作者：谷禾健康
导读
我们知道肠道微生物群是一个庞大且复杂的微生物生态系统。之前的文章我们讨论过肠道菌群与中枢神经系统，肠道菌群与社会行为等主题。今天要讨论的主要内容如下：
首先介绍已知的微生物群的发育轨迹，并提出：微生物群-肠-脑轴中存在“敏感时期”或“关键窗口”，对神经认知发育有影响。具体而言，假设这些微生物在这些时期的信号对于在整个生命周期内沿着轴建立适当的通信至关重要。因此，在特定的发育窗期内，微生物群的缺失或破坏将对特定功能或整个系统的管理产生不成比例的影响。
然后根据人类和非人类动物的研究为这一假设提供证据，研究微生物群与神经发育之间相互作用的潜在机制，最后讨论了未来发展过程中对微生物-肠-脑轴的研究所面临的挑战。
微生物群的发展
利用最新的测序技术，一个关于肠道微生物群在整个生命周期内如何发展以及这如何影响宿主的更清晰的画面开始浮现。微生物是否在子宫内定植是目前争论的热点。很明显，微生物群在出生时就迅速繁殖。
这种最初的播种和随后的微生物群落的发展取决于许多因素，但是有明显的成熟期。至少在阴道分娩的婴儿中，大多数早期肠道定植者是从母体微生物群传播的。在最初几天过后，微生物群数量和多样性缓慢增加，从主要是需氧或兼性菌转向更多的厌氧菌。早期的微生物群似乎倾向于提取营养物质，以支持宿主大脑和身体的快速发展。
随着婴儿从纯母乳喂养或配方奶粉摄入转向固体饮食，断奶时微生物群的发展又出现了一次快速爆发。根据一些研究，断奶后微生物群中会出现一段相对稳定的时期。然而，其他研究结果表明，在整个童年中期甚至青春期都存在着持续的变化和可塑性。这些调查显示了一种从童年中期逐渐发展到成人的模式。
有趣的是，微生物群的变化周期与其他身体系统，特别是大脑的快速发展时期一致。这种平行发展很可能是生物相关的，我们假设这些发育窗对应于微生物-肠-脑轴的敏感期。
敏感期
敏感时期（通常与“关键时期”和“临界窗口”同义）被定义为特定的发育窗，在此期间，系统表现出高度的可塑性，并且对某些环境线索特别敏感。这些提示(也称为“预期输入”)用于以高效的方式调整系统。
微生物-肠-脑轴发育的敏感期
假设来自微生物群的信号对于某些功能是必需的，就像预期的输入来校准微生物-肠-脑轴。因此，在特定发育窗期内，微生物群的缺失或破坏将对特定功能产生不相称的影响，这些功能与破坏的时间窗相关，并可能对整个系统的调节产生不相称的影响。
图：许多因素影响微生物群的发育，因此可能改变微生物群-内脏-脑轴的发育轨迹
此外，外部线索，如饮食变化和暴露于环境微生物，可被视为发展中的微生物群的预期输入（见上图）。多个敏感期可能发生在整个微生物-肠-脑轴的发展过程中，正如神经发育每个领域内有多个敏感期（见下图）。
图：敏感期，或高度可塑性的关键窗口，在人类发展过程中以级联的方式出现，多个关键窗口为每个功能域（上轴显示）。微生物的峰值可塑性的时间框架（在出生后早期，断奶时，可能再次在青春期；下轴）与这些轨迹重叠，并且也与神经发育障碍（黑色显示）的峰值相一致。注意，与大脑相比，微生物群在发育期后表现出相对较高的持续可塑性。
微生物群本身似乎对生命早期的破坏特别敏感。尽管它的组成在整个生命过程中仍有一定程度的可塑性。
有人假设，肠道中早期的殖民者或“创始物种”对微生物群的最终稳定组成有着不相称的影响。微生物群成熟轨迹的性质也使其在发育过程中对外界影响的反应更灵敏。出生后的微生物群是相对不稳定的，在成熟过程中获得稳定性，可能是由于微生物群多样性增加。
