基于多模態(tài)MRI技術的健康青年人腸道微生物-腦-行為關聯研究

基于多模態(tài)MRI技術的健康青年人腸道微生物-腦-行為關聯研究基于多模態(tài)MRI技術的健康青年人腸道微生物-腦-行為關聯研究

摘要：

隨著腸道微生物被發(fā)現在調節(jié)中樞神經系統(tǒng)功能和行為中起到重要作用之后，越來越多的研究關注于揭示腸道微生物與腦-行為的相互作用。本研究旨在探討健康青年人的腸道微生物與多模態(tài)MRI技術下的大腦結構、功能連接和行為之間的關系，并初步探討可能的相關機制。我們招募了40名健康青年人（20女性，20男性），采集了他們的糞便樣品，對腸道微生物組成進行分析，并對他們進行了MRI掃描和行為學評估。我們分別分析了大腦灰質體積、白質領域的基于網絡的拓撲結構、功能連接的強度、局部和全局效率、小世界性和度中心性以及認知靈活性、社交能力和注意力的行為表現。通過多元線性回歸分析，我們發(fā)現腸道菌群和腦結構和性格特征之間存在顯著的相關性。我們還發(fā)現，腸道微生物群落對個體的注意力表現有著重要影響。最后，我們提出了一些可能的機制來解釋這些發(fā)現，包括免疫反應、代謝、神經傳遞和神經內分泌途徑。

關鍵詞：腸道微生物；多模態(tài)MRI技術；大腦結構；功能連接；行為；機制

正文：

一、介紹

腸道微生物是一種廣泛存在于生物體內的微生物群落，包括有益菌、有害菌和中性菌等。它們在腸道、皮膚和口腔等區(qū)域內密集分布。腸道微生物不僅具有助于身體消化和營養(yǎng)吸收的作用，同時也在身體健康維護方面發(fā)揮著重要作用，如提高免疫力、調節(jié)代謝和神經內分泌等，甚至在心理和行為方面也有著重要作用（Mayeretal.,2014;Sampsonetal.,2016）。

近年來，隨著腸道微生物在調節(jié)中樞神經系統(tǒng)功能和行為過程中的作用逐漸被揭示，越來越多的研究開始關注于腸道微生物與大腦的相互作用。研究表明，我們的腸道微生物群落可以通過多種機制影響中樞神經系統(tǒng)，包括通過免疫反應、代謝、神經傳遞和神經內分泌途徑等（Cryan&O'Mahony,2011;Sherwinetal.,2018）。在這一領域中，多模態(tài)MRI技術成為了最為流行和廣泛用于研究腸道微生物與大腦相互作用的先進工具。

多模態(tài)MRI技術可以同時獲取結構、功能、代謝和腦網絡的各種信息，包括腦空間激活、腦網絡拓撲結構、腦功能連接等。研究結果表明，腸道微生物可以影響腦結構、功能連接和行為特征等，從而構建了腸道微生物-腦-行為的關聯。目前，大多數研究都集中于疾病人群，而對健康人群缺乏深入的研究。

因此，本研究的目的是在健康青年人的隊列中，探索多模態(tài)MRI技術下腸道微生物、大腦結構、功能連接和行為之間的關系，并提出可能的機制假設，以期拓展對腸道微生物-腦-行為關聯的全面認識，為進一步研究疾病人群提供新的思路。

二、方法

2.1.參與者

我們在本次研究中招募了40名健康青年人，年齡范圍為18-30歲，其中20名為女性，20名為男性，年齡均值為（±標準差）。如圖1所示，所有參與者都接受了MRI掃描和行為評估，并抽取了糞便樣品進行腸道微生物組成的分析。

2.2.MRI掃描

我們采用3Tesla(T)MRI機器，采集了每位參與者的T1加權成像（T1W）序列、T2流體衰減序列(FLR)序列、血氧水平依賴的功能性磁共振成像(BOLDfMRI)序列。結合AnatomicalAutomaticLabellingAtlas(AAL)進行結構MRI圖像處理的識別和分類，定量計算參與者的灰質體積。功能MRI量化運用靜息態(tài)功能磁共振成像技術，在從參與者的腦灰質區(qū)域的坐標系中計算出每個腦區(qū)的BOLDfMRI信號。基于網絡的拓撲結構的計算我們采用GRETNA軟件計算大腦網絡的拓撲結構，包括全局和局部效率、小世界性和度中心性指標。我們使用CONN軟件進行腦功能連接的計算，包括靜息態(tài)和任務狀態(tài)下的功能連接強度。

2.3.行為學評估

為了確定參與者的行為特征，我們使用了多種心理學和神經學的評估工具。我們使用WCST（華盛頓大學紐芬蘭實驗程序）評估了參與者認知靈活性，使用BPDSI（雙極障礙－抑郁量表）評估了參與者抑郁癥狀，使用PAS（情感記憶任務）評估了參與者的情感記憶，使用ST（狀態(tài)-特質焦慮問卷）評估了參與者的焦慮情緒水平。

2.4.腸道微生物的分析

依據參與者的排便頻率和排便短期和長期歷史，我們收集了參與者的糞便樣品。然后，我們使用16SrRNA基因測序技術，并應用QIIME2和PICRUSt解析了腸道微生物的群落組成和代謝功能。

2.5.計算分析

我們使用SPSS軟件進行多元線性回歸分析，探究腸道微生物與MRI下的大腦結構、功能連接和行為之間的關系。我們還使用自動化神經網絡分析（ANN）算法來進一步檢驗不同特征之間的相互影響。

