微生物與思維:細菌如何影響心情、神經過程、認知、社會關系、發育和疾病

Microbes and the Mind：How Bacteria Shape Affect Neurological Processes Cognition Social Relationships Development and Pathology

期刊名稱：Perspectives on Psychological Science    時間：2019    影響因子：8.19

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你是否認為你的身體是你獨有？并不是！大約有10萬億種微生物和你共享身體，這些微生物統稱微生物組，包括真菌、古細菌和病毒，主要是細菌。研究發現，細菌對身體機能的一些影響至關重要，幾乎貫穿著我們整個人生閱歷。本文綜述細菌如何影響心情、神經過程、認知、社會關系、發育和疾病。

迄今為止，絕大多數微生物與人之間的互作關系研究都是心理學領域以外的學者。本文綜述按心理學子領域（例如情感科學、神經科學和認知科學）進行組織，展示細菌是如何關鍵性的影響身體機能及平時的日常生活。細菌是否發揮有益/有害作用并不完全取決于細菌的種類。相對于其它微生物的比例，宿主的生理以及外部環境因素等都會直接影響著細菌發揮功能。

本文綜述旨在讓我們理解微生物與思維的直接關系。同時在當今廣泛的跨學科研究中，讓生物學、臨床醫學和心理學家的理論和經驗都發揮出重要作用。研究結

情緒與情感科學

人體菌群的主要組成部分細菌與人心理行為和情感狀態相關，部分甚至可達到直接的因果關系。細菌可以更直接地改變宿主神經功能，從而影響各種心理過程和精神狀態。細菌在塑造情感狀態方面起著重要作用。情感是處理各種感官和生理信息的基礎，以及發展自我意思、建立有意義的社會紐帶。

一般情況下，保持腸道中大量有益細菌可以改善情緒和幸福感，而這些有益菌的減少則可能對幸福感產生負面影響。例如，Nishida等人在一項雙盲安慰劑對照研究中，實驗組每天服用含有益生菌飲料，3個月后實驗組表現出與慢性壓力有關的心理癥狀有所改善，其指標是皮質醇的增加減少，睡眠質量改善和副交感神經活動改善。Mika等人的研究進一步證明，食用富含益生元飲食的雄性大鼠表現出焦慮行為減少，并且神經回路中的基因表達發生了改變。Slyepchenko等人研究，化學誘導的結腸炎導致嚙齒動物中有益的腸道細菌減少，會同時出現焦慮行為和抑郁。

微生物-腸-腦軸的作用機制

越來越多的實驗證據表明，微生物組對大腦的影響可能與大腦對微生物組的影響一樣大。具體而言，即微生物組和大腦通過稱為腸腦軸的網絡進行定期雙向交流。腸腦軸促進了胃腸道微生物與中樞神經系統（CNS）和周圍神經系統（PNS）之間的分子信號傳導。它還促進了與腸神經系統之間的交流（ENS），它嵌入胃腸道的內壁，可以獨立于中樞神經系統來調節腸蠕動和組成。腸腦交流的最重要和研究最深入的特征之一是細菌產生和直接響應多種神經化學物質的能力。這些神經化學信號可以通過腸腦軸的生化和結構途徑傳播到大腦。

圖1：腸腦軸的交流途徑：細菌可以分泌神經遞質（例如，γ-氨基丁酸/GABA），從而誘導腸道細胞釋放可調節神經代謝產物產生途徑（腸神經系統（ENS），中樞神經系統（CNS）和周圍神經系統（PNS））。細菌還可以分泌短鏈脂肪酸（SCFA），這些脂肪酸會誘導神經內分泌細胞將氨基酸轉化為5-羥色胺，然后通過ENS途徑傳遞至大腦。病原菌的過度生長會增加腸道通透性，將有害細菌釋放到血液中。這會觸發免疫反應，并導致產生炎癥性免疫分子（例如：白介素6（IL-6）或（IL-10））和抗體（例如：向CNS和PNS發出信號的免疫球蛋白A（或IgA）（免疫激活途徑））。最后，信息通常沿著迷走神經在腸道和大腦之間傳遞。來自中樞神經系統的信號會影響腸道的運動，感覺和分泌功能，腸內微生物組可以通過傳入中樞神經通道（迷走神經傳播途徑）發送有關腸道運動和成分的信息。

1、血清素

5-羥色胺對于身體和心理健康至關重要，但5-羥色胺對胃腸道健康的重要性卻知之甚少。實際上，人體約90％的血清素位于腸道，其主要功能是調節腸蠕動。腸道產生的5-羥色胺對于健康的神經系統發育也很重要，DeVadder等人對嚙齒動物的研究表明腸神經系統中5-羥色胺受體的激活與其神經發生和神經保護有關，基于5-羥色胺的干預措施可能有效治療心理（例如抑郁癥，焦慮癥）和腸胃疾病相關癥狀。