微生物群不稳定的时期也发生在发育的后期，断奶时有明显的变化，青春期可能出现未充分研究的过渡（上图）。鉴于缺乏对婴儿期后微生物群发育模式的纵向研究，这两者之间很可能存在其他敏感时期。
还有证据表明，微生物群在发育过程中对肠-脑轴特别有影响。最近的研究发现，断奶时微生物群自然成熟的过程对免疫系统的发育至关重要，免疫系统是关键的肠道-大脑途径之一。断奶引起微生物群组成的突然变化，伴随着一种炎症激活的高峰，称为“断奶反应”。使用几种合理的方法改变断奶或抑制断奶反应，证明这种对断奶反应发育适当时间的干扰导致免疫系统的病理印记，增加了各种炎症反应的风险，以响应随后的免疫挑战。
更进一步进入微生物群-肠道-大脑轴，现在有几个例子支持微生物学调节大脑和动物行为的关键窗口的想法。
在不同年龄段，无菌的啮齿动物被“正常”（“正常”即来自特定的无病原体动物）的微生物群重新定殖的研究表明，在恢复无菌缺陷方面，断奶后再定殖比在出生后定殖更有效，至少对于大脑或免疫功能和行为的特定方面而言，断奶后是更有效的。例如，在断奶时重新定殖，而不是在成年后4周后重新定殖，可以使无菌小鼠的社会缺陷逆转。然而，在无菌动物中的其他功能即使在断奶时也不能通过再定殖来恢复，这意味着微生物群对这些功能的影响的窗口在断奶时已经关闭了。
为支持敏感期假说，对儿童期抗生素暴露的两项研究报告称，在生命的第一年接触抗生素，而不是在以后的时间点，对认知发展有负面影响。
微生物调节神经认知发育的证据
行为和认知发展
人类研究
两项研究，包括最近对芬兰一个大型队列的调查，观察到微生物群组成与非常早期的性格之间复杂的、性别特定的关系，包括外向性、调节能力和恐惧反应。
预测童年焦虑？
胃肠道不适与微生物群的破坏有关，已经被证明可以预测整个童年时期的焦虑，即使是最初的焦虑也是如此。在患有身体疾病的儿童群体中，微生物群调节心理或行为结果的证据是有限和混合的。然而，有一些研究表明，调节微生物群可以改善神经发育障碍的症状（见微生物群和神经发育障碍一节）。
关于人类的认知发展：有一项研究直接测量微生物群和认知表现，这是正在进行的北卡罗来纳大学早期大脑发展研究的一部分。在这组89名婴儿中，1岁时粪便微生物群的组成预测了2岁时马伦量表早期学习综合指数（全球认知指数）的认知表现。这种影响是由接受和表达语言领域的差异所驱动的。1岁时α多样性较低也预示着认知能力的较高，表现为α多样性与2岁时的整体早期学习综合、表达性语言量表和视觉接受量表呈负相关。
出生后第一年接触抗生素影响智商甚至发育？
最后，已经有了一些初步的人类发育研究，检查了与早期生命微生物群相关的神经/认知和行为结果。据报道，出生后第一年使用抗生素对小学期间的总体智商和阅读能力有不利影响。早期接触抗生素也会导致更大的行为困难，更多的对立行为，以及多动症和抑郁症症状。然而，由于研究人员没有直接检查微生物群，也没有收集抗生素使用原因的数据，因此很难确定这些拟议的微生物群——认知和微生物群——行为关系的强度。
随后，该研究小组对两种益生菌进行了安慰剂对照试验，这两种益生菌在怀孕期间和生命的前两年都有应用。在该样本中，抗生素使用率很高(前两年为80%，各治疗组之间相似)，益生菌对11岁儿童的认知和行为结果没有显著影响(Slykerman等，)，尽管早期使用抗生素的效果得到了复制(Slykerman等人，)。然而，这项研究又有几个局限性；没有理由选择益生菌菌株、剂量或给药方法，也没有对整个治疗过程中的微生物群进行测量（在这一研究领域常见的问题）。
