微生物群-大脑相互作用：研究模式生物的机制

编译：微科盟小木，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

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导读  

       微生物群的变化与神经系统结构-功能和行为的改变有关，并与神经精神疾病和神经退行性疾病的病因有关。这些研究大多集中在哺乳动物模型，因为它们与人类的系统发育接近。事实上，无菌小鼠已经成为研究微生物群-大脑相互作用实用的生物模型。然而，使用广泛多样的科学工具对更简单的遗传模式生物(斑马鱼、黑腹果蝇和秀丽隐杆线虫)进行微生物-大脑轴研究已进入成熟期。本文综述了微生物群-大脑轴在啮齿类动物和人类中的研究现状，并对近年来在鱼类、蝇类和蠕虫模型系统中微生物群-大脑轴的神经生物学和行为学效应进行了阐述和讨论。本文提出采用跨物种、整体和机械的方法来揭示微生物群与大脑间的通信，这是朝着基于微生物群的合理疗法对抗脑部疾病迈出的重要一步。

论文ID

原名：Microbiota-brain interactions: Moving toward mechanisms in model organisms

译名：微生物群-大脑相互作用：研究模式生物的机制

期刊：Neuron

IF：17.173

发表时间：2021.10.14

通讯作者：John F. Cryan

通讯作者单位：爱尔兰科克大学，爱尔兰APC微生物组研究所

DOI号：10.1016/j.neuron.2021.09.036

综述目录

1 前言

2 微生物-肠-脑轴:通信途径

3 微生物-肠-脑轴:哺乳动物

    3.1 微生物群和大脑:与精神病学相关的啮齿类动物模型

3.1.1   抑郁和焦虑   3.1.2 ASD   3.1.3 早期神经发育  

    3.2 微生物群和大脑:与神经学相关的啮齿类动物模型

    3.3 微生物群和大脑:人类研究

4 斑马鱼:作为微生物-大脑通信的模式生物

    4.1 微生物调控对斑马鱼大脑和行为的影响

5 果蝇(D. melanogaster):作为微生物-大脑通信的模式生物

    5.1 微生物群调控对果蝇大脑和行为的影响  

6 线虫(C. elegans):作为微生物群-大脑通信的模式生物

    6.1 微生物群调控对线虫大脑和行为的影响  

7 推进模式生物:关注社会和压力相关行为

    7.1 社会行为和微生物群       7.2 压力和微生物       7.3 承诺和说明  

8 展望

主要内容

1 前言

       鉴于我们的身体与数万亿的微生物(细菌、古菌、病毒和真菌)共存，是什么构成了有机体实体并驱动其生理和行为输出？我们是微生物、人类细胞和基因的共生总体。令人惊讶的是，我们体内的微生物细胞与人类细胞一样多，甚至更多，人体体内99%的基因都是微生物，微生物组包含超过1000万个基因。

       过去和现在所有的后生动物都与微生物共存并共同进化；事实上，我们生活在一个微生物的世界，微生物早在人类细胞出现之前就存在了。有了如此强烈和长期的关联，宿主的生理机能可以并且受到微生物群的强烈调节这一事实就不足为奇了，肠道微生物群在很大程度上调节着宿主的免疫和新陈代谢。最令人惊讶的是微生物群在很大程度上塑造了神经系统的结构和功能。事实上，简单的肠道细菌可以影响“复杂”而遥远的器官(如大脑)，这一事实已经成为神经科学和生物医学的一个整体范式转变。在过去的二十年里，微生物群-宿主相互作用这一领域的研究激增，共生细菌已被证明可以改变宿主的神经生理，导致情绪和行为的变化，如抑郁、焦虑和社会行为的紊乱。这类研究的大部分是在啮齿类动物模型中进行的，最近在人类实验对象中进行的试验受到了测序、生物信息学和非生物技术的重大进展的推动。然而，许多相关的机制仍然没有得到充分的理解。

       开发基于微生物的合理疗法以应对神经疾病的挑战，需要全面了解微生物影响宿主神经系统的机制，以及控制宿主微生物群组装的过程。虽然啮齿类动物的研究接近于人类相关生物学，但传统的遗传模型系统(斑马鱼、黑腹果蝇和秀丽隐杆线虫)拥有独特的神经遗传学研究工具，并拥有简单的微生物群和丰富的行为库，为啮齿类动物提供了理想的补充，以实现微生物群-脑科学机制的真正潜力。这些简单模型与啮齿类和人类研究之间的协同作用可以提供急需的可处理性和转化性，推动该领域向前发展(图1)。在本篇综述中，我们首先讨论了微生物-肠-脑轴通信的途径，以及从最近的啮齿动物和人类研究文献中提炼的一般原则，然后再详细阐述了斑马鱼、果蝇和蠕虫神经系统微生物调节的研究。

 图1 人类和秀丽隐杆线虫、黑腹果蝇、斑马鱼以及老鼠模型系统中的微生物-肠-脑信号。

  2 微生物-肠-脑轴: 通信途径

       虽然在消化功能和饱腹感方面的肠-脑相互作用早已为人所知，但在过去的20年里，研究越来越多地将微生物群的各个方面纳入肠-脑轴，并关注这种通信的认知和心理影响。肠道微生物群利用多种通信渠道来影响大脑和行为。这些途径中最突出的包括迷走神经激活、微生物来源循环代谢物的产生、免疫途径的刺激、肠道内分泌细胞(EECs)的刺激和肠神经系统信号传导以及肠道内神经递质的产生。每一个信号通路都是最近综述的焦点，涵盖了许多关于肠道微生物和神经系统之间动态分子相互作用的最新发现，尽管有些还有待广泛验证。在接下来的部分中，我们重点介绍了在不同模型系统中阐明微生物群-肠-脑通信环境中这些不同路径的代表性研究。过去几年特别强调发现和阐明微生物产生和/或诱导的代谢物在将微生物信号传递到大脑中的作用(图2)：短链脂肪酸(SCFAs)、氨基酸衍生物(儿茶酚胺和其他吲哚衍生物以及对甲酚)、次级胆汁酸。由于目前该领域的研究主要集中在肠道代谢组与神经系统状况的相关研究，因此微生物代谢产物的治疗转化还需要更多的研究来关注这些分子对脑细胞、大脑活动和行为的影响。生物活性微生物代谢产物对宿主生理的调节作用的一个重要靶点是G蛋白偶联受体(GPCRs)，包括许多孤儿GPCRs。由人类微生物群产生的代谢物已被证明可作为GPCRs的激动剂。SCFAs主要由宿主难消化纤维的肠道微生物发酵产生，对肠-脑通讯具有广泛影响，被证明可以激活孤儿GPCRs GPR41和GPR43。摩氏摩根菌(Morganella morganii)共生上清可同时激活多巴胺和组胺受体，而来自两个罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)菌株的共生上清激活了组胺受体。细菌产生的芳香族胺，如色胺和酪胺，分别能使5-羟色胺能和多巴胺能GPCRs痛苦。从肠道共生菌植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)和瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)培养物中分离出来的烟酸是羟基羧酸受体GPR109A的配体，该受体在帕金森病(PD)患者的黑质中被发现显著上调。展望未来，微生物代谢组筛选将成为鉴定对宿主生理有影响的肠道共生微生物以及去孤儿化GPCRs的重要工具。

