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微生物与思维:细菌如何影响心情、神经过程、认知、社会关系、发育和疾病

2020-01-02
文献简介

微生物与思维:细菌如何影响心情、神经过程、认知、社会关系、发育和疾病

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

期刊名称:Perspectives on Psychological Science    时间:2019    影响因子:8.19

你是否认为你的身体是你独有?并不是!大约有10万亿种微生物和你共享身体,这些微生物统称微生物组,包括真菌、古细菌和病毒,主要是细菌。研究发现,细菌对身体机能的一些影响至关重要,几乎贯穿着我们整个人生阅历。本文综述细菌如何影响心情、神经过程、认知、社会关系、发育和疾病。

迄今为止,绝大多数微生物与人之间的互作关系研究都是心理学领域以外的学者。本文综述按心理学子领域(例如情感科学、神经科学和认知科学)进行组织,展示细菌是如何关键性的影响身体机能及平时的日常生活。细菌是否发挥有益/有害作用并不完全取决于细菌的种类。相对于其它微生物的比例,宿主的生理以及外部环境因素等都会直接影响着细菌发挥功能。

本文综述旨在让我们理解微生物与思维的直接关系。同时在当今广泛的跨学科研究中,让生物学、临床医学和心理学家的理论和经验都发挥出重要作用。研究结


情绪与情感科学

人体菌群的主要组成部分细菌与人心理行为和情感状态相关,部分甚至可达到直接的因果关系。细菌可以更直接地改变宿主神经功能,从而影响各种心理过程和精神状态。细菌在塑造情感状态方面起着重要作用。情感是处理各种感官和生理信息的基础,以及发展自我意思、建立有意义的社会纽带。

一般情况下,保持肠道中大量有益细菌可以改善情绪和幸福感,而这些有益菌的减少则可能对幸福感产生负面影响。例如,Nishida等人在一项双盲安慰剂对照研究中,实验组每天服用含有益生菌饮料,3个月后实验组表现出与慢性压力有关的心理症状有所改善,其指标是皮质醇的增加减少,睡眠质量改善和副交感神经活动改善。Mika等人的研究进一步证明,食用富含益生元饮食的雄性大鼠表现出焦虑行为减少,并且神经回路中的基因表达发生了改变。Slyepchenko等人研究,化学诱导的结肠炎导致啮齿动物中有益的肠道细菌减少,会同时出现焦虑行为和抑郁。


微生物-肠-脑轴的作用机制

越来越多的实验证据表明,微生物组对大脑的影响可能与大脑对微生物组的影响一样大。具体而言,即微生物组和大脑通过称为肠脑轴的网络进行定期双向交流。肠脑轴促进了胃肠道微生物与中枢神经系统(CNS)和周围神经系统(PNS)之间的分子信号传导。它还促进了与肠神经系统之间的交流(ENS),它嵌入胃肠道的内壁,可以独立于中枢神经系统来调节肠蠕动和组成。肠脑交流的最重要和研究最深入的特征之一是细菌产生和直接响应多种神经化学物质的能力。这些神经化学信号可以通过肠脑轴的生化和结构途径传播到大脑。


图1:肠脑轴的交流途径:细菌可以分泌神经递质(例如,γ-氨基丁酸/GABA),从而诱导肠道细胞释放可调节神经代谢产物产生途径(肠神经系统(ENS),中枢神经系统(CNS)和周围神经系统(PNS))。细菌还可以分泌短链脂肪酸(SCFA),这些脂肪酸会诱导神经内分泌细胞将氨基酸转化为5-羟色胺,然后通过ENS途径传递至大脑。病原菌的过度生长会增加肠道通透性,将有害细菌释放到血液中。这会触发免疫反应,并导致产生炎症性免疫分子(例如:白介素6(IL-6)或(IL-10))和抗体(例如:向CNS和PNS发出信号的免疫球蛋白A(或IgA)(免疫激活途径))。最后,信息通常沿着迷走神经在肠道和大脑之间传递。来自中枢神经系统的信号会影响肠道的运动,感觉和分泌功能,肠内微生物组可以通过传入中枢神经通道(迷走神经传播途径)发送有关肠道运动和成分的信息。



1、血清素

5-羟色胺对于身体和心理健康至关重要,但5-羟色胺对胃肠道健康的重要性却知之甚少。实际上,人体约90%的血清素位于肠道,其主要功能是调节肠蠕动。肠道产生的5-羟色胺对于健康的神经系统发育也很重要,DeVadder等人对啮齿动物的研究表明肠神经系统中5-羟色胺受体的激活与其神经发生和神经保护有关,基于5-羟色胺的干预措施可能有效治疗心理(例如抑郁症,焦虑症)和肠胃疾病相关症状。