三、結果

我們在40名健康青年中發(fā)現了有意義的腸道微生物-大腦-行為相互作用關聯。我們發(fā)現腸道微生物和大腦灰質體積和腦網絡的拓撲結構和局部和全局效率之間存在顯著負相關。此外，我們發(fā)現腸道微生物和注意力表現之間存在顯著的正相關，而情感記憶和腸道微生物之間沒有明顯關聯。我們還通過自動化神經網絡分析（ANN）算法分析發(fā)現，腸道微生物可以影響后天形成的大腦連接管道。

四、討論

本研究的主要發(fā)現是，健康青年腸道微生物與大腦結構、功能連接和行為表現之間存在相互作用。尤其是，我們的研究發(fā)現腸道菌群與大腦的功能連接和局部和全局效率呈顯著負相關，而與認知靈活性表現呈顯著正相關。這些結論加強了腸道微生物與認知和快樂領域之間緊密聯系的理論，并為腸道微生物的作用機制提供了初步的證據。

此外，我們的研究結果還進一步支持了免疫反應、代謝、神經傳遞和神經內分泌途徑等機制來解釋腸道微生物-腦-行為關聯的假設，但是在這些機制之間的相互作用方面還有更多未知的領域需要進一步深入的研究。

因此，本研究的發(fā)現擴展了對腸道微生物-腦-行為關聯的認識，為在這一領域進一步探索腸道微生物對身體健康與心理學健康的影響提供了新的思路。

五、結論

綜上所述，我們的研究揭示了健康青年人腸道微生物和多模態(tài)MRI數據下的大腦結構、功能連接和行為表現之間的相互作用關系，其中包括通過影響注意力表現來影響行為的效果。了解這些關聯及其可能的機制能夠為我們研究腸道微生物-腦-行為相互作用的進一步研究提供新穎的觀點，并為潛在的治療與預防方面提供先進的指導本研究的發(fā)現表明，在健康的青年人中，腸道微生物與大腦結構和功能連接、行為表現之間存在密切的相互作用。具體來說，研究顯示腸道微生物與大腦的局部和全局效率呈負相關，而與認知靈活性表現呈正相關。這種關聯提供了初步的證據，支持了腸道微生物與認知和情感領域之間的緊密聯系這一理論。

此外，研究進一步支持了免疫反應、代謝、神經傳遞和神經內分泌途徑等機制來解釋腸道微生物-腦-行為關聯的假設。然而，在這些機制之間的相互作用方面還有更多未知的領域需要進一步深入的研究。

總之，本研究的發(fā)現擴展了我們對腸道微生物與大腦結構、功能連接和行為表現之間的相互作用關系的認識，為腸道微生物對身體健康和心理健康的影響提供了新的思路和可能的治療與預防方案。進一步的研究將有助于更好地理解這種關聯及其潛在的作用機制未來的研究還應該探討腸道微生物與各種心理障礙（如抑郁癥、焦慮癥和自閉癥等）之間的關聯。如果腸道微生物確實與這些障礙有關聯，那么這不僅會提供新的認知這些障礙的方法，也會為治療這些障礙提供新的可能性。臨床試驗應該探究腸道微生物活動的操作化干預（如通過膳食干預或將特定的菌株注入腸道）對健康和疾病狀態(tài)以及心理表現的影響。

此外，還應該研究腸道微生物對人類發(fā)育和衰老過程的影響。有證據表明，腸道微生物在幼兒期和成年早期定居和演化具有關鍵作用。未來的研究應該探索腸道微生物在不同年齡段內的影響，并檢查其與健康、認知和心理狀態(tài)的關聯。這些研究將有助于更好地了解腸道微生物在不同階段的影響，從而提供新的預防和干預方案。

總之，在未來的研究中，我們需要加強對腸道微生物的探究，以更好地了解它與心理健康、身體健康和人類發(fā)育過程之間的關系。這將為新的治療和預防策略提供基礎。另外，對致病微生物和益生菌的不同作用也需要進一步研究。最后，雖然腸道與大腦的聯系已被證實，但了解這種聯系的所有方面和機制仍需要在未來的研究中進行深入探討另一個方面，醫(yī)學科技的發(fā)展和醫(yī)學家們對腸道微生物的了解增加，也會出現針對不同微生物群體和作用的特定干預策略。例如，一些研究表明，多樣化的腸道菌群可能有助于增加抗生素使用后的恢復效果。因此，未來的研究也應該考慮如何利用這些發(fā)現來制定新的藥物和治療方案，以幫助患者更好地回復健康。

此外，盡管已經確定了腸道微生物與肥胖癥的關系，但科學家們仍在探索這種關系的機制和影響。未來的研究需要更加深入地了解腸道微生物在肥胖癥的發(fā)生、發(fā)展和預防中的作用。更重要的是，我們需要利用這些發(fā)現來制定更有效的方法來預防和治療肥胖癥。

最后，與其他已知風險因素相比，我們對腸道微生物在某些疾病中的作用了解甚少。許多慢性疾病，如心血管疾病、炎癥性腸病、自身免疫性疾病和代謝綜合征，與腸道微生物的菌群變化有關。未來的研究應該更加深入地了解腸道微生物與這些疾病之間的相互關系，以幫助我們更好地了解這些疾病的病因和預防。

綜上所述，腸道微生物領域的研究在過去幾十年中已經取得了重要進展，而未來的研究也需要更深入地探