图2 与不同模型物种相关的肠道微生物群以及在微生物群与大脑之间传递信息的各种微生物代谢物。在致病和共生环境中微生物产生的代谢物已被证明可调节大脑功能，行为和生活史特征。

  3 微生物-肠-脑轴: 哺乳动物

       啮齿类动物作为生物模型的使用已经改变了我们对人类神经系统在健康和疾病方面的认识。具体来说，啮齿类动物模型模拟了一些神经行为障碍的潜在遗传因素或表型结果，为这些疾病的病因学提供了宝贵的见解。从微生物对宿主的引导作用的角度来看，无菌(GF)小鼠为微生物在肠道-大脑通信中的作用提供了一些令人信服的证据。GF小鼠的主要研究结果表明，微生物群对适当的应激反应、焦虑样行为以及社会行为至关重要。GF小鼠还提供了一个干净的背景，可以从多种宿主背景以及宿主发育的不同阶段引入特定的细菌，从而可以彻底检查微生物驱动的疾病结果和宿主-微生物群发育的关键窗口。最后，通过GF啮齿类动物的粪便微生物群移植(FMT)来转移与疾病相关的肠道微生物群，以及随后的表型分析也被广泛用于暗示因果关系。此外，啮齿类动物的微生物群虽然不同，但在传统的模型系统中其与人类的微生物群最相似，这使它们成为转化研究的理想对象。

       肠道微生物群失调已被证明会影响神经生理和行为的各个方面。受肠道微生物群状态影响的过程包括神经发生、突触可塑性、神经递质信号、神经元形态、神经炎症、神经发育以及海马体、杏仁核、前额叶皮层和下丘脑的神经化学。此外，有越来越多的证据表明微生物群改变与神经行为疾病有关，如神经发育障碍(自闭症谱系障碍[ASD]和精神分裂症)、神经退行性疾病(阿尔茨海默病[AD]、帕金森病[PD]和多发性硬化症[MS])，以及情绪障碍(抑郁和焦虑)。在过去的几年里，在这个快节奏的领域已经发表了大量的综述，我们引导读者去阅读最近的那些关于啮齿类动物和人类文献的最新和详尽的概述。证明微生物对大脑生理的影响的大多数证据都来自于缺乏微生物群的小鼠模型、GF和抗生素治疗的小鼠，此外，越来越多的研究使用益生菌和益生元来影响微生物群的结构-功能。在以下小节中，我们重点介绍了旨在将肠道微生物群与临床前啮齿类动物模型中的神经行为障碍联系起来的研究(也可参见表1中特别关注疾病结果和新兴机制的选定示例)。

表1 在临床前啮齿类动物模型中，微生物-肠-脑轴相互作用的选定示例。

3.1 微生物群和大脑:与精神病学相关的啮齿类动物模型

       尽管微生物群在动物的一系列情绪和神经发育障碍的病因学中发挥着强大的关联作用，但对于一些障碍，如抑郁症和ASD，这种关联更加明显和确定。

  3.1.1  抑郁和焦虑

       与焦虑和抑郁相关的免疫反应失调与肠道微生物群的状态密切相关，共同导致了这些疾病。肠道微生物群调节胃肠道中促炎辅助性T细胞17(Th17)和抗炎调节性T细胞(Treg)的比例，这对维持免疫稳态和预防炎症至关重要。最近的一项研究描述了一种新的信号转导机制，通过该机制，小鼠的抑郁样行为由微生物群以Th17细胞介导的方式调控。研究人员观察到，缺失分节丝状菌(SFB)的小鼠对习得性无助的诱导具有恢复力，这是一种暴露于足部休克应激方案后的抑郁样行为。重要的是，给小鼠灌胃SFB单殖粪便会导致习得性无助的敏感化。为了从机制上理解SFB如何调节抑郁样行为，作者探索了群体感应，这是一种细菌调节过程，涉及到塑造细菌种群数量和基因表达的自诱导分子的分泌。SFB产生群体感应分子，自诱导因子2(AI-2)，并促进宿主产生血清淀粉样蛋白，从而提高Th17细胞的数量。Th17细胞是AI-2诱导抑郁样行为所必需的，因为在应激后给药AI-2不会导致Th17缺陷小鼠出现抑郁样行为或产生血清淀粉样蛋白。有趣的是，油酸是一种天然存在于各种植物和动物脂肪中的脂肪酸和AI-2抑制剂，表现出抗抑郁的特性。油酸能减少抑郁样行为、肠道血清淀粉样蛋白的产生以及海马Th17细胞的数量。

       在FMT研究中，也有越来越多的证据表明微生物群的改变会导致抑郁，抑郁症患者的微生物群在正常动物中定殖会诱发抑郁样行为。从抑郁症患者到微生物群缺失大鼠的FMT在蔗糖消耗试验中引起焦虑样行为和快感缺乏，以及色氨酸代谢的改变。同样，将抑郁症患者体内的微生物群移植到GF小鼠体内后，在尾悬和强迫游泳试验中小鼠静止时间增加，碳水化合物和氨基酸代谢发生改变。在另一项研究中，与适应性强的大鼠相比，接受脆弱大鼠FMT的naive大鼠在长期的社会失败压力后表现出更高的抑郁样行为，并在腹侧海马体中显示出更高的小胶质细胞密度和白细胞介素-1β(IL-1β)表达，这进一步证实肠道微生物群对抑郁样行为和神经炎症过程的贡献。在最近的一项研究中，从酒精使用障碍患者到服用抗生素的小鼠，FMT导致了强迫游泳试验中测量到的抑郁样行为和皮质酮水平的增加，并降低了社交能力。这伴随着纹状体和额叶皮层髓鞘相关基因表达的下调，以及额叶皮层促炎细胞因子(Tnf-α和IL-1β)的显著升高。值得注意的是，在接受FMT的小鼠中，β-羟基丁酸(BHB)的水平显著降低，BHB是一种由肝脏产生的酮体，被神经元用作能量底物。生酮饮食可以提高BHB的水平，研究发现，生酮饮食可以改善社交能力，增加髓磷脂相关基因的表达。