最近在新生儿重症监护室（NICU）对早产儿进行的一项研究也检查了在妊娠期间给母亲或NICU住院期间给婴儿使用围产期抗生素的效果。在这项排除脓毒症确诊病例以减少感染的混杂效应的研究中，围产期抗生素使用与4-5岁时注意力问题增加相关。服用抗生素的儿童在脑电图（EEG）上表现出更高的delta功率，这是在ADHD中观察到的一种模式，被解释为发育迟缓。
最后，在新生儿重症监护病房（NICU）期间，鼓励父母和婴儿之间进行身体接触（从而传播微生物）的干预措施降低了行为和神经改变的风险（Firestein等人，年）。除了这一对人类发育结果的微生物群调节的初步证据外，还有更多的研究使用动物模型来探索认知和行为发育的不同方面。
动物-社会行为和认知
也许微生物调节动物模型认知和行为的最有力证据来自于对社会互动的研究。
小鼠
无菌啮齿动物通常表现出社交能力和社会刺激记忆的缺陷。在发育过程中抗生素耗尽后也观察到类似的效果，而某些益生菌种类的给药可以增强各种自闭症小鼠模型的社会行为和炎症引起的社会退缩。
果蝇
在果蝇中，发育中和成熟个体都依赖微生物群衍生的挥发性化合物作为社会信号，影响食物和交配偏好。这让人想起上述在人类婴儿身上观察到的微生物群组成和外向性之间的联系。因此，社会行为和跨物种观察到的微生物群之间存在着强有力的关系。有人假设，这种关系有一个进化基础，由宿主和微生物群落的社会互动的共同利益驱动。也就是说，社会互动鼓励微生物向不同宿主繁殖和转移，同时增加任何特定个体微生物群的多样性，对满足宿主的营养和健康需求具有潜在的好处。
之前的文章有详细介绍肠道微生物群调控社会行为的生物学途径。
点此处详细查看微生物群和社会行为
动物-学习和记忆
无菌动物研究表明，在没有共生微生物群的情况下饲养的啮齿动物表现出夸大的条件性恐惧反应，但在成年后的自发交替测试中，恐惧消失、物体识别记忆和工作记忆方面出现了的损害。青春期或成年期服用抗生素对新目标任务有类似影响，损害识别记忆。
抗生素给药对空间记忆性能的影响更为复杂，一项发展性研究发现，尽管有其他证据表明抗生素会慢性损害成年大鼠的空间记忆，但早期抗生素治疗并未改变成年大鼠的空间记忆。这些差异可能归因于抗生素方案和啮齿动物种类的差异；进一步的发育研究将有助于理解这种差异。
饮食或益生菌干预有希望恢复？
饮食干预在减少压力或其他微生物群干扰对整个生命周期学习和记忆结果的影响方面显示出了希望。
在成年啮齿动物中，益生菌补充被用于逆转压力、感染或抗生素治疗后的空间记忆缺陷，甚至在空间记忆、物体识别记忆和长期恐惧记忆方面为健康动物提供益处。
在青春期，饮食中添加ω-3多不饱和脂肪酸和维生素A可恢复慢性社会不稳定应激后盲肠微生物群的组成和新的物体识别障碍。
在发育早期，特定的益生菌菌株（鼠李糖乳杆菌和瑞士乳杆菌）拯救了暴露于早年母体分离应激的幼鼠条件恐惧行为的预期发育模式。压力大的婴儿表现出更持久的恐惧记忆，在恐惧消失后更容易复发，但这两种行为异常都可以通过益生菌治疗逆转。值得注意的是，益生菌治疗甚至可以有效防止这些应激性行为改变的代际传递。
大脑发育
形态学
关于微生物群在人类大脑结构发育中的作用的研究仍然很少。
在成年人中，聚类分析确定了与不同白质和灰质特征相关的不同微生物群组成，包括右海马、左伏隔核、右枕前沟和小脑的区域体积差异。微生物群中的α多样性也与肥胖成人的下丘脑、尾状核和海马的微观结构有关，而特定的放线菌门的相对丰度与下丘脑、丘脑和杏仁核的微观结构变量相关。
