌种则有相反的效果[1]。这一实例完美地体现了肠道菌对于大脑的调控作用。所以，尊称肠道菌为“指挥官”是不是顺理成章呢？另外，这种情况是否适用于其他菌群和非疾病条件呢？ 2 肠脑轴运行： 离开“指挥官”可不行！ 合理的营养和生活习惯有助于肠道内共生菌的生长繁殖；与此同时，这些肠道菌也会为人体提供易吸收的营养物质，并构建保护性生物膜以防止病原微生物侵入肠道。近年来， 越来越多的证据显示：人类与肠道菌的共生关系除了具有上述这些益处之外，还对人类的心理（精神）健康有着不可小觑的作用。换言之，近年来关于微生物组的功能和重要性的知识已经将肠-脑轴（Gut-Brain Axis）的概念扩展到“肠道菌群-肠-脑轴（Microbiota–Gut–Brain Axis）” （如下图）， 从而突出肠道菌在调控肠-脑通讯中的重要性。 那么， 在深挖肠道菌群如何影响大脑之前， 我们需要对神经系统有个基本的了解。 中枢神经系统（CNS）、肠神经系统（ENS）、自主神经系统的交感神经和副交感神经分支，以及神经内分泌和神经免疫途径都有参与肠道菌和大脑的交流过程，可见这背后的机制也是复杂多样的。我们先来看看各个主要组成部分及其作用： CNS有调节肠道分泌、感知和蠕动性的作用； ENS能够独立于脊髓和大脑而支配整个胃肠道壁，也能接受迷走神经和脊柱及骶骨的信号； 迷走神经是肠道和大脑间交流的重要通道[2]； 下丘脑-垂体-肾上腺（hypothalamic–pituitary–adrenal/HPA）轴能调节人体对压力的反应，也参与肠道和大脑的对话。它的活动由整个前脑和脑干的神经活动控制，除了参与肠脑对话，还会影响人体消化、免疫系统、情绪、性行为和能量的储备及输出； 由于免疫系统和神经系统在解剖角度和机制角度都有紧密的联系，肠道和大脑的对话的方式之一很有可能是通过调节免疫系统来实现的。 不言而喻，肠道菌当然是肠道-大脑轴的主角之一啦。已有研究发现： 肠道菌对调节小胶质细胞的成熟和功能至关重要，小胶质细胞的不良损伤也能通过微生物得到改善；无菌鼠的社交和意识行为出现缺陷，有焦虑以及小胶质细胞激活和脑源性神经营养因子表达减少的现象。 肠道菌还被发现参与帕金森综合征患者的神经和肠道系统的病理机制。 既然肠道菌和神经系统这么息息相关， 我们来看看他们是否真的有“操控大脑”的本事。 （图片来自：微信公众平台公共图片库） 3 数据不撒谎： “指挥官“的”小宇宙“很强大！ 上文谈及“指挥官”的能力，似乎“深不可测”，那么在现实中，都有哪些体现呢？ 首先情绪行为异常的人（如抑郁症患者）的肠道菌群就和健康人就不一样，他们的革兰氏阳性菌和阴性菌数量会发生变化，像乳链球菌、巨型乳杆菌、梭菌会增加，而普氏菌、粪肠球菌和拟杆菌均有减少。父母压力、早期生活压力和心理压力也被证实会影响肠道菌组成。 既然情绪行为和肠道菌群的异常是同步的，那么改变肠道菌群能扭转我们情绪行为的异常吗？其实，有益肠道菌改善我们大脑情绪以及意识的例子已在动物和人类实验中被发现： 4 “指挥官”的“小宇宙” 何以拥有如此威力？ 肠道菌群是通过什么机制影响我们的情智的呢，已经有一些实验证据为这个问题提供了很多支持性答案。 ① 迷走神经｜ 被多次点名的迷走神经很难不成为肠道菌的信息传递途径了。肠道菌发出的信息经过迷走神经传入大脑，在孤束核、前额叶皮层和易受微生物转录调节的杏仁核进行信息处理。 ② 免疫系统｜ 肠道菌和免疫系统通过释放免疫调节剂和/或细胞因子而相互影响，对宿主具有潜在的全身作用。 ③ 胆汁酸｜ 胆汁酸能激活原发性传入神经元上的G蛋白偶联受体，进而对宿主和微生物群产生影响。不同的胆汁酸对微生物生长调节作用不同。 ④ 肠道菌代谢物｜ 肠道菌产出的短链脂肪酸也是能帮助肠脑对话的神经活性物质。其他作物神经递质的代谢产物还有很多种，如肠道中的嗜乳酸杆菌和双歧杆菌能合成产出神经活性物质GABA ，等等（如下表）。 ⑤ 细菌群体效应｜ 不仅是肠内通信的途径，也能和宿主的活性因子互相作用。例如大肠杆菌能感应去甲肾上腺素的信号，并对自己菌群的生长速度、生物膜形成的机制做出调整，同时去甲肾上腺素也能调节肠出血性大肠杆菌群和空肠弯曲杆菌的毒力。由于同一神经递质对不同微生物有不同影响，肠道菌能通过这种群体反应和大脑产生的神经递质产生互相影响的作用。 所以总的来说肠道作为“大脑指挥官”和大脑交流的“手段”还是挺多的，神经系统、免疫系统、肠道代谢物和其他神经活性物质都被它们充分利用（如下图）。而这其中具体的机制有待进一步研究的阐明。 极养君点评 肠道菌在“肠-脑交流”中发挥着重要作用，也是肠道菌-肠道-大脑轴的主角之一。 在小鼠实验中，无菌小鼠的焦虑行为和应激反应可通过补充益生菌或移植正常小鼠的粪便来缓解，肠道菌代谢物中的短链脂肪酸还能促进神经元的可塑性和记忆的形成。 在临床试验中， 补充益生菌能改善重度抑郁症状和阿兹海默症患者的认知能力， 降低过度的应激反应并提高意识和注意力。 肠道菌“指挥”大脑的机制可通过神经系统、免疫系统、肠道菌代谢物及其他神经递质多种途径实现。 肠道菌影响宿主行为这一理论目前还只建立在初步的研究结果上，具体机制有待阐明。肠脑交流的机制一旦被核实，调节肠道菌很可能成为改善人们心理健康、帮助阿兹海默症患者维持意识和记忆的新方案。