       肠道微生物群与大脑通信的另一种机制是通过迷走神经。完整的迷走神经对于传递益生菌菌株(包括鼠李糖乳杆菌Lactobacillus rhamnosus(JB-1)和长双歧杆菌Bifidobacterium longum)的抗焦虑作用以及益生元2’-岩藻糖基乳糖(一种丰富的母乳低聚糖)的认知和电生理作用至关重要。迷走神经切断术已被证明可以降低海马脑源性神经营养因子(BDNF)的表达和神经发生，这在GF和抗生素治疗的小鼠中也被发现发生了改变，进一步支持了迷走神经作为肠道微生物群和大脑之间的管道的关键作用。在高脂肪饮食诱导的大鼠抑郁样行为模型中，色氨酸、吲哚乙酸和吲哚丙酸等微生物代谢物和胆汁酸的浓度也被证实与促抑郁菌群成分呈负相关。肠道共生菌摩氏摩根菌(Morganella morganii)已被证明能将必需氨基酸L-Phe转化为苯乙胺(PEA)，这是一种强效的精神活性物质，PEA在单殖小鼠中穿过血脑屏障，并在使用单胺氧化酶抑制剂(MAOI)时引起PEA中毒。由于MAOIs是抑郁症患者的主要治疗选择，肠道微生物产生的PEA的个体间变异可能解释了MAOIs对抑郁症的不同疗效。

3.1.2 ASD

       在ASD背景下，微生物群、肠道功能、免疫系统和行为之间相互依赖的通信已经被观察到。微生物-免疫轴也与ASD模型有关。在母体ASD免疫激活模型中，SFB和Th17诱导的肠道微生物通过释放细胞因子IL-17a诱导胎儿大脑皮层神经异常发育和子代行为功能障碍。许多研究已经发现ASD小鼠模型的肠道微生物群组成存在显著差异，从遗传(Shank3B-/-和Cntnap2-/-)到环境(母体免疫激活、丙戊酸钠给药和妊娠期间的长期高脂饮食)，再到特发性(BTBR)(表1)。研究表明，补充特定的罗伊氏乳杆菌和脆弱拟杆菌(B. fragilis)可以逆转社交缺陷和焦虑样行为以及刻板行为。对社交缺陷的治疗不是通过恢复Shank3B-/-小鼠的肠道微生物群组成来介导的。相反，罗伊氏乳杆菌被证明能够恢复Shank3B-/-ASD小鼠多巴胺能腹侧被盖区(VTA)社交诱导的突触可塑性。这种恢复依赖于迷走神经，在多巴胺能神经元缺乏催产素受体的老鼠中没有观察到。此外，罗伊氏乳杆菌治疗恢复了Shank3B-/-小鼠下丘脑室旁核(PVN)中催产素阳性神经元的数量，并发现催产素治疗迷走神经切除小鼠的社交缺陷。在Cntnap2-/-小鼠ASD模型中发现，多动表型是由宿主遗传引起的，而社会行为表型则完全由肠道微生物群介导。罗伊氏乳杆菌逆转了VTA多巴胺能神经元中产生催产素的神经元数量、社交缺陷和社交互动诱导的突触可塑性缺陷，但不能逆转多动表型。发现缺陷的逆转部分受四氢生物蝶呤的内源性水平调节，四氢生物蝶呤是Cntnap2-/-小鼠肠道中微生物诱导的代谢物。这项研究扩大了以大脑为中心的对遗传性神经系统疾病的理解，在遗传性神经系统疾病中，基因突变和肠道微生物群可以相互依赖地导致行为异常。更多微生物产生或诱导的代谢物(如对甲酚)，目前也正在被用于调查ASD的病因。SCFAs是一类重要的微生物代谢物，对神经发育过程也至关重要，如小胶质细胞的成熟。研究表明，SCFAs通过促进后代海马和前额叶皮层的小胶质细胞-神经元通信和突触功能，可以恢复母体肥胖引起的后代认知和社会行为缺陷。

  3.1.3 早期神经发育

       微生物群是动态的和可塑的，在出生时获得，但受到环境和生活方式的强烈影响，它甚至被视为我们“个人历史生态系统”的反映。与遗传的人类基因组不同，微生物群具有可塑性，这一事实为从治疗的角度改变我们的神经生理学提供了一个极具吸引力的有利条件。一些已知的影响微生物大脑活动的常见因素是饮食、锻炼、药物和分娩方式。最近有报道称，剖宫产(CS)对小鼠具有持久的神经行为影响(如社会缺陷)，这可以通过从出生时补充短双歧杆菌(Bifidobacterium breve)菌株或膳食益生元混合物部分逆转这种影响。使用GF模型和在发育的关键时期使用抗生素进一步研究了生命早期微生物群在神经行为发育中的作用，研究集中在成年期社会行为的显著相似缺陷上，暗示着机制上的共性。最近的一项机制研究报告显示，母体肠道微生物群的缺失对小鼠胎儿神经发育具有强烈的影响，包括导致丘脑皮质轴突发育和体感行为缺陷，这可以通过使用特定的微生物群依赖性代谢物(氧化三甲胺、5-氨基戊酸、丙酸咪唑和马尿酸盐)部分恢复。最近的其他研究展示了从临床前无菌动物模型获得的结果对人类的显著转化，利用小鼠和猪模型设计微生物导向食品，旨在缓解营养不良儿童的神经发育和生长缺陷。

       在微生物群-肠-脑研究的背景下，一个尚未得到充分研究的因素是性别，因为性别是许多神经精神疾病发展的一个重要变量，焦虑和抑郁在女性中更普遍，ASD和精神分裂症在男性中更常见，这可能是由于性甾体激素和基因的差异。由于性别可以影响肠道微生物群的组成和多样性，反过来，微生物群也可以调节性甾体激素的结合过程，许多与神经精神疾病有关的神经行为过程应该从复杂的微生物群-性别-脑相互作用的角度来看待。

  3.2 微生物群和大脑:与神经学相关的啮齿类动物模型

       肠道微生物群在AD、PD和MS等神经系统疾病发病中的作用受到越来越多的关注。转基因AD小鼠模型(GF或抗生素治疗)没有发生斑块，野生型小鼠的FMT可改善认知障碍。与PD和MS相似，通过对啮齿类动物进行FMT，部分再现了关键的神经行为症状，动物模型的微生物组也很好地描述了这些疾病的特征症状(表1)。来自阿克曼氏菌属(Akkermansia)和毛螺菌科(Lachnospiraceae)的微生物成员在多项研究中发挥了关键作用。在最近的一项研究中，与MS中升高的Akkermansia具有不利作用的观点相反，研究表明MS患者来源的Akkermansia定殖后，小鼠MS模型症状有所改善，这与产生IL-17的T细胞减少有关。这进一步表明，在这个快速发展的领域，微生物群影响神经系统疾病的病因学的许多机制还没有很好地定义，存在一些混淆因素，需要进一步阐明。这将有助于今后对AD、PD、MS、肌萎缩性侧索硬化症(ALS)和亨廷顿氏病的微生物群的研究，在这些疾病中，与肠道微生物群状态的联系也正在显现。肠道微生物群可以发挥作用的另一个有趣途径是针对神经系统疾病的治疗药物的生物利用度，如左旋多巴(L-dopa)和帕金森病(PD)所示。结果表明，粪肠球菌(Enterococcus faecalis)的酪氨酸脱羧酶首先将左旋多巴转化为多巴胺，然后由来自迟缓埃格特菌(Eggerthella lenta)的脱羟基酶转化为间酪胺。此外，鉴定出一种化合物——α-氟甲基酪氨酸可抑制PD患者微生物的左旋多巴脱羧作用，并增加小鼠体内左旋多巴的生物利用度。另一种由肠道微生物群引起的神经系统疾病是癫痫。一个多世纪以来，人们已经知道生酮饮食可以减少病人的癫痫发作，对于那些对现有抗癫痫药物没有反应的人来说，生酮饮食是一种特别有效的治疗策略。在癫痫动物模型中，研究表明肠道微生物群的缺失消除了生酮饮食的保护作用，促进生酮饮食相关微生物群对小鼠癫痫发作具有显著的保护作用。