在儿童中，只有一项研究检测了大脑结构和肠道微生物群，报告了1岁时α多样性与2岁时左中央前回、左杏仁核和右角回体积之间的正相关。同样的研究还报告了基于微生物群聚类分析的特定区域脑容量差异。
在新生儿重症监护病房早产儿粪便微生物群移植研究中采用了一种更具实验性的方法。与高生长菌群的受试者相比，在NICU中生长不良的婴儿微生物群定植的无菌小鼠在神经元分化、少突胶质细胞发育和大脑皮层髓鞘形成的标记方面表现出大脑发育延迟的迹象。来自低生长婴儿的微生物群也影响各种神经传递途径，增加神经炎症，同时降低生长激素的循环水平。
在微生物群衰竭的动物模型中，同样可以观察到大脑结构发育的如此广泛的变化。
无菌小鼠的大体形态发生改变，包括杏仁核和海马体的扩张。无菌小鼠的形态在神经元水平上也有区域特异性差异，杏仁核和导水管周围灰质的神经元肥大，但扣带回前部皮质和海马的神经元较短、较不复杂。这些结构差异，至少在海马，可能与观察到无细菌和抗生物素治疗小鼠海马神经发生率的增加有关。与微生物群落相关的脑结构变化不仅限于神经元结构；无菌和抗生素诱导的微生物群落耗竭也会导致小胶质细胞成熟和髓鞘形成水平，而白质完整性与饮食诱导的大鼠肠道微生物群变化有关。
功能和活动
在成人中，几项脑成像研究表明，益生菌能够改变大脑对情绪刺激的反应，而某些微生物组分与大脑活动的不同模式相关。微生物群的代谢功能（特别是苯丙氨酸、阿多胺前体的合成）与未患多动症的幼年成人在奖赏预期期的腹侧纹状体活动减少有关。
据所知，只有两项研究发表在去年，这两项研究都发表在儿童大脑功能或活动的微生物调节上。
首先，在睡眠的1岁儿童中评估了各种大脑网络的功能连通性。肠道微生物群α多样性与杏仁核-丘脑、扣带回前皮质-右前岛叶和补充运动区-左顶叶三个独立网络的功能连通性相关。此外，后一组与2岁时的认知评估表现相关，可能为先前描述的微生物群与认知表现之间的关联提供了部分机制。
第二项研究是最近在5到11岁的儿童中进行的一项试验，这些儿童暴露在早期的逆境中（孤儿院的养育）和管理控制。在这个队列中，某些菌群的水平与前额叶皮层对情绪面孔的激活相关。这些分类中的一些在有早期逆境史的儿童中不太常见，支持他们认为微生物群在早期创伤经历和神经发育和心理风险改变之间起着联系作用的想法。
动物研究。本研究很好地拟合了动物早期应激模型中的观察结果。在母性分离后，一种已知会扰乱微生物区系的早期应激啮齿动物模型，大鼠幼犬表现出条件性恐惧反应的加速成熟。在压力期间的益生菌补充足以逆转对这两种行为的影响前额叶皮层的激活。
在压力环境之外，在各种动物模型中，微生物调节大脑功能或活动的证据基础越来越强。例如，对无菌动物杏仁核的转录组分析揭示了差异基因表达、外显子使用和RNA编辑。
最近的一项关于在缺乏微生物群的小鼠中消除恐惧的研究发现，内侧前额叶皮层的基因表达、神经元活动和树突棘重塑发生了显著变化。此外，有许多关于通过操纵微生物群而改变各种神经递质系统的报告，特别是关于5-羟色胺和BDNF（脑源性神经营养因子）。这项工作与脑形态学的研究一起，强调了微生物群对大脑发育的深远影响。
深入挖掘机制：微生物对神经发育的影响途径
目前，微生物-肠道-脑轴内存在许多已知的通信途径，包括迷走神经、HPA轴、脊髓、免疫系统和代谢产物的外周传输等。这些已在其他地方详细阐述。在这里就提供一个简短的和简单的概述，其中一些路径与一个具体的发展重点(见下图)。
