聪明宝宝的秘密，Cell子刊揭示婴儿肠道菌群如何影响认知能力
生命早期是肠道微生物群建立和大脑快速发育的时期，两者之间可能存在相互作用。肠道微生物群通过多种途径与大脑交流，影响情绪和行为，这表明了微生物群-肠-脑轴的存在。在人类中，肠道微生物群的组成与儿童早期的行为和情绪问题有关，但具体的作用机制尚不清楚。
2023年12月，西班牙科尔多瓦大学Tomas Cerdo等人在Cell Host & Microbe（IF=30.3）期刊上发表了题为“Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice”的文章。该研究利用16S rRNA测序技术发现了与认知能力相关的肠道微生物特征，宏蛋白质组学、靶向代谢组学分析揭示了微生物组氨酸裂氨酶和组氨酸代谢物与认知之间的关联，肠道微生物群可能通过调节与认知功能相关的神经递质和代谢物，从而影响记忆和学习能力。
实验设计
研究选择了6个月大的健康婴儿，使用贝利婴儿发展量表第三版（BSID-III）评估婴儿的认知、语言和运动技能。根据评估结果，将婴儿分为两组：认知得分高于中位数（Inf-aboveCC）和低于中位数（Inf-belowCC）的婴儿。收集婴儿的粪便样本，使用16S rRNA测序来分析和比较两组婴儿肠道菌群的组成和多样性。同时，利用宏蛋白质组学分析微生物群的功能特征；并使用靶向代谢组学检测粪便、尿液和血液中的组氨酸代谢物，评估微生物群的代谢活动。最后，通过粪菌移植实验，将Inf-aboveCC和Inf-belowCC婴儿的粪菌分别移植到两组小鼠体内，研究不同微生物群对小鼠认知功能的影响。
图1 实验设计
主要结果
01
肠道微生物群与婴儿认知能力的相关性
通过16S rRNA基因测序分析，研究者们发现Inf-aboveCC组的婴儿肠道中某些特定细菌的丰度更高，如Phocaeicola、Bacteroides和Bifidobacterium等。这些结果表明认知能力高于中位数的婴儿的肠道微生物群表现出更高的多样性和均匀性。
02
宏蛋白质组分析揭示婴儿微生物群中的认知特异性功能特征
通过宏蛋白质组学分析，研究者们发现与组氨酸代谢相关的酶，特别是组氨酸裂氨酶（histidine ammonia lyase, HutH）在Inf-aboveCC组的婴儿肠道微生物群中更为丰富。这表明肠道微生物群可能通过调节组氨酸代谢物水平来影响认知能力。
图2 宏蛋白质组学富集分析揭示了婴儿微生物群中的认知特异性功能特征
03
组氨酸代谢物与婴儿认知能力的相关性
与Inf-belowCC相比，Inf-aboveCC粪便中的尿刊酸水平显著较低，而尿液中的组胺、组氨酸和尿刊酸水平显著较高。粪便中的尿刊酸/组氨酸比例和尿液中的组胺/尿刊酸比例显著低于Inf-belowCC婴儿。某些肠道微生物类群与特定组氨酸代谢物的水平存在相关性。例如，粪便中的尿刊酸与Lachnospiraceae的丰度呈正相关，组氨酸与Ruminococcus的丰度呈正相关。这些结果表明肠道微生物群可能通过调节组氨酸代谢物的水平，影响婴儿的认知能力。
图3 组氨酸代谢组与婴儿的复合认知有关
04
肠道微生物群对认知的促进特性可以通过粪菌移植传递
将Inf-aboveCC和Inf-belowCC婴儿的粪便微生物群移植到无菌小鼠中，研究者观察到移植了Inf-aboveCC微生物群的小鼠在开放场测试（OFT）和新物体识别测试（NORT）中分别表现出更活跃的探索行为和更好的记忆能力。这表明肠道微生物群对认知的促进特性可以通过粪菌移植传递给小鼠。
图4 接受Inf-aboveCC粪菌移植的小鼠中比接受Inf-belowCC粪菌移植的小鼠有更好的记忆能力
05
粪菌移植对小鼠菌群和代谢水平的调节
与接受来自Inf-belowCC粪便微生物群移植的小鼠相比，接受来自Inf-aboveCC粪便微生物群移植的小鼠表现出了显著不同的肠道细菌组成，而这些特定的细菌种类与记忆功能相关。Inf-aboveCC小鼠的粪便中组氨酸水平较低，而其大脑皮层中的尿刊酸/组氨酸比值和尿酸/谷氨酸比值也较低。这暗示了肠道微生物群可能通过调节与认知功能相关的神经递质和代谢物的可用性，从而影响记忆和学习能力。
科技君点睛
这项研究首次证明了肠道微生物群可以通过调节组氨酸代谢物水平来影响婴儿的认知能力。这些发现不仅为理解肠道微生物群与大脑发育之间的相互作用提供了新的视角，也为未来开发基于微生物群的干预措施，以促进婴儿神经发育提供了可能。
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