3.3 微生物群和大脑:人类研究

       在临床前研究的基础上，越来越多的人体横断面临床研究证据证实微生物组成改变有助于神经和精神健康障碍的病理生理学，包括AD、PD、MS、ASD和中风。最近的一项研究分析了一个大型人类队列中的微生物群组成，报告了抑郁症患者中产丁酸细菌Faecalibacterium和Coprococcus减少，并设计了一个分析框架，其中描述了测序后的微生物群的神经活性潜力。使用这些方法，关键微生物群成员被确定为这些疾病的重要易感因素，从患者到GF啮齿类动物的FMT正在推动可译性向前发展。然而，迄今为止的大多数研究都不够有力，往往存在参与者选择偏差，并提供了一个粗略评估，需要谨慎分析以避免过度解读此类数据。今后，纵向队列研究和人体随机对照试验对支持这一概念至关重要。此外，在解释这些临床研究数据时，需要考虑直接影响肠道微生物群组成的变量，如饮食、药物和锻炼。

4 斑马鱼:作为微生物-大脑通信的模式生物

       将斑马鱼推向主要模式生物行列的相同优势现在正被用于探索宿主-微生物群的相互作用，包括其快速外部发育、高繁殖输出和光学透明度(使生理过程的活体成像成为可能)。特别是，子宫外发育使得微生物暴露易于控制，研究微生物在整个发育过程中的影响以及与哺乳动物的神经解剖学相似性，使斑马鱼成为研究微生物群在神经系统发育和功能中的作用的理想系统。斑马鱼拥有一系列令人印象深刻的行为，包括社交、认知、睡眠、压力和焦虑行为。有一套工具和资源可用于执行精确的基因操作，并在整个幼体大脑中以细胞分辨率记录和控制神经元活动。

       此外，已经开发了相对简单、廉价、可扩展的无菌生物方法来获取和饲养GF斑马鱼，充分利用了斑马鱼的高繁殖力。大多数GF斑马鱼的研究都集中在受精后7-9天的早期幼体阶段(dpf)，在这之后，由于对无菌食物和居住条件的严格要求，在无菌环境中将其饲养至成年需要花费大量的成本和劳动。基于16s rRNA对斑马鱼肠道细菌群落测序的研究揭示了其由γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)和梭杆菌纲(Fusobacteria)组成的核心微生物群。尽管在分类学组成上存在差异，但斑马鱼肠道微生物组编码的功能类别与人类和小鼠肠道微生物组编码的功能类别有很大的同源性，表明这些微生物群的作用可能相似。有趣的是，在GF斑马鱼和小鼠肠道微生物群相互移植实验中，发现宿主肠道及其相关因子在塑造细菌群落方面发挥着更重要的作用，斑马鱼和小鼠微生物群可以在斑马鱼体内引起类似的反应，这表明虽然微生物群落不同，但微生物刺激可能是共享的。此外，简化的人类微生物群也已被证明能够成功定殖GF斑马鱼幼体，证实了将斑马鱼作为模型来研究单结合或联合体中的肠道微生物群成员。

  4.1 微生物调控对斑马鱼大脑和行为的影响

       大多数将斑马鱼微生物群与大脑和行为联系起来的研究都使用了特定的菌株(益生菌)和抗生素来改变微生物群，并报告了压力相关行为和社会行为的变化。

       成年斑马鱼在喂食益生菌鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus)IMC 501 28天后，在浅滩和探索性行为上表现出差异。此外，益生菌喂养的斑马鱼的BDNF以及参与大脑中5-羟色胺能神经传递的关键基因的表达和启动子DNA甲基化谱也有所提高和改变，这支持了现有文献将小鼠微生物群和这些系统联系起来。在新的水箱试验中，成年斑马鱼服用植物乳杆菌显著降低了焦虑相关行为，并改变了大脑中的GABAergic和5-羟色胺能信号。此外，植物乳杆菌减弱了应激诱导的成年斑马鱼肠道微生物组成的变化。值得注意的是，在长期应激下，斑马鱼的主要核心门(梭杆菌门)显著减少，但在经过植物乳杆菌处理的斑马鱼中保持完整。然而，在植物乳杆菌处理的长期应激鱼中，皮质醇水平和血细胞计数等生理反应未受影响。另一项研究显示，在新水箱试验中，添加4个月的鼠李糖乳杆菌CECT8361和长双歧杆菌CECT7347可显著降低成年斑马鱼的底栖行为，这可能与焦虑状态的降低有关。然而，给药另一菌株L. rhamnosus GG(LGG)并未改变成年斑马鱼的游泳行为，且LGG摄入也未显著改变乙醇暴露的抗焦虑作用。

       作为益生菌菌株研究的补充，抗生素也被用于探索微生物群在调节行为中的作用。成年斑马鱼暴露于较低浓度的β-二酮类抗生素混合物中，表现出探索性行为的增加。这可能被解释为抗焦虑行为的一个指标，这与暴露于更高浓度下的情况形成对比，后者会导致焦虑样行为。这一趋势反映在社会行为分析中，低剂量的抗生素增加了斑马鱼的浅滩行为，尽管高浓度抗生素会降低社会凝聚力。

       成年斑马鱼虽然发育成熟，但不容易适应无菌的研究。另外，GF斑马鱼幼体更容易获得和维持，并已被用于研究微生物在神经行为发育和应激反应中的作用。微生物群落的缺失增加了6 dpf和10 dpf GF斑马鱼幼体的运动活性。这与之前在小鼠身上的发现一致，与无特异性病原体对照小鼠相比，GF小鼠在开放环境试验中表现出了更多的运动。在抗生素处理的常规定殖幼体中，GF幼体的多动在10dpf时被表型化，证明了微生物群在调节运动活动中发挥作用。此外，似乎存在改变运动反应的时间要求，因为常规使用1、3或6 dpf的幼体没有表现出多动症，而常规使用9 dpf则未能阻止多动症。这表明，在特定的时间窗口中，生命早期微生物群的破坏可能导致异常的神经行为发展。此外，斑马鱼微生物群的代表成员维氏气单胞菌(Aeromonas veronii)或霍乱弧菌(Vibrio cholerae)在第1天单殖GF幼体可阻断其行为的多动。然而，用热灭活菌和纯化的微生物相关分子模式处理不足以抑制多动，这表明Toll样受体(TLR)依赖性信号转导可能与微生物介导的行为调节没有直接联系。在另一项研究中，微生物群落定殖状态也被证明会影响17-β雌二醇(E2)的代谢，这是一种关键的性类固醇，参与斑马鱼内分泌信号的传递，并改变E2对游泳行为的影响。这支持了微生物群作为异种生物和其他化学物质生物转化的关键组成部分的概念。