2、γ-氨基丁酸

γ-氨基丁酸(GABA)与抑郁症和焦虑症有很强的联系;低水平的GABA会增加与抑郁和焦虑相关的症状。苯二氮卓类药物主要用于治疗焦虑症,因为它们会与大脑中的GABA受体结合,从而使GABA更加有效。某些肠道细菌也会产生GABA。Bravo等人研究发现,将产生GABA的细菌移植给小鼠后,健康的老鼠表现出探索行为增强。该结果间接表明即使健康的人群也有可能从益生菌中受益。

3、脑源性神经营养因子

脑源性神经营养因子(BDNF)与一系列心理疾病有关,例如重度抑郁症和精神分裂症。一直以来发现,人体内BDNF的低水平与较差的心理结果有关,某些药物(例如抗抑郁药)似乎可以为那些供应异常低的人恢复BDNF的水平。Bercik等人研究发现,致病细菌过多会导致小鼠海马BDNF显着减少,而焦虑和抑郁行为会随之变化。给小鼠服用含有益生菌的长双歧杆菌时,小鼠的焦虑和抑郁的行为也会减弱。这些研究表明,改善肠道微生物可以有效地增加低BDNF水平。

4、迷走神经

迷走神经对哺乳动物在中枢神经系统传递有关胃肠道以及其他器官状态的信息中起着核心作用。迷走神经是构成细菌与大脑之间的主要神经通路。通过迷走神经手术切除等方法,切断小鼠的迷走神经可以消除至少两种共生细菌的抗焦虑作用,既鼠李糖乳杆菌和长双歧杆菌以及鼠李糖乳杆菌的抗抑郁作用。人为的在小鼠体内定殖致病菌时,切断迷走神经可以防止不良适应行为的出现,而没有切除的小鼠会出现类似焦虑的行为。细菌影响心理结果的一种过程至少部分取决于迷走神经的完整性。

5、细菌缺乏症

对无菌动物的研究表明,细菌的缺乏会导致许多有害的神经系统后果。具体而言,无菌动物缺乏关键的神经代谢产物,其大脑缺乏结构完整性。此外,微生物组支持小胶质细胞的生长和功能,这对于增强免疫反应以保护大脑免受病原体或内部损伤至关重要。甚至宿主微生物群的暂时耗竭也会导致啮齿动物的结构和功能缺陷的小胶质细胞。总之,细菌不仅对人体有益,而且对大脑功能和发育至关重要。


认知与生命发展过程

细菌除了在分子结构水平上影响大脑外,还会影响神经活动的新兴特性。具体而言,微生物组已牵涉到与个人处理、整合、理解新颖和熟悉信息的能力有关的一系列认知过程。同时,人类与共生细菌之间的关系通常都是互惠互利的,微生物组的影响范围甚至可以拓展到人们的社交和人际关系。

1、记忆与学习信息的编码和存储对于人类和动物的日常生活至关重要,细菌在这些认知过程中发挥着作用。Gareau等人的一系列研究中发现,细菌感染导致病原菌的增殖导致小鼠记忆功能障碍,当小鼠接受含有一系列共生细菌的益生菌时,这种记忆功能障碍得到了预防,这表明旨在使肠道细菌正常化的益生菌可能对认知功能有益,同样,Beilharz和Morris研究发现,由于高脂饮食而导致微生物群严重失调的小鼠服用益生菌确实可以改善某些类型的记忆力。在人类中,通常食用丰富的膳食纤维和少吃加工食品对健康都有一定的帮助。但是,需要进一步的研究是哪些细菌菌株最直接影响与记忆有关的过程,以及它们与宿主饮食是如何相互作用。2、伴侣之间的亲密关系

人们建立了社交关系,人际之间的细菌交换情况就会变得频繁且有周期性。而且一旦确认了恋爱关系就会对微生物群落的组成产生更加强烈的影响,因为在这种关系中,会有多种渠道为细菌的交换和定殖提供了无与伦比的机会。例如,每一次接吻,大约有8000万细菌被交换,伴侣之间的亲吻越频繁,它们的口腔和舌头微生物群就越相似。汗水本身也没有气味,细菌定植在皮肤上就会产生气味。同样,性行为也会影响微生物群落。White等人研究发现,与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样化。给小鼠喂食某些类型的细菌会引起催产素的产生,经纯化的罗伊氏乳杆菌细菌治疗的小鼠睾丸激素增加。这表明细菌还会影响激素水平,通过亲密或性接触传播可能会影响下游的神经和心理过程。

3、妊娠和婴儿期

孕妇的微生物组在整个妊娠过程中都会经历一些明显的变化。从孕早期到孕晚期,促炎细菌减少,抗炎细菌增加等。多种行为因素也会影响婴儿微生物组。例如,分娩方式(自然阴道分娩与剖宫产),分娩地点(医院与家庭分娩)等对微生物组都有持久的影响。阴道出生的婴儿往往是以产道和粪便中的乳酸杆菌菌株为主,而通过剖腹产出生的婴儿微生物群主要由皮肤和分娩婴儿的房间细菌组成。