微生物群-内脏-大脑轴由多个通道组成，允许微生物群和大脑之间双向交流。在发育过程中，一些关键的通路包括营养提取、免疫信号和屏障功能，以及沿脊髓、迷走神经和下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA轴）的神经和激素信号。
之前的文章有详细介绍微生物群与大脑之间的通讯途径。
多种直接（如迷走神经）和间接（如短链脂肪酸、细胞因子和关键的膳食氨基酸，如色氨酸、酪氨酸和组氨酸）途径，通过肠道微生物群可以调节肠-脑轴。
点此处详细查看肠道微生物群在神经系统疾病中的作用
代谢和养分利用率
也许解释微生物群对神经发育的调节作用的最简洁的假设是，微生物群是生长中的大脑必需营养和能量的关键来源。当然，众所周知，微生物群将原本不易消化的食物成分转化为具有营养或生物价值的产品，营养本身是一种公认的认知结果调节器。
母乳喂养是一种影响微生物群成熟的饮食因素，长期以来一直被认为可以改善认知结果，尽管最近的数据表明，这种影响在很大程度上是由诸如母亲智力或教育水平等混杂变量造成的。
另一方面，特定营养素缺乏和总体饮食质量低都与认知发展的长期负面影响有关，并且对易受伤害人群的营养干预已经被证明可以改善儿童期的认知结果。有人认为，这些影响需要从发展中的微生物群的角度来考虑。
为了支持这一论点，最近对荷兰小学生进行的一项队列研究发现，学龄前饮食与代谢表型之间关系的强度取决于微生物群的组成。
儿童营养不良延缓了微生物的成熟，从营养不良的儿童身上移植到啮齿动物或猪身上的粪便菌群表明，这种改变的菌群在与营养不良相关的发育迟缓和代谢问题中起着因果作用。在这两种动物模型中，通过补充唾液酸化的牛奶低聚糖来解决这些微生物依赖性问题。这些化合物通常存在于母乳中，作为微生物群的益生元，在营养不良儿童的母亲母乳中含量较低。
最近的另一项“微生物导向补充食品”试验发现，与传统食品治疗相比，在动物模型和营养不良儿童中都有很好的效果。
营养物的可利用性、微生物群和代谢发展之间似乎存在着重要的相互作用，通过喂养微生物群，微生物群可以喂养发育中的身体和大脑。
屏障功能
在微生物群和大脑之间，有两大屏障：胃肠道屏障和血脑屏障（BBB）。这些屏障的通透性与微生物来源的代谢产物和神经递质在微生物-肠-脑轴之间的传递特别相关；膜的渗透性越强，传递的信号就越多。这两个障碍有惊人的相似之处。
关于两个屏障：
首先，两者主要功能是防止入侵病原体和毒素。
第二，它们具有一些广泛的结构相似性，由一个细胞层组成，该细胞层与免疫细胞（尤其是肠屏障的T细胞、大脑的小胶质细胞）一起构成主要的物理屏障，这些细胞可以抵御病原体（尽管也有明显的结构差异，包括胃肠道粘膜层的存在）。
第三，尽管这些结构边界以及在这些关键界面上分离内外环境的重要性，但这两个屏障都不是完全不可穿透的。相反，两者对某些生物和化学元素都有选择性的渗透性。在健康状态下，这允许来自胃肠环境的营养物质或信号分子流入血液和/或在大脑和身体之间传递。然而，如果这些受到严密监管的系统崩溃，屏障通透性的增加会导致各种病理形式的脆弱性。
第四，这两种障碍在出生后仍在继续发展，在早期的发展阶段被认为是最易受伤害的。
最后，至少在动物模型中，胃肠道和血脑屏障都是由微生物群调节的。微生物群密切地调节胃肠道的发育，无菌动物在肠屏障中表现出深刻的结构和功能改变。这些变化包括紧密连接蛋白和mRNA（claudin-1和clauddin）的表达改变、微绒毛拉长和粘膜层丢失，所有这些都可能导致肠通透性的增加。
