社交能力还和肠道有关？新研究揭示肠道菌群如何控制大脑和社交行为
丁香学术
你是「社恐」吗？随着生活和工作节奏的加快，越来越多的人成了宅男宅女，拒绝甚至恐惧社交。
有研究报道社交行为受损是多种神经发育障碍的标志，包括自闭症和精神分裂症。我们往往认为神经发育由大脑调控，但近些年，一些科学研究发现，大脑还受到了肠道微生物群的影响。
2022 年 11 月 1 日，美国俄勒冈大学神经科学研究所的 Judith S.Eisen 团队在 PLOS Biology 杂志上发表了一篇题为 The microbiota promotes social behavior by modulating microglial remodeling of forebrain neurons 的研究性论文。该研究发现了肠道微生物会影响斑马鱼的社交行为，并找到了将肠道微生物群与大脑中社交行为相关神经元联系起来的途径。
在健康的鱼体内，肠道微生物会刺激一种叫做小胶质细胞的细胞，去修剪神经元之间多余的连接。修剪是健康大脑发育的正常部分。就像柜台上的杂乱一样，额外的神经连接会妨碍真正重要的神经连接，导致信息混乱。在没有这些肠道微生物的斑马鱼中，修剪没有发生，斑马鱼则表现出社会交往的缺陷。
图片来源：PLOS Biology
研究内容
社会行为是一种涉及大脑许多部分的复杂现象，该研究团队之前在斑马鱼大脑中发现了一组神经元，这些神经元是一种特定社交互动所必需的。通常，如果两条斑马鱼通过玻璃隔板看到对方，它们会互相接近并排游泳。但是缺失这些神经元的斑马鱼不会表现出兴趣。在这里，研究小组发现了一条将肠道中的微生物与大脑中的这些神经元联系起来的途径。
微生物群促进斑马鱼的社会行为
斑马鱼之间的社交大约在受精后 14 天表现明显，而影响社交的神经发育则应该发生得更早。为了验证「斑马鱼的正常社交行为发展需要微生物群的参与」这一假设，研究人员在斑马鱼受精后的第一周进行无菌饲养，然后在受精后第 7 天时给它们接种正常微生物群，并在受精后 14 天时评估它们的社会行为（这一实验组称为 XGF）。结果表明 XGF 斑马鱼存在社交缺陷，这指示正常社会行为的后期发展需要早期的完整微生物群。
图片来源：PLOS Biology
微生物群抑制 vTely321 神经元树突的复杂化
由于正常社会行为需要 vTely321 神经元，因此研究者假设微生物群可能通过调节 vTely321 细胞的数量来促进社会行为。他们观察到在受精后 7 天的含有正常微生物群的斑马鱼中 vTely321 神经元的平均数量为 229 个，在无菌斑马鱼中减少。然而，在第 7 天接种微生物群后，发育到第 14 天时，两者具有具有基本相同数量的 vTely321 神经元，这表明发育前期的微生物群并不会影响 y321Et 启动子的表达或通过促进 vTely321 神经元增殖来调节社交行为。
随后，研究者假设微生物群可能通过调节 vTely321 神经元的连接性来影响社交行为。为了检验这种可能性，研究者使用稀疏标记技术可视化单个 vTely321 树突。与含有正常微生物群的斑马鱼相比，XGF 斑马鱼中 vTely321 树突的总长度显著增加，但 vTely321 分支的平均长度没有明显区别。
为了检查早期 vTely321 树突发育受损是否会影响斑马鱼的后续社会行为，探究人员重建和量化了受精后 14 天无菌斑马鱼中的 vTely321 树突。相对于正常的斑马鱼，受精后 14 天的无菌斑马鱼 vTely321 树突的平均分枝长度相当，并且在受精后 7 天的无菌斑马鱼中观察到总树突长度增加。
由于受精后 7 天的无菌斑马鱼中的 vTely321 树突状结构持续到晚期发育阶段，尽管在此时重新引入了正常微生物群，仍然会表现出社交行为受损。这一结果表明存在一个早期发育窗口，在此期间，神经发育的微生物调节对于后期社会行为表达所需的神经元的正常连接至关重要。
图片来源：PLOS Biology
微生物群促进前脑小胶质细胞丰度并抑制 vTely321 神经突密度
小胶质细胞是调节神经突生长和修剪的大脑常驻免疫细胞，研究者假设微生物群可能通过小胶质细胞来抑制 vTely321 树突的复杂化。虽然社会表型直到受精后 14 天才观察到，但实验结果表明微生物群早在受精后 7 天时就调节了 vTely321 神经元形态，抑制 vTely321 神经元树突密度。
如果微生物群通过调节前脑小胶质细胞群的发育来发挥这种影响，那么应该可以在受精后 7 天的斑马鱼中观察到改变的小胶质细胞。
为了验证这一假设，研究者将带有荧光标记的无菌斑马鱼前脑小胶质细胞与正常斑马鱼的前脑小胶质细胞进行了比较。他们发现与对照组相比，无菌斑马鱼的前脑小胶质细胞显著减少，这加强了斑马鱼前脑中正常小胶质细胞需要肠道微生物群的结论。
图片来源：PLOS Biology
微生物群影响小胶质细胞基因的表达
小胶质细胞在不同脑区或执行不同的活动时具有不同的形态，因此小胶质细胞形态的测量可用于评估每个功能的小胶质细胞群体的比例。但通过分析前脑小胶质细胞的形态和动力学，研究人员发现微生物群并不影响前脑小胶质细胞的形态或动力学。
但是，微生物群影响小胶质细胞中基因的表达。在变形虫样的小胶质细胞和分枝状的小胶质细胞中，微生物群抑制了结晶蛋白家族基因的表达。在变形虫样的小胶质细胞中，菌群还抑制了迁移和趋化基因的表达，同时促进溶酶体功能、核苷酸代谢和线粒体功能相关基因的表达。在分枝状的小胶质细胞中，菌群抑制了溶酶体基因的表达，同时促进蛋白酶体基因的表达。在这些细胞中，微生物群还促进了其他部分基因的表达，包括对革兰氏阳性菌的防御反应、I-kB 激酶/NF-kB 信号的调节，这表明小胶质细胞对微生物信号的反应受到影响。
GO 分析表明，微生物群改变了小胶质细胞中的溶酶体和蛋白酶体的功能。此外，微生物群还促进了重塑小胶质细胞的其他通路，特别是补体信号通路，并明显促进了分枝状小胶质细胞突触重塑因子 c1q 的表达。
图片来源：PLOS Biology
总结
本研究研究表明，斑马鱼的微生物群是正常社会行为所必需的，并揭示了在斑马鱼中连接微生物群、神经回路的小胶质细胞重塑和社会行为的分子途径。
通过研究与行为相关的神经元，他们发现微生物群抑制了神经元树突的复杂性和正常社会行为所需的前脑神经元的靶向性。微生物群还影响了小胶质细胞的分子功能，包括促进补体信号通路和突触重塑因子 c1q 的表达。总的来说，该结果表明，在早期神经发育过程中，微生物群通过刺激小胶质细胞重塑来影响斑马鱼的社会行为，并为多种神经发育障碍的新干预提供了途径。
肠道微生物组破坏和神经突触修剪不良都与自闭症谱系障碍等一系列神经精神疾病有关。「如果我们能将这些联系在一起，它可能有助于更好地治疗各种疾病」，本文的第一作者 Joseph J. Bruckner 说。
未来，研究人员将致力于找出将肠道菌群与小胶质细胞联系起来的分子，更详细地绘制微生物和行为之间的通路。
