導讀
2019年10月下旬，《Nature》刊載了一種存在於「腸道微生物-腦細胞」間前所未有的細胞和分子交流機制。簡單來說，即微生物群的改變可以對神經元功能和與學習相關的可塑性產生相當大和持久的影響，進而能調節恐懼消退行為。
根據該研究，這種消退消退學習的缺陷與mPFC的功能障礙相關，尤其是興奮性神經元的功能障礙；而微生物群可能是通過循環的微生物源性代謝產物來影響中樞神經系統，並直接影響mPFC中的興奮性神經元，導致消退性學習障礙的，而非迷走神經。此外，微生物源性代謝物還可能影響mPFC中的其他細胞亞群（如小膠質細胞），間接影響興奮性神經元和行為。
這些發現將我們對腸-腦間聯繫的理解推到了前所未有的廣度和深度；由於認知和突觸可塑性的改變在幾乎存在於所有的神經精神疾病中，這一研究也揭示一條將當前的發現轉化為臨床進展的可能途徑，其潛在的應用範圍相當廣泛；例如相關性最高的創傷後應激障礙的治療。
2019年10月下旬，這一難題被來自威爾康奈爾醫學院和康奈爾大學的科學家攻克，他們首次發現並精確描述了一種存在於「腸道微生物-腦細胞」間的全新的細胞和分子交流機制。
簡單來說，即微生物群的改變可以對神經元功能和與學習相關的可塑性產生相當大和持久的影響；缺乏複雜微生物群的小鼠會表現出恐懼相關行為的改變、大腦細胞基因表達的改變、神經元放電模式的改變以及重新布線的能力。
這一結果，也登上了近日的《Nature》。
這些發現將我們對腸-腦間聯繫的理解推到了前所未有的廣度和深度。
「我們的研究提供了腸道和大腦的機制在分子水平上進行交流的全新見解」，本文第二作者、 Jill Roberts炎症性腸病研究所所長、Friedman營養與炎症中心主任、威爾康奈爾醫學院免疫學教授David Artis補充道，「目前還沒有人知道IBD和其他慢性胃腸疾病是如何影響行為和心理健康的，我們的研究是理解全局的新方法的開始。」
該研究中，來自Jill Roberts炎症性腸病研究所的Coco Chu博士所領導的團隊，還證實了這種消退學習的缺陷與mPFC的功能障礙相關，尤其是興奮性神經元的功能障礙；而微生物群可能是通過循環的微生物源性代謝產物來影響中樞神經系統，並直接影響mPFC中的興奮性神經元，導致消退性學習障礙的，而非迷走神經。此外，該研究還提示，微生物源性代謝物還可能影響mPFC中的其他細胞亞群（如小膠質細胞），間接影響興奮性神經元和行為。
同時，由於認知和突觸可塑性的改變存在於幾乎所有的神經精神疾病中，該研究結果揭示一條將當前的發現轉化為臨床進展的可能途徑，其潛在的應用範圍也相當廣泛；例如相關性最高的創傷後應激障礙的治療。
微生物群的缺乏影響了滅絕學習
在試驗的第一部分，研究人員首先測試了微生物群能否影響小鼠對恐懼調節和生存——讓部分成年小鼠接受抗生素治療（ABX小鼠），然後採用經典的暗示恐懼調節和滅絕學習處理ABX小鼠和對照組小鼠。
結果顯示，儘管抗生素誘導了ABX小鼠的菌群變化（其菌群豐度比對照組小鼠低了600倍）；但在恐懼條件作用後，兩組小鼠都習得了正常的恐懼反應；唯一的區別是，在滅絕學習中ABX小鼠的消退學習能力明顯受損。
ABX小鼠和GF小鼠不容易發生恐懼滅絕。圖a-c為恐懼調節的習得；d-e為在單次30音恐懼消退實驗中，ABX組和GF組小鼠的恐懼消退情況相同；f為小鼠恐懼消退後mPFC轉錄組的主成分分析(PCA)，每組4隻小鼠；h為g圖所示基因中前下調或上調最顯著的50個基因的熱圖
在第一個試驗的基礎上，研究人員又進行了兩個更深入的研究：
1）無菌小鼠