参考文献

[1] Rao, S., Schieber, A. M. P., O’Connor, C. P., Leblanc, M., Michel, D., & Ayres, J. S. (2017). Pathogen-mediated inhibition of anorexia promotes host survival and transmission. Cell, 168(3), 503-516.

[2] Mohajeri, M. H., La Fata, G., Steinert, R. E., & Weber, P. (2018). Relationship between the gut microbiome and brain function. Nutrition Reviews, 76(7), 481-496.

[3] Bravo, J. A., Forsythe, P., Chew, M. V., Escaravage, E., Savignac, H. M., Dinan, T. G., ... & Cryan, J. F. (2011). Ingestion of Lactobacillus strain regulates emotional behavior and central GABA receptor expression in a mouse via the vagus nerve. Proceedings of the National Academy of Sciences, 108(38), 16050-16055.

[4] Sudo, N., Chida, Y., Aiba, Y., Sonoda, J., Oyama, N., Yu, X. N., ... & Koga, Y. (2004). Postnatal microbial colonization programs the hypothalamic–pituitary–adrenal system for stress response in mice. The Journal of physiology, 558(1), 263-275.

[5] Mohammadi, A. A., Jazayeri, S., Khosravi-Darani, K., Solati, Z., Mohammadpour, N., Asemi, Z., ... & Eghtesadi, S. (2016). The effects of probiotics on mental health and hypothalamic–pituitary–adrenal axis: A randomized, double-blind, placebo-controlled trial in petrochemical workers. Nutritional neuroscience, 19(9), 387-395.

[6] Akkasheh, G., Kashani-Poor, Z., Tajabadi-Ebrahimi, M., Jafari, P., Akbari, H., Taghizadeh, M., ... & Esmaillzadeh, A. (2016). Clinical and metabolic response to probiotic administration in patients with major depressive disorder: a randomized, double-blind, placebo-controlled trial. Nutrition, 32(3), 315-320.

[7] M. G., Jury, J., MacQueen, G., Sherman, P. M., & Perdue, M. H. (2007). Probiotic treatment of rat pups normalises corticosterone release and ameliorates colonic dysfunction induced by maternal separation. Gut, 56(11), 1522-1528.

[8] Allen, A. P., Hutch, W., Borre, Y. E., Kennedy, P. J., Temko, A., Boylan, G., ... & Clarke, G. (2016). Bifidobacterium longum 1714 as a translational psychobiotic: modulation of stress, electrophysiology and neurocognition in healthy volunteers. Translational psychiatry, 6(11), e939.

[9] Schmidt, K., Cowen, P. J., Harmer, C. J., Tzortzis, G., Errington, S., & Burnet, P. W. (2015). Prebiotic intake reduces the waking cortisol response and alters emotional bias in healthy volunteers. Psychopharmacology, 232(10), 1793-1801.

[10] J. M., O'Riordan, K. J., Brown, K. D., Trinh, M. A., Molfese, D. L., & Sweatt, J. D. (2004). Regulation of histone acetylation during memory formation in the hippocampus. Journal of Biological Chemistry, 279(39), 40545-40559.

[11] Sampson, T. R., & Mazmanian, S. K. (2015). Control of brain development, function, and behavior by the microbiome. Cell host & microbe, 17(5), 565-576.

[12] Chung, Y. C., Jin, H. M., Cui, Y., Kim, D. S., Jung, J. M., Park, J. I., ... & Chae, S. W. (2014). Fermented milk of Lactobacillus helveticus IDCC3801 improves cognitive functioning during cognitive fatigue tests in healthy older adults. Journal of Functional Foods, 10, 465-474.

[13] Akbari, E., Asemi, Z., Daneshvar Kakhaki, R., Bahmani, F., Kouchaki, E., Tamtaji, O. R., ... & Salami, M. (2016). Effect of probiotic supplementation on cognitive function and metabolic status in Alzheimer's disease: a randomized, double-blind and controlled trial. Frontiers in aging neuroscience, 8, 256.

《中国临床营养网》编辑部

本站动态栏：

截止到 2024 年 5 月 18 号上午 8:00 时，本平台关注人数为：372659 名。更多信息点击左下角 阅读原文 查看。