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腸道菌群如何影響社交行為

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社交包括一系列復雜的互動行為,可以是合作的、中立的,也可以是對立的。社交可以促進互利的結果,如勞動分工、合作照顧和提高免疫力,當然社交也可以導致消極的結果,包括侵略和脅迫。在五彩繽紛的“動物王國”中,動物們表現出的社交能力是不同的:有些動物生活在高度社會化的合作團體中,如靈長類、白蟻和蜜蜂,而另外一些則趨于獨居,如熊。

1973年,Konrad Lorenz、Niko Tinbergen和Karl von Frisch因在哺乳動物的遺傳起源、發育和社會行為模式啟發方面的開創性研究而獲得諾貝爾生理學或醫學獎,他們的工作為評估影響社會行為的各種內在和外在因素提供了基礎。無數研究者的努力,讓我們意識到,深入而全面地去理解調節社會行為的內在和外在因素,對于揭示個體和群體的繁榮發展方式、確定物種進化過程中出現的不同動物之間的交際能力差異的原因、甚至對于闡明社會行為障礙疾病的潛在病因都是極其重要的。

在臨床上,發現了一些有趣的現象:約50%以上患功能性消化疾病者伴有焦慮、抑郁,當給予精神類藥物治療后,多數會取得較好的治療效果;而精神心理疾患的誘發或加重也與消化系統疾病有關【1】。基于此現象并經過多年研究,科學家們逐漸提出了“腦-腸軸”及“腦-腸互動”的概念。“腦-腸軸”由中樞和腸神經系統之間的雙向通信組成【2】,隨著對腸道微生物組成和多樣性的理解,新的發現表明腸道微生物群可以通過“腦-腸軸”與腸腦功能以及神經疾患相關聯,進而形成了“微生物-腸-腦軸”這一新的概念【3】。相較于傳統“腦-腸軸”研究集中在心理狀態對胃腸道功能的影響而言,在“微生物-腸-腦軸”中則更加關注腸道菌群與“腦-腸軸”之間的相互影響。腸道菌群對“腦-腸軸”最重要的影響主要體現在對大腦發育和行為表現的調節上【4】,越來越多的研究發現了動物大腦的社交行為與微生物之間的復雜關系,提示微生物作為傳播自身遺傳物質的一種手段,可能影響了大腦社交行為的進化過程,那么,腸道菌群到底是如何影響社交行為的呢?

近日,來自愛爾蘭科克大學的John F. Cryan教授團隊在Science上發表題為Microbiota and the social brain的綜述,詳細總結了腸道微生物群和大腦社交行為之間的聯系的潛在機制,并描述了動物世界中這種聯系的多樣性,同時指出這些聯系可能有助于解釋腸道菌群與社交障礙之間相關的原因,以及如何將其作為靶標以影響大腦健康。

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一、“微生物-腸-腦軸”的作用機制

越來越多的實驗證據表明,在各種動物中觀察到的許多行為反應可能在其生命的不同階段受到腸道菌群的調節,在這種模式下,人們越來越重視闡明腸道菌群與大腦溝通的機制,本文作者從以下幾個方面介紹了微生物影響社會行為的交流途徑(圖1)。

1. 迷走神經

迷走神經是哺乳動物腦干中連接胃腸道與孤束核的主要神經通路。通過迷走神經切斷術等方法,迷走神經傳入最近被證明與腸內內分泌細胞形成突觸連接,通過谷氨酸神經傳遞促進腸與大腦之間的營養信號交流,甚至有臨床前的證據表明迷走神經能夠將蛋白質從腸道運輸到大腦。但是,也有實驗發現,迷走神經切斷術后,輕度胃腸道感染引起的小鼠焦慮樣行為明顯,這也提示并不是所有到達大腦的微生物信號都是由迷走神經介導的。

2. 微生物代謝產物

腸道菌群能夠產生大量的代謝物,如揮發性羧酸、酯類、神經遞質(如血清素)和各種脂肪酸,其中一些被證實可以影響大腦的生理機能和行為。例如,腸道菌群產生的各種短鏈脂肪酸(SCFA)代謝物可以通過它們的同源自由脂肪酸受體(FFAR)調節各種生理功能,包括某些中樞生理過程,此外,SCFA也可能通過調節參與其生物合成的酶的表達來影響大腦中神經遞質的產生。當然,作者同時也指出,由于SCFA的半衰期很短,我們需要更多的證據來確定腸道菌群產生的SCFA能夠到達大腦的生理相關濃度。

3. 免疫機制

研究表明,免疫在介導腸道菌群和大腦之間的交流中也起著至關重要的作用。一些臨床前的證據表明,腸道菌群可能會影響免疫系統甚至中樞神經系統的發育。一方面,腸道菌群可在局部影響免疫系統,如派爾集合淋巴結(Peyer patch)或腸系膜淋巴結;另一方面,細菌也可以釋放各種免疫激動劑,如脂多糖(LPS)和肽聚糖(PGN)進入血液循環,從而進入大腦。