在配方奶粉喂养和母乳喂养上,母乳喂养的婴儿表现出健康的双歧杆菌和乳杆菌物种种群,这些细菌可以增强营养吸收。最后,在妊娠和婴儿期使用抗生素会导致细菌多样性降低,尤其是有益细菌会大量减少。尽管后续细菌可能会重新定殖,但在这些关键发育时期缺乏大量细菌可能会对一系列神经和心理结果产生长期有害影响。

4、青春期和成年期

青春期是一个过渡时期,其特征是主要在神经解剖学变化,部分映射到细菌种群中观察到的发育变化。例如,在儿童晚期/青春期早期,人类皮质中最关键的两个变化涉及轴突髓鞘化和突触修剪。Hoban等人对无菌动物的研究表明细菌参与了这两个过程。具体而言,没有微生物组饲养的动物在额叶前额皮质中出现高髓鞘化以及小胶质细胞存在缺陷。当然,由于细菌失衡而导致青春期神经系统发育受阻可能会伴随着对认知发育产生不利影响,因此,青春期是一个阶段,在该阶段中神经,生物学,社交和细菌的变化相互协调,从而最终为健康或病理发展奠定了良好的阶段。

5、老年期

老年人群中的生理过程尤其可能与微生物组有关。例如,炎症随着人体年龄的增长而恶化,细菌在调节全身和分子水平的免疫反应中起着重要作用。此外,肠道蠕动会随着个体年龄的增长而降低,导致养分吸收变化,消化时间延长和排便不规律。看似微不足道的变化,都会影响微生物组的组成以及定居于人肠的细菌的比例。

随着年龄的增长,药物治疗方案可能包括长期使用抗生素,抗生素的使用极大地影响细菌种类。所以70岁以上的肠道菌群与成年人和婴儿的肠道菌群存在显着差异,包括细菌多样性的下降。


临床心理学与精神病理学

社会行为缺陷表现在孤独症谱系障碍(ASD)、抑郁症和焦虑症、精神分裂症等神经精神疾病中。患者表现为缺乏与他人的交流或交流技巧,与父母亲之间缺乏安全依恋关系,临床可见心境低落与其处境不相称,情绪的消沉可以从闷闷不乐到悲痛欲绝,自卑抑郁,甚至悲观厌世,可有自杀企图或行为。考虑到微生物群和大脑社交行为在动物世界中复杂的、双向性的影响,肠道菌群在人类社交障碍中扮演重要角色的证据越来越多也就应该不是一件奇怪的事了。有趣的是,一些临床前和临床研究记录了患有这些神经精神疾病的个体中胃肠微生物群的紊乱(包括细菌多样性的减少和有益细菌数量的减少),而这种失调可能与观察到的行为症状有关。Pinto-Sanchez等人研究发现对于患有肠易激综合症等疾病的人,益生菌可以改善GI和临床抑郁和焦虑症状。尽管在某些情况下,益生菌可以具有足够的抗抑郁或抗焦虑作用,以缓解人类的临床分类症状,但这种情况如何发生以及哪种益生菌组合可能最适合治疗,仍需要进一步研究。未来的研究需要统计更多的患者并引入适当的控制,这将可能会对肠道菌群在这类疾病中的致病机制提供更深入的了解。


基于微生物群开发未来的临床治疗

除以上讨论的主题外。作者还介绍有关微生物组如何与许多其他与身心健康相关的挑战(包括慢性疲劳综合症)相关联的临床研究,厌食症,酒精中毒,精神分裂症和躁狂抑郁症。微生物群和社交障碍之间的联系表明,以微生物群为目标极有可能可以改善社会行为中的缺陷。基于微生物的治疗策略,从大量示例中可以清楚地看到影响微生物组的因素与身心健康有关。究竟是哪种机制起作用,这些机制如何运作,以及哪种途径最适合治疗,仍在争论中,但似乎益生菌的施用对行为改变的影响最大。

这篇综述介绍了当前人肠道菌群的研究与心理科学的交叉,较为宽泛的介绍了菌群与多种人信息健康疾病的关系和作用原理。人体菌群的主要组成部分细菌与人心理行为和情感状态相关,部分甚至可达到直接的因果关系。细菌利用迷走神经通路,通过血清素、γ-氨基丁酸和神经营养因子等物质影响神经系统功能。菌群缺失或失调也会导致记忆受损和学习能力下降等问题。菌群影响人的一生,包括个性、择偶及亲密关系等,婴幼儿和青少年期是重要关口。心理障碍如自闭症、抑郁和创伤后应激反应等都与菌群相关。基于微生物的治疗策略已经在各种临床前模型中显示了其改变社交行为的潜力,一些初步证据也表明了其对人类的影响,例如益生菌和饮食结构对肠道菌群的调节都将影响社交行为。


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