       在斑马鱼幼体中，焦虑样行为通常是通过测量在光照期间对空间外缘的趋向性或偏好来估计的。在另一项研究中，6 dpf的幼体表现出较低的触变行为，而6 dpf和10 dpf的幼体则没有表现出这种表型。结果的不一致可能是由于不同的菌株以及在两项研究中使用的住房和实验照明条件的变化。与常规饲养的小鼠相比，GF小鼠的焦虑相关行为有所减少，这与之前的啮齿类动物研究结果类似。然而，也存在相反的数据，其中特定近交系的GF小鼠表现出更高的焦虑样行为。此外，与常规饲养的幼体相比，GF斑马鱼幼体对急性渗透压力源的皮质醇反应显著降低。这与之前在小鼠身上的研究不一致，之前的研究表明，GF小鼠在有限的应激下皮质酮水平升高。这种差异可能归因于遗传混淆，因为行为表型可以决定实验是在远交系还是近交系小鼠中进行的，还是由于每个研究中使用的压力源类型的性质。鱼类和啮齿类动物的下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴的主要输出是另一个不同的重要来源；啮齿动物在应激反应中会产生皮质酮作为主要的糖皮质激素，斑马鱼也会产生皮质醇，和人类很像。

斑马鱼表现出的另一个有趣的行为是，当接触到受伤的同类时，会产生显著的警报反应。这种情感行为的改变，包括运动中的跳跃和冻结行为，这是由受伤的斑马鱼释放的警报物质(Schreckstoff)引起的。最近的一项研究发现，这种由鱼皮肤中的俱乐部细胞产生的警报物质也含有细菌成分。斑马鱼葡萄球菌(Staphylococcus)分离物的裂解液足以引起警报反应，与黏液中的宿主物质一起作用。这表明，来自同一个体的共生细菌可以通过社会嗅觉信号影响其他个体的情绪状态。

       在整个动物界中，也有大量的研究强调微生物群落在调节宿主社会行为方面的作用。然而，微生物群与社会神经发育的联系机制还没有被很好地理解。最近的一项研究利用斑马鱼的非共生技术和外部发育表明，生命早期(0-7 dpf)的微生物群对14 dpf的幼体的社会行为的出现是至关重要的。利用斑马鱼幼体的光学透明度，发现微生物群对于正常社会行为所需的特定前脑区域神经元形态的适当分枝化至关重要。这种神经突复杂性和靶向性的重塑是通过小胶质细胞介导的，小胶质细胞是大脑中调节神经突生长和修剪的驻留免疫细胞。此外，作者观察到微生物群促进了前脑小胶质细胞的浸润和丰度，尽管对小胶质细胞的活性没有影响。该研究进一步强调了早期神经发育关键窗口的概念，即易于适应微生物群的调节，这可以强烈影响在后期发育阶段表现出来的行为，这在啮齿类动物和人类中已得到广泛研究。

       斑马鱼幼体的使用也推动了微生物-脑信号的机械解剖。Rawls和他的同事最近提供了令人信服的证据，证明了EECs能够感知细菌色氨酸代谢产物，从而激活迷走神经和肠神经通路。肠神经系统和自主神经系统的神经元(包括迷走神经节的感觉神经元)支配脊椎动物的肠道。迷走神经感觉神经纤维将信号从外周信号传递到中枢神经系统，并调节多种脑功能。作者使用了EECs和神经活动的体内钙成像来证明，Edwardsiella tarda及其衍生的色氨酸分解代谢物通过EEC瞬时受体电位锚蛋白A1(Trpa1)信号通路激活迷走神经节。由于EEC-迷走神经信号是肠道微生物群和中枢神经系统之间重要的沟通途径，可以设想特定的色氨酸代谢物可能会影响中枢神经系统的过程和行为。最近的另一篇论文阐明了短链脂肪酸在斑马鱼体内作为消炎剂的作用，与在啮齿类动物中的作用类似。考虑到所有这些优势，斑马鱼具有多样化的微生物群，但仍然是最简单的脊椎动物模型之一，其有望成为理解宿主-微生物群通信机制基础的重要模型。

  5 果蝇(D. melanogaster):作为微生物-大脑通信的模 式 生物

       在过去的几十年里，黑腹果蝇一直是行为遗传学研究的首要模式生物。果蝇表现出的大量复杂行为可以在基因和神经回路层面进行剖析，这要归功于果蝇研究人员所拥有的极好的基因和最新的连接组学工具包。果蝇神经科学在生物节律、学习和记忆、睡眠、攻击性、性行为等不同领域已经并将继续产生重要的见解。果蝇也被广泛用于了解宿主-病原菌的相互作用。在过去的几年里，我们看到了这种简单的、遗传上易于控制的生物，这也为微生物群-大脑相互作用领域提供了见解。从微生物群的角度来看，果蝇模型提供了一个明确的优势，即它拥有一个相对简单的微生物群，由~20个菌株组成，主要来自醋酸杆菌科(Acetobacteraceae)和乳杆菌科(Lactobacillaceae)。这些微生物，是耐氧或专性需氧菌，不同于在人类中发现的主要厌氧共生肠道细菌。然而，它们确实提供了大多数易于培养和体外基因操纵的优势，极大地促进了直接影响宿主生理的微生物代谢物的识别，如胰岛素介导的幼虫生长和葡萄糖氧化。此外，GF或无菌果蝇可以大量产生并在营养培养基上维持多代。作为果蝇的补充，蜜蜂，一种群居昆虫，也正在成为研究肠道微生物扩展行为表型的有前景的模型。