在對成年無菌小鼠（GF小鼠）進行了類似的提示恐懼調節和消退學習實驗後，GF小鼠也表現出了恐懼消退學習能力減弱，即恐懼無法消除；表明來自微生物群的信號對於最佳的條件反射消退是必要的。
2）切斷迷走神經
而切斷腸和大腦之間的神經傳遞途徑迷走神經後，迷走神經切除的ABX小鼠與假手術的ABX小鼠在消退學習蛋白方面表現出相似的缺陷，提示ABX小鼠的消退學習蛋白缺陷與迷走神經無關。
這些結論在過去的不少研究中也有所提及，但該團隊並沒有打算止步於此，而是進行了更多深入分析
深入試驗結果表明，微生物群落可以被用來改變特定神經元群的特徵，斷奶前微生物群建立是關鍵
由於恐懼反應的消除在很大程度上取決於大腦前額皮質的功能，因此，Chu等人對小鼠的大腦也進行了活體成像，發現神經元活動模式以及樹突棘結構的形成和消除，樹突棘結構與神經元之間突觸連接的形成有關——在恐懼消除實驗中，對照組動物的樹突脊椎消除較少，而脊椎形成較多。
而創造突觸和維持適當的現有突觸的能力是突觸可塑性的關鍵部分，也是一個對學習和記憶至關重要的過程——在這個過程中，突觸連接的強度能夠隨著神經元活動的變化而變化。
ABX小鼠的興奮性神經元和小膠質細胞受到影響
同樣的，嚴格控制基因表達對突觸和行為可塑性的調節也至關重要。
Chu和他的同事還對整個區域的單個細胞進行了RNA測序，以識別單個細胞類型的基因表達變化。結果顯示，微生物群落的缺失對興奮性神經元的影響比抑制性神經元更為顯著。這一發現也為在未來的研究中，利用微生物群落來改變特定神經元群的特徵的應用方向奠定了基礎。
此外，單細胞測序還揭示了小膠質細胞的基因表達變化。在缺乏微生物菌群的小鼠小膠質細胞中，與不成熟狀態相關的基因表達量很高，這種變化可能會影響細胞的正常功能——過去十年間，已經有大量研究證實小膠質細胞在突觸連接中起著至關重要的作用，其變化會改變神經發育，與精神疾病有關。
雖然Chu等人沒有直接評估突觸吞噬的變化，但他們的研究結果為未來研究微生物群和小膠質細胞之間的相互作用如何影響大腦突觸密度奠定了基礎。
GF小鼠的學習障礙與微生物源性代謝物的改變有關
最後，Chu團隊還對腸道代謝物進行了分析，確定了四種代謝物在缺乏微生物菌群的小鼠體內的含量明顯低於對照組。研究人員推測，微生物群通過向循環釋放的代謝物的方式影響了大腦中的神經元和小膠質細胞。
值得注意的是，在改變微生物群引起的滅絕學習障礙能否可以通過確定個體微生物或微生物群的定植來治療的試驗中，採用用分葉絲狀菌（SFB）、梭狀芽胞桿菌（Clostridium species）、腸桿菌（Enterobacter species）和Altered Schaedler flora（ASF）定植之後，受試小鼠與對照組小鼠相比，仍表現出了滅絕學習受損；表明正常的滅絕學習和恐懼滅絕行為需要一個更多樣化的微生物群。
而在由改變的微生物群引起的滅絕學習障礙是否可逆的試驗中，研究人員將從健康的對照組小鼠在不同的發育時間點的完整微生物群，移植給了先前的無菌（ex-GF）小鼠。與對照組小鼠相比，成體定植的前GF小鼠（成體定植）和斷奶期定植的前GF小鼠（斷奶期定植）仍表現出恐懼消退障礙，表明斷奶後GF小鼠的消退學習障礙是不可逆的。
然而，當ex-GF老鼠出生後立即飼養於微生物充足但無病原體的環境中（specific-pathogen-free,SPF），它們的恐懼滅絕行為也會和對照組小鼠類似，表明滅絕學習和學習相關的可塑性需要斷奶前關鍵時期的微生物驅動信號；而無論斷奶後是否有微生物定植，新生兒期微生物群的缺乏都會導致成年期恐懼消退學習能力的缺失。