2、γ-氨基丁酸

γ-氨基丁酸（GABA）與抑郁癥和焦慮癥有很強的聯系；低水平的GABA會增加與抑郁和焦慮相關的癥狀。苯二氮卓類藥物主要用于治療焦慮癥，因為它們會與大腦中的GABA受體結合，從而使GABA更加有效。某些腸道細菌也會產生GABA。Bravo等人研究發現，將產生GABA的細菌移植給小鼠后，健康的老鼠表現出探索行為增強。該結果間接表明即使健康的人群也有可能從益生菌中受益。

3、腦源性神經營養因子

腦源性神經營養因子（BDNF）與一系列心理疾病有關，例如重度抑郁癥和精神分裂癥。一直以來發現，人體內BDNF的低水平與較差的心理結果有關，某些藥物（例如抗抑郁藥）似乎可以為那些供應異常低的人恢復BDNF的水平。Bercik等人研究發現，致病細菌過多會導致小鼠海馬BDNF顯著減少，而焦慮和抑郁行為會隨之變化。給小鼠服用含有益生菌的長雙歧桿菌時，小鼠的焦慮和抑郁的行為也會減弱。這些研究表明，改善腸道微生物可以有效地增加低BDNF水平。

4、迷走神經

迷走神經對哺乳動物在中樞神經系統傳遞有關胃腸道以及其他器官狀態的信息中起著核心作用。迷走神經是構成細菌與大腦之間的主要神經通路。通過迷走神經手術切除等方法，切斷小鼠的迷走神經可以消除至少兩種共生細菌的抗焦慮作用，既鼠李糖乳桿菌和長雙歧桿菌以及鼠李糖乳桿菌的抗抑郁作用。人為的在小鼠體內定殖致病菌時，切斷迷走神經可以防止不良適應行為的出現，而沒有切除的小鼠會出現類似焦慮的行為。細菌影響心理結果的一種過程至少部分取決于迷走神經的完整性。

5、細菌缺乏癥

對無菌動物的研究表明，細菌的缺乏會導致許多有害的神經系統后果。具體而言，無菌動物缺乏關鍵的神經代謝產物，其大腦缺乏結構完整性。此外，微生物組支持小膠質細胞的生長和功能，這對于增強免疫反應以保護大腦免受病原體或內部損傷至關重要。甚至宿主微生物群的暫時耗竭也會導致嚙齒動物的結構和功能缺陷的小膠質細胞?？傊?，細菌不僅對人體有益，而且對大腦功能和發育至關重要。

認知與生命發展過程

細菌除了在分子結構水平上影響大腦外，還會影響神經活動的新興特性。具體而言，微生物組已牽涉到與個人處理、整合、理解新穎和熟悉信息的能力有關的一系列認知過程。同時，人類與共生細菌之間的關系通常都是互惠互利的，微生物組的影響范圍甚至可以拓展到人們的社交和人際關系。

1、記憶與學習信息的編碼和存儲對于人類和動物的日常生活至關重要，細菌在這些認知過程中發揮著作用。Gareau等人的一系列研究中發現，細菌感染導致病原菌的增殖導致小鼠記憶功能障礙，當小鼠接受含有一系列共生細菌的益生菌時，這種記憶功能障礙得到了預防，這表明旨在使腸道細菌正?；囊嫔赡軐φJ知功能有益，同樣，Beilharz和Morris研究發現，由于高脂飲食而導致微生物群嚴重失調的小鼠服用益生菌確實可以改善某些類型的記憶力。在人類中，通常食用豐富的膳食纖維和少吃加工食品對健康都有一定的幫助。但是，需要進一步的研究是哪些細菌菌株最直接影響與記憶有關的過程，以及它們與宿主飲食是如何相互作用。2、伴侶之間的親密關系

人們建立了社交關系，人際之間的細菌交換情況就會變得頻繁且有周期性。而且一旦確認了戀愛關系就會對微生物群落的組成產生更加強烈的影響，因為在這種關系中，會有多種渠道為細菌的交換和定殖提供了無與倫比的機會。例如，每一次接吻，大約有8000萬細菌被交換，伴侶之間的親吻越頻繁，它們的口腔和舌頭微生物群就越相似。汗水本身也沒有氣味，細菌定植在皮膚上就會產生氣味。同樣，性行為也會影響微生物群落。White等人研究發現，與一夫一妻制的雌性蜥蜴相比，非一夫一妻制的雌性蜥蜴泄殖腔中的微生物群落更加多樣化。給小鼠喂食某些類型的細菌會引起催產素的產生，經純化的羅伊氏乳桿菌細菌治療的小鼠睪丸激素增加。這表明細菌還會影響激素水平，通過親密或性接觸傳播可能會影響下游的神經和心理過程。