5.1 微生物群调控对果蝇大脑和行为的影响

       果蝇以腐烂的水果为食，腐烂的水果中含有大量的微生物及其代谢物。这些细菌有机分子与果蝇的味觉和嗅觉神经元相互作用，引导果蝇找到营养丰富的食物产卵，并避开致病性生态位。果蝇幼虫通过嗅感觉神经元上的气味受体30a(Or30a)和Or94b检测细菌SCFAs(丙酸和丁酸)，从而触发进食行为。在将宿主社会行为与微生物群联系起来的一项早期研究中，结果表明共生细菌影响黑腹果蝇的交配偏好。根据饲养果蝇的饮食，它们表现出一种交配偏好且这种偏好持续了好几代。果蝇微生物群被确定为一个主要影响因素，因为抗生素处理消除了交配偏好，这一点通过植物乳杆菌(一种乳杆菌物种的混合培养物)和微生物群在抗生素暴露前的定殖实验中得到了进一步验证。虽然共生细菌影响交配偏好的具体机制仍有待阐明，但微生物对表皮角碳氢化合物性信息素水平的调节是一种潜在的途径。在另一项研究中，作者探索了表观遗传修饰因子、微生物群和果蝇社会行为(模仿ASD症状)之间的相互作用。组蛋白去甲基化酶KDM5水平降低的果蝇表现出肠道屏障障碍、肠道微生物群组成和社会行为的改变，所有这些都可以通过喂养益生菌菌株(植物乳杆菌L168)来部分恢复。在一项机理研究中，作者发现黑腹果蝇的行走活动可能受到一种特定肠道细菌的影响，这表明微生物群可能在行为中起因果作用。与常规定殖果蝇相比，在无菌条件下长大的果蝇表现出多动行为。在GF条件下，行走速度和日常活动的增加可被短乳杆菌(Lactobacillus brevis,一种果蝇肠道共生菌)的定殖逆转，而非植物乳杆菌。深入研究其机制，发现对运动的影响是由糖(海藻糖)代谢的变化引起的，而糖(海藻糖)代谢是由短乳杆菌木糖异构酶调节的。在无脊椎动物中，由于外源补充章鱼胺或激活章鱼能神经元可消除木糖异构酶的作用，章鱼胺被确定为介导木糖异构酶对运动影响的宿主效应物。在最近的其他研究中，研究了肠道微生物群对果蝇攻击能力的影响。GF雄性果蝇表现出攻击行为减少，抗生素处理的果蝇表现出明显的攻击行为。GF果蝇的攻击行为是通过微生物群的重新定殖来恢复的，饮食和章鱼胺信号在其中起着关键作用。抗生素处理的果蝇体内与攻击相关的信息素顺式醋酸乙烯酯(cVA)和(Z)-9-二十三烯水平升高，同时信息素受体和转运蛋白的表达增加。也有研究表明，果蝇模型可能与研究神经退行性疾病(AD和PD)的发展和其益生菌治疗的潜力有关。在果蝇AD疾病模型中，肠杆菌感染通过增加免疫血细胞向大脑的浸润，从而加剧肿瘤坏死因子(TNF)-JNK介导的神经退行性变，从而加剧AD的进展。在PD果蝇模型中，给药多酚-儿茶素-3-没食子酸酯可以治疗多巴胺能、生存和行为缺陷，肠道微生物群组成发生变化并恢复一组细菌的丰度。值得注意的是，当肠道微生物群被抗生素破坏时，这种保护作用就会减弱。

       尽管在果蝇中观察到这些微生物介导的行为效应，但也有一些不一致的报道。例如，与之前报道的无菌果蝇的多动相比，与具有正常微生物组的果蝇相比，无菌果蝇的活性没有显着增加。此外，在一些研究中没有观察到由微生物引起的求爱期变化，而在其他研究中有报道。这些多变的结果可能源于实验设计和环境参数的变化。在果蝇的微生物组研究中，一些因素可以导致不同的结果，如宿主年龄、营养变化、微生物群的种类和菌株，以及雌性交配状态。

       在果蝇中也研究了微生物群和膳食营养之间复杂的相互作用。这些文献中出现的重要见解集中在微生物群如何塑造行为决定和生活史特征上。使用一种化学定义的饮食，共生细菌醋酸菌(Acetobacter pomorum)和乳杆菌一起(而非单独)被证明可以恢复由于膳食必需氨基酸缺乏而引起的行为和繁殖影响。这些共生体参与代谢交叉喂养，以适应有害的宿主饮食。使用同位素解析代谢组学，可以证明醋酸菌和植物乳杆菌之间的共营养相互作用，其中，乳杆菌产生的乳酸被醋酸菌消耗，以产生在不平衡饮食中乳酸菌生长所必需的氨基酸。值得注意的是，乳酸被发现是醋酸菌改变苍蝇蛋白质食欲和摄食决策行为所必需的。在最近的一项研究中，肠上皮细胞被证明能够感知饮食和微生物来源的必需氨基酸水平，并通过神经肽CNMamide向大脑传递信号，以触发对必需氨基酸的代偿性食欲。在另一个微生物-微生物相互作用及其对果蝇行为影响的例子中，研究表明Saccharomyces-Acetobacter共培养对果蝇嗅觉和产卵行为的调节明显优于单独培养。Saccharomyces衍生的乙醇被醋酸杆菌代谢为乙酸盐，乙酸盐及其代谢衍生物对共培养偏好和改变产卵行为至关重要。在其他关于生活史特征的报告中，肠道微生物群在发育和嗅觉引导的觅食行为中扮演着关键角色。在一项觅食试验中，传统蝇类更喜欢植物乳杆菌和醋酸菌，表明微生物群在蝇类的微生物偏好中发挥作用。对于无菌果蝇，乳杆菌被保留，而醋酸杆菌被清除。这些微生物的偏好被证明是由嗅觉引导的，对宿主的觅食有很大的影响，其也受到饮食营养的调节。总之，这些研究提供了一个坚实的框架，在此框架下可以彻底研究宿主如何在其自然环境中与特定的微生物群共存的问题。

6 线虫(C. elegans):作为微生物群-大脑通信的模式生物

       随着完整的神经连接体和发育细胞谱系的绘制以及大量遗传资源和丰富的行为库，秀丽隐杆线虫在基因、单个神经元和神经回路水平上概述保守的遗传途径和行为解剖方面发挥了重要作用。行为包括游泳和爬行、对内部状态调节的各种感官线索的反应、产卵、交配和社会喂养，以及习惯和联想学习。结合其固有优势，如生命周期和寿命短、身体透明、等基因孵化规模大，以及易培养为GF，秀丽隐杆线虫正在成为了解宿主-微生物相互作用的强大高通量系统。虽然实验室中典型的秀丽隐杆线虫培养在大肠杆菌OP50培养皿上，其腐烂植物物质的自然栖息地是一个微生物丰富的环境，细菌可以是营养来源，也可以是致病和感染源。由于细菌既是食物又是微生物群，并不是所有的细菌菌株都能在动物中定殖。对野生秀丽隐杆线虫自然环境的微生物群分析发现了一个由变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteria)组成的群落，这些菌群具体富集于α变形菌纲(Alphaproteobacteria)的属(如Ochrobactrum和Pseudomonas)，其在肠道中定殖。最近，一种用于秀丽隐杆线虫的特定模型微生物群(CeMbio)被报道，它由来自9个不同科的12株细菌组成，这些细菌通常存在于天然秀丽隐杆线虫中，与其来源和隔离实验室无关。这种简化的核心微生物群的开发以及从靶向缺失或转座子插入集合中获得的其他可用细菌突变文库，是补充高度可控制的秀丽隐杆线虫宿主的宝贵资源，其适用于使用RNAi文库进行全基因组反向遗传筛选。这将进一步推进微生物群对宿主健康和疾病影响的机制的理解。接下来，我们将重点关注一些最近的研究报告的微生物群对线虫神经系统和行为的影响，特别是共生菌和益生菌的作用。