微生物群也与BBB的发展有关。无菌动物的血脑屏障通透性显著增加，从子宫开始一直持续到成年。无菌动物BBB完整性的丧失伴随着紧密连接蛋白（claudin和claudin-5）表达的减少。成年后，无菌动物的肠道和BBB通透性都可以通过再电离恢复，表明屏障功能和肠道微生物群之间存在着终生的联系。
之前的文章有详细介绍血脑屏障如何连接菌群和大脑。
点此处详细查看肠道菌群和中枢神经系统的关系
免疫系统
越来越多的文献正在探索“神经免疫轴”作为其自身的双向网络或作为微生物-肠-脑轴的一个组成部分。
除了调节屏障功能之外，炎性信号通过多种机制改变神经活动，包括与HPA轴和迷走神经的相互作用以及细胞因子在脑中的直接作用。
细胞因子是由许多不同类型的细胞产生的，包括大脑中的胶质细胞和神经元，也可以在外周分泌后通过血脑屏障进行主动转运。中枢神经系统中的细胞因子水平可以改变各种神经递质系统的代谢（包括5-羟色胺、多巴胺和谷氨酸）。以这种方式，异常的细胞因子水平可以扰乱许多重要神经回路的功能，包括那些与动机和情绪有关的神经回路。
某些细胞因子还可以作为生长因子和/或激活涉及各种基本细胞功能（生存、迁移、增殖、分化、凋亡）的基因途径，这些功能在发育过程中特别容易受到破坏。因此，异常细胞因子的产生（例如，孕期母体感染或过敏）是神经发育障碍的危险因素。因此，我们可以得出结论，适当的细胞因子信号和免疫功能对神经发育至关重要。
将神经免疫轴延伸到肠道微生物群中
胃肠道是人体最大的免疫界面，暴露于肠道微生物是训练免疫系统辨别有害和无害刺激并随后对这些不同元素产生适当反应的重要环节。无菌动物在先天免疫和适应性免疫方面都表现出深刻的变化，而特定的共生细菌可以调节体外和体内不同类型T细胞的成熟和平衡。
微生物群操作可改变细胞因子的循环和中枢水平以及小胶质细胞发育。此外，人们日益认识到免疫/过敏敏感性与微生物群-肠-脑轴的改变之间的联系。最后，为了与敏感时期假说保持一致，微生物-免疫相互作用和神经-免疫相互作用似乎也有关键的窗口。
下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴
研究微生物群在脑发育中的作用的一项开创性研究集中于下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴应激反应。
研究表明，成年无菌小鼠对束缚应激具有夸张的HPA反应，包括升高的ACTH（促肾上腺皮质激素）和皮质酮水平。这种影响可以通过分别与特定的益生菌或病原菌定殖而减弱或加剧。健康小鼠通过粪便微生物群转移的再吸收也减弱了HPA应激反应。
根据敏感周期假设，这种策略仅在6周龄时才有效。在发育过程中所经历的压力方面，微生物群在母体分离模型中已被证实介导了早期生活应激的影响。在这些行为方面，无菌小鼠不受母体分离的影响。用特定细菌（鼠李糖乳杆菌和瑞士乳杆菌）治疗也能有效地逆转母体分离应激对发育过程中糖皮质激素产生的影响，无论是在基础条件下还是在急性应激下。
迷走神经
迷走神经被认为是微生物群信号到达大脑的最直接途径。
胃肠道迷走神经传入的信号到达终纹核，终纹核通过投射到其他脑区（包括许多与行为相关的区域，如下丘脑、杏仁核、腹侧被盖区）充当“中继站”。
迷走神经损伤将阻止某些益生菌的行为影响。最近的研究表明，在一个孤独症基因小鼠模型中，断奶时的迷走神经切断阻止了益生菌治疗对社会行为的拯救。
临床意义
上述迹象表明，在早期发育过程中，微生物-肠-脑轴的敏感性，对宿主健康具有长期影响，对各种临床状况都有影响。在这里将