3、妊娠和嬰兒期

孕婦的微生物組在整個妊娠過程中都會經歷一些明顯的變化。從孕早期到孕晚期，促炎細菌減少，抗炎細菌增加等。多種行為因素也會影響嬰兒微生物組。例如，分娩方式（自然陰道分娩與剖宮產），分娩地點（醫院與家庭分娩）等對微生物組都有持久的影響。陰道出生的嬰兒往往是以產道和糞便中的乳酸桿菌菌株為主，而通過剖腹產出生的嬰兒微生物群主要由皮膚和分娩嬰兒的房間細菌組成。

在配方奶粉喂養和母乳喂養上，母乳喂養的嬰兒表現出健康的雙歧桿菌和乳桿菌物種種群，這些細菌可以增強營養吸收。最后，在妊娠和嬰兒期使用抗生素會導致細菌多樣性降低，尤其是有益細菌會大量減少。盡管后續細菌可能會重新定殖，但在這些關鍵發育時期缺乏大量細菌可能會對一系列神經和心理結果產生長期有害影響。

4、青春期和成年期

青春期是一個過渡時期，其特征是主要在神經解剖學變化，部分映射到細菌種群中觀察到的發育變化。例如，在兒童晚期/青春期早期，人類皮質中最關鍵的兩個變化涉及軸突髓鞘化和突觸修剪。Hoban等人對無菌動物的研究表明細菌參與了這兩個過程。具體而言，沒有微生物組飼養的動物在額葉前額皮質中出現高髓鞘化以及小膠質細胞存在缺陷。當然，由于細菌失衡而導致青春期神經系統發育受阻可能會伴隨著對認知發育產生不利影響，因此，青春期是一個階段，在該階段中神經，生物學，社交和細菌的變化相互協調，從而最終為健康或病理發展奠定了良好的階段。

5、老年期

老年人群中的生理過程尤其可能與微生物組有關。例如，炎癥隨著人體年齡的增長而惡化，細菌在調節全身和分子水平的免疫反應中起著重要作用。此外，腸道蠕動會隨著個體年齡的增長而降低，導致養分吸收變化，消化時間延長和排便不規律?？此莆⒉蛔愕赖淖兓?，都會影響微生物組的組成以及定居于人腸的細菌的比例。

隨著年齡的增長，藥物治療方案可能包括長期使用抗生素，抗生素的使用極大地影響細菌種類。所以70歲以上的腸道菌群與成年人和嬰兒的腸道菌群存在顯著差異，包括細菌多樣性的下降。

臨床心理學與精神病理學

社會行為缺陷表現在孤獨癥譜系障礙（ASD）、抑郁癥和焦慮癥、精神分裂癥等神經精神疾病中?；颊弑憩F為缺乏與他人的交流或交流技巧，與父母親之間缺乏安全依戀關系，臨床可見心境低落與其處境不相稱，情緒的消沉可以從悶悶不樂到悲痛欲絕，自卑抑郁，甚至悲觀厭世，可有自殺企圖或行為?？紤]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。Pinto-Sanchez等人研究發現對于患有腸易激綜合癥等疾病的人，益生菌可以改善GI和臨床抑郁和焦慮癥狀。盡管在某些情況下，益生菌可以具有足夠的抗抑郁或抗焦慮作用，以緩解人類的臨床分類癥狀，但這種情況如何發生以及哪種益生菌組合可能最適合治療，仍需要進一步研究。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。

基于微生物群開發未來的臨床治療

除以上討論的主題外。作者還介紹有關微生物組如何與許多其他與身心健康相關的挑戰（包括慢性疲勞綜合癥）相關聯的臨床研究，厭食癥，酒精中毒，精神分裂癥和躁狂抑郁癥。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，從大量示例中可以清楚地看到影響微生物組的因素與身心健康有關。究竟是哪種機制起作用，這些機制如何運作，以及哪種途徑最適合治療，仍在爭論中，但似乎益生菌的施用對行為改變的影響最大。

總

這篇綜述介紹了當前人腸道菌群的研究與心理科學的交叉，較為寬泛的介紹了菌群與多種人信息健康疾病的關系和作用原理。人體菌群的主要組成部分細菌與人心理行為和情感狀態相關，部分甚至可達到直接的因果關系。細菌利用迷走神經通路，通過血清素、γ-氨基丁酸和神經營養因子等物質影響神經系統功能。菌群缺失或失調也會導致記憶受損和學習能力下降等問題。菌群影響人的一生，包括個性、擇偶及親密關系等，嬰幼兒和青少年期是重要關口。心理障礙如自閉癥、抑郁和創傷后應激反應等都與菌群相關?；谖⑸锏闹委煵呗砸呀浽诟鞣N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。

DOI：https://doi.org/10.1177/1745691618809379