  6.1 微生物群调控对线虫大脑和行为的影响

       秀丽隐杆线虫天生就能利用化学和机械线索识别环境中的营养细菌和致病菌，并产生快速的行为反应。蠕虫对细菌来源的有机挥发性分子(如双乙酰和异戊醇)表现出强烈的趋化反应，这些分子已被发现由秀丽隐杆线虫自然栖息地的细菌食物释放。在这些吸引性细菌分离物中，Providencia sp. JUb39及其在调节宿主感官行为中的作用是最近一项研究的主题，旨在了解这种微生物群-大脑信号的机制基础。作者发现由寄生在肠道的Providencia细菌产生的神经调质酪胺(一种生物胺)被线虫的宿主转化为章鱼胺(等同于蠕虫体内的去甲肾上腺素)，并调控宿主的厌恶感觉反应。利用秀丽隐杆线虫的cat-1基因突变体(一种囊泡单胺转运体)，作者进一步证明章鱼胺的神经元转运对细菌驱动的行为改变至关重要。有趣的是，这种对蠕虫的干预被认为与小鼠的迷走神经切断术(手术破坏迷走神经)作用相当，后者已被证明可以破坏微生物诱导的行为改变。此外，Providencia定殖秀丽隐杆线虫在食物选择试验中对这些细菌表现出选择性偏好，这依赖于细菌产生的酪胺和宿主章鱼胺信号。这些结果表明，肠道细菌产生的生物胺神经递质可以通过模仿同源宿主分子的功能来超越宿主对感官决定的控制，从而促进宿主和微生物的适应。最近的研究表明，人类肠道微生物群中也有许多与Providencia密切相关的物种，它们可以调节生物胺，从而暗示了微生物因子在动物门中改变宿主生理的共性。在另一项肠-脑相互作用调节蠕虫行为的研究中，发现肠道5-羟色胺能神经元可以通过进化保守的酸敏感离子通道(ASIC)家族中的DEL-3和DEL-7离子通道敏锐地检测食物摄取。这些通道位于肠道中肠神经元的感觉末梢，是摄食依赖性神经元激活所必需的，这会导致动物进食时运动减慢。此外，神经元的激活似乎是由一种热稳定细菌组分介导的，其将肠道内的微生物识别与进食行为的改变联系起来。

       除了对挥发性线索的趋化性外，秀丽隐杆线虫还表现出对氧气和二氧化碳气体线索的强大检测和反应，这是细菌代谢的结果。在过去的20年里，人们对线虫的气体传感信号分子、神经回路和自然遗传变异进行了广泛的研究。在没有细菌食物的情况下，蠕虫偏爱其环境中~8%的含氧量(实验室环境含氧量为~21%)。在细菌存在的情况下，野生型菌株N2表现出的这种高氧回避大大减少。这种在细菌存在时改变的趋氧性行为受npr-1基因等位基因变异的调控，该基因编码与哺乳动物神经肽Y受体同源的GPCR。由细菌诱导的NPR-1依赖性信号通路也对各种其他行为表型产生深远影响，包括社会进食或进食行为的集中，以及漫游与居住移动的决定。有趣的是，N2蠕虫的NPR-1依赖性行为被发现在产胞外多糖基质的粘液菌株存在时被消除，这表明细菌种群的生物膜合成可能会阻碍特定宿主对微生物的反应。

       在微生物群与神经退行性疾病关联的研究领域，细菌代谢物如何直接调节神经元变性的机制在很大程度上仍未被探索。在最近的一项研究中，作者使用秀丽隐杆线虫触觉感受器神经元进行性变性模型作为神经退化的替代，并评估了神经变性作为各种膳食细菌给药的功能。E. coli HT115、E. coli K-12、C. aquatica、P. aeruginosa、S. humi和B. pumilus促进了神经保护作用，其中E. coli HT115对触觉感受器回路的机械感受器和中间神经元具有长期的保护作用，这是通过细菌GABA和宿主胰岛素/IGF-1样信号通路介导的。细菌GABA参与蠕虫的神经保护，因为观察到细菌GABA是人类中枢神经系统微生物群的主要效应物之一，并且产生GABA的肠道细菌的相对丰度与患者抑郁相关症状呈负相关。下一步，我们将寻找GABA和其他微生物产生的神经活性分子如何影响大脑和其他远端组织过程的问题的答案。在另一项强调蠕虫神经变性的微生物调节的最新研究中，作者使用了具有异位表达人类α-突触核蛋白(AS)的秀丽隐杆线虫模型，并观察到向秀丽隐杆线虫给药益生菌枯草芽孢杆菌PXN21(Bacillus subtilis PXN21)可抑制、延迟和逆转AS聚集。枯草芽孢杆菌在生命后期衰老过程中所赋予的神经保护作用是通过肠道生物膜及其代谢物、一氧化氮(NO)和群体感应五肽能力孢子生成刺激因子(CSF)的形成介导的。然而，在年轻人中，发现该细菌部分通过不同于NO的代谢物提供神经保护，且与肠道定殖无关。此外，作者还证明，益生菌通过促进宿主保护通路的激活(如DAF-16/FOXO和鞘脂代谢)，抑制AS聚集。这些发现促使人们进一步研究益生菌枯草芽孢杆菌的保护作用及其作为饮食干预PD的潜在用途。我们还见证了大量研究的迅速增加，这些研究强调健康和疾病中微生物群与神经和免疫系统之间的通信，而作为模型的秀丽隐杆线虫正在极大地帮助人们更好地理解微生物群在神经-免疫界面上的作用。

7 推进模式生物:关注社会和压力相关行为

       法国诗人、小说家Victor Hugo曾经说过：“世界上没有什么比一个时代到来的思想更强大的了。”如今，微生物群在健康和疾病中的作用，特别是在大脑和行为方面，似乎就是这样一种观点。为了使希望与炒作之间的平衡向希望倾斜，特别是在微生物群和心理健康的背景下，我们需要进行严格的研究，以超越疾病关联，并将这一知识转化为治疗方法。在两个主要的行为领域中，微生物群在调节社会行为和生物应激反应方面具有最强烈和最显著的影响。我们设想在社会和压力行为领域中，通过模型-系统来理解微生物群-大脑相互作用将取得切实的转化进展的实际转化进展，总结如下。