4. 嗅覺機制

嗅覺——感知氣味的能力,是地球上所有動物生命的基礎,它使動物能夠探索食物并感知環境中潛在的毒素,還有助于社交互動。初步證據表明,腸道細菌和環境細菌都能影響嗅覺,在整個動物界,通過嗅覺進行的腸道菌群和大腦之間的聯系越來越受到重視,這些物種利用腸道微生物的副產品,如揮發性脂肪酸和酯類來調節交流。

圖1 腸道菌群調控社會行為的生物學途徑

圖1 腸道菌群調控社會行為的生物學途徑

二、微生物和社交行為之間存在著雙向關系

1. 社交性

社交行為可以影響許多無脊椎動物物種之間的菌群傳播,也可以通過細菌的水平轉移來塑造許多靈長類動物的微生物群,同時研究發現,在不同物種之間也可以發生微生物轉移。但是作者也指出,雖然腸道菌群的變化似乎與某些物種的社交性同步變化,但情況并非總是如此,這可能是不同的選擇壓力導致的不同的進化過程在起作用,因此表明在尋找微生物的社交性特征時需要考慮系統發育的影響。

2. 交流

研究表明,對于一些無脊椎動物,腸道菌群可以促進同種個體之間的交流,同時,微生物群也有助于某些脊椎動物物種之間的交流,而某些物種的微生物群可能起著鑒別同種物種的作用。

3. 社會免疫力

集體生活提供了廣泛的潛在好處,但它也伴隨著許多代價,包括接觸傳染媒介風險的增加。然而研究發現,暴露于具有社會性的感染源的威脅的增加可以被微生物群多樣性的增加所抵消,這使得免疫系統能夠與微生物群協同工作,以抵御有害微生物。免疫和宿主對入侵病原體的反應也可能對社會行為的微生物基礎產生影響,因為免疫系統通過各種免疫信號機制充當腸道共生細菌和中樞神經系統之間的管道。

4. 飲食和壓力

本文作者提出,社會性對動物行為的積極影響通常伴隨著一系列負面影響,比如社會壓力,它會導致健康和生育能力下降,增加對疾病的易感性,從而影響物種的整體健康。雖然社會交往可能通過增加壓力對腸道微生物群有害,但它們也可能是有益的,而這之間的平衡似乎在很大程度上依賴于社會關系。與此同時,草食性或肉食性飲食及其對腸道菌群組成的影響也可能影響了某些物種的社會行為的進化。

三、腸道菌群和社交障礙

社會行為缺陷表現在孤獨癥譜系障礙(ASD)、精神分裂癥、社交焦慮和抑郁等神經精神疾病中,患者要么無法與他人互動,要么退出社交活動。考慮到微生物群和大腦社交行為在動物世界中復雜的、雙向性的影響,腸道菌群在人類社交障礙中扮演重要角色的證據越來越多也就應該不是一件奇怪的事了。有趣的是,一些臨床前和臨床研究記錄了患有這些神經精神疾病的個體中胃腸微生物群的紊亂(包括細菌多樣性的減少和有益細菌數量的減少),而這種失調可能與觀察到的行為癥狀有關。越來越多的臨床發現表明腸道菌群在諸如ASD條件下受到了影響,本文作者也指出,未來的研究需要統計更多的患者并引入適當的控制,這將可能會對腸道菌群在這類疾病中的致病機制提供更深入的了解。

四、靶向微生物群治療社交障礙

微生物群和社交障礙之間的聯系表明,以微生物群為目標極有可能可以改善社會行為中的缺陷。基于微生物的治療策略已經在各種臨床前模型中顯示了其改變社交行為的潛力,一些初步證據也表明了其對人類的影響,例如益生菌和飲食結構對腸道菌群的調節都將影響社交行為。

綜上所述,腸道菌群對社交性及其神經生物學基礎的影響對生態學、進化論和人類生物學具有潛在的巨大影響。微生物群和中樞神經系統之間的這種聯系提供了一個生物學框架,用以闡明在整個動物界中,從群居性到非群居性的復雜行為模式是如何進化而來的,此外,它提出了關于某些生活方式的選擇(如飲食、抗生素使用、社會關系等)對人類健康的影響的重要考慮,同時也有助于對某些神經精神疾病的神經生物學基礎和未來治療的潛在發展提供了一個更好的理解。

參考文獻

1. 郭椿,賀平. 腦腸軸及其研究進展. 世界最新醫學信息文摘. 2017,17(95),89-91.
2. Marilia Carabotti, Annunziata Scirocco, Maria Antonietta Maselli et al. The gut-brain axis: interactions between enteric microbiota, central and enteric nervous systems. Annals of Gastroenterology (2015) 28, 203-209.
3. Clarke G, Dinan T, Cryan J.Microbiome–Gut–Brain Axis[M]. Encyclopedia of Metagenomics, 2013:425-437.
4. Chen X, D’Souza R, Hong ST. The role of gut microbiota in the gut-brain axis: current challenges and perspectives. Protein Cell. 2013 Jun;4(6):403-14.

文章來源:BioArt

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