腦與能量

在所有靈長類動物中，人類擁有相對于體型而言最大的腦容量。事實上，許多靈長類物種，都進(jìn)化出了相對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)家對于腸道微生物組在靈長類的腦進(jìn)化中所起的作用仍不甚清楚。

為了探究這一問題，一個研究團(tuán)隊將來自三種擁有不同腦大小的靈長類物種的腸道微生物接種到無菌小鼠體內(nèi)。他們的研究結(jié)果首次提供了實證證據(jù)，表明腸道微生物組在塑造不同靈長類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《美國國家科學(xué)院院刊》上。

無菌小鼠的微生物實驗

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類動物的微生物，引入宿主小鼠體內(nèi)時，會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先決條件，因為腦的發(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：來自腦大小不同的靈長類物種的腸道微生物，是否會改變宿主小鼠腦的運(yùn)作方式。

在實驗中，研究人員選擇了三種擁有不同腦尺寸的靈長類物種，分別是相對腦尺寸較大的人類和松鼠猴，以及相對腦尺寸較小的獼猴。他們將這三種靈長類物種的腸道微生物接種到無菌小鼠體內(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)接種了人類和獼猴的腸道微生物的無菌小鼠，其腦中出現(xiàn)的基因表達(dá)差異，竟然與真實的人類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源的靈長類動物的腦特征。

進(jìn)一步的比較揭示了一個更耐人尋味的現(xiàn)象。盡管人類和松鼠猴在進(jìn)化上相距甚遠(yuǎn)，但它們都屬于相對腦尺寸較大的靈長類動物。研究發(fā)現(xiàn)，那些接種了來自這兩個物種的腸道微生物的小鼠，會以非常相似的方式，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，接種了來自人類的腸道微生物的小鼠，其體內(nèi)的與氧化磷酸化過程相關(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，這項研究還發(fā)現(xiàn)，人類的腸道微生物組會下調(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癥（ADHD）、精神分裂癥、雙相障礙以及孤獨(dú)癥相關(guān)的信號特征。

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這些疾病具有因果貢獻(xiàn)的數(shù)據(jù)仍然不足。而這項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，腸道微生物組在發(fā)育過程中塑造了腦的功能。

基于這些發(fā)現(xiàn)，研究人員推測：如果人類的腦在發(fā)育過程中暴露于“錯誤的”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，如果一個人在生命早期沒有接觸到“正確的”人類微生物，那么其腦的運(yùn)作方式就會有所不同。

對臨床的啟示

這項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如何影響腦的生理功能。

研究人員表示，從物種和個體兩個層面來思考腦的發(fā)育是非常關(guān)鍵的。未來，他們希望探究是否能夠通過比較不同物種、不同個體在同一時間點(diǎn)上的差異模式，來發(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體發(fā)育過程。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Annelise Capossela via Northwestern.edu