       压力和社会行为错综复杂地交织在一起；遭受创伤性应激会深刻地影响社会交往，相反，社会环境是我们应对压力能力的有力预测因素。此外，这两种反应系统在神经调节和神经解剖基质中都表现出很大程度的交互作用，在发育过程中和急性期都可能受到微生物的调节。最近的一项研究描述了微生物群是如何通过啮齿类动物大脑中潜在的应激反应神经回路来调节社会行为的。使用GF小鼠和抗生素治疗小鼠，发现肠道微生物群影响雄性小鼠下丘脑PVN的神经活动，以调节典型的应激反应，如皮质酮水平和社会行为。粪肠球菌(Enterococcus faecalis)被证实在社会压力下能够促进小鼠的社会行为并降低皮质酮水平。

7.1 社会行为和微生物群

       几十年来，生物学的巨大进步已经牢固地确立了遗传、发育和环境是影响动物社会行为的关键决定因素。对宿主-微生物相互作用的新认识使人们从微生物群的观点来研究社交的出现。GF啮齿类动物表现出明显不同的社会行为，与细菌定殖的啮齿类动物相比，补充益生菌可以逆转生命早期和成年期的社会缺陷。这表明微生物信号在正常的社会神经发育和大脑编程中发挥着重要作用。理解这种有趣的关联背后的因果机制可能会产生新的人类社交障碍治疗方法，如ASD、社交焦虑障碍和与精神分裂症相关的社交缺陷。简单的模式生物，如秀丽隐杆线虫、果蝇和斑马鱼表现出各种各样的社会行为，包括聚集、求偶和交配、攻击性和浅滩，与更复杂的动物相似。无法超越的对基因-神经回路的获取以及对社会环境的精确控制，以及这些生物体中的低维微生物群，为寻找社会行为和微生物群之间的因果机制提供了巨大的机遇(图3)。从蠕虫到人类，催产素信号是保守的，相应的神经回路可能是微生物线索与高级大脑功能和突发社会行为之间的关键汇聚节点。如前文所述，益生菌罗伊氏乳杆菌能够恢复ASD小鼠社交互动诱导的突触可塑性，但在多巴胺能神经元中缺乏催产素受体的小鼠中却不能。

图3 微生物群与社会行为。微生物群的状态及其与社会性的关联应通过直接施用假定的微生物“社会生物”和行为学相关行为来测试因果关系。

  7.2 压力和微生物

       压力的适应负荷仍然是精神疾病最大的危险因素之一。在应激反应系统和微生物群状态之间存在稳健的双向通信；大量研究表明，压力改变了多种物种的肠道微生物群组成，相反，肠道微生物群也会形成应激响应，主要是通过调节HPA轴。此外，在几种动物模型中，已经证明特定的细菌菌株可以逆转各种应激效应。大量的关联和相关性研究奠定了基础，压力-微生物群通信领域已经成熟，可以进行因果分析(图4)。更简单的生物模型及其神经发生的可及性可以用来获得这种机制分析。虽然无脊椎动物(秀丽隐杆线虫和果蝇)具有类似的神经肽能调节系统和更简单的微生物群，但使用具有强大行为模式、在与压力相关的神经解剖学和激素方面有很强相似性的斑马鱼，可能会改变这一领域的局面。值得注意的是，斑马鱼和人类在HPA轴上具有相同的结构和功能，其中下丘脑的PVN与应激调节和微生物组调节特别相关。此外，由于下丘脑-神经垂体系统缺乏紧密的血脑屏障，在发育过程中很可能受到微生物代谢物的影响，斑马鱼处于外部环境中，利用这些代谢物可以方便地调控微生物群落环境，并对发育回路进行微观可视化。从这些研究中获得的机制和经验将大大补充和指导哺乳动物系统的研究。这种跨物种的协同作用对于开发下一代基于微生物群的治疗方案(精神生物学)至关重要，这些治疗方案可用于治疗与压力有关的疾病，包括焦虑、抑郁和创伤后应激障碍。

图4 压力与微生物群间的双向通信。 多种物种特异性的压力源将是理解这种应激反应路径和回路之间动态相互作用的关键。   

7.3 承诺和说明

       秀丽隐杆线虫、果蝇和斑马鱼都表现出强烈的应激和社会反应，它们使用的分子和回路与小鼠和人类的类似，都能适应微生物的调节。跨物种方法为在这些行为背景下实现微生物群-大脑相互作用的机械解剖提供了一个黄金机会，这对人类神经精神疾病和神经发育障碍的治疗具有深远的影响。此外，正如之前对生活史特征所证明的那样，这些模型是为进行高通量筛选而量身定制的，以定义潜在的宿主-微生物-药物-营养物相互作用。因此，可以预见，根据这些简单模型提供的可扩展性，将有可能筛选出与神经系统疾病相关的微生物和微生物代谢物。当然，我们需要考虑和理解与这些系统相关的局限性，在某些情况下，整体的简化可能会损害生理相关性。例如，这些简单生物体的肠道微生物群组成与哺乳动物的肠道微生物群组成有很大的不同，更重要的是，这些细菌大多是需氧菌，与主导人类肠道的专性厌氧细菌不同。还有一些物种特有的限制。将斑马鱼GF幼体饲养到成年的时间、成本和方法方面都存在问题，因此将机理研究限制在生命早期阶段。以果蝇为例，改造某些微生物的方法还不成熟，用苍蝇和蠕虫进行的微生物实验需要精心设计和解释，因为它们是食微生物动物。秀丽隐杆线虫不具有明确的血脑屏障，这是脊椎动物大脑的一个重要解剖特征，调节微生物衍生代谢物的进入。因此，与哺乳动物相比，蠕虫肠道中产生的信号更有可能对线虫产生全身性影响。尽管存在这些局限性，但蠕虫、苍蝇和鱼类的实验系统能够更快、更经济地产生详细的机制结果，是对小鼠和人类研究的完美补充。

展望

       为了实现微生物群-大脑研究的真正潜力，需要解决的两个主要问题是机械因果严谨性和人类可转化性。虽然人类-微生物群-相关动物，即从人类受试者的FMT到微生物群消耗的动物，然后在受体动物中进行表型分析，已经成为因果关系的基准，但大多数研究都存在不适合的统计分析、不适当的实验设计和偏差，进而产生了不切实际的期望。为了微生物-脑研究的长期可靠性并促进其转化，肠道微生物群的候选因果因素(例如，特定的细菌分类群和代谢产物)应该在对宿主神经系统表型进行无偏假设生成综合多组学分析之后确定，随后在没有汇集供体样本和统计伪复制的情况下进行的无菌动物或疾病模型的功能实验证实了这一点。此外，新的统计和机器学习方法可以用于微生物组数据分析，并用于直接推断人类的因果关系和机制交互作用，而纵向研究和随机对照试验是当前需要的。

       正如Yeats在一个世纪前所暗示的那样，栗树的精髓不在叶、花或树干中；扎根开花的精髓在于整棵树。了解宿主的生理学，特别是神经系统的结构-功能和突发行为，应该越来越多地考虑到整个共生总体。尽管过去20年大部分都在致力于研究啮齿类动物的微生物群-肠-脑轴，但现在是时候利用跨物种方法深入研究该机制，并使人类转化研究成为中心焦点。