论文部分内容阅读
研究背景肠道微生物和人脑通过多种可能的途径相互作用,共同组成“微生物-肠-脑轴”。微生物可以通过“微生物-肠-脑轴”与宿主的多种行为相互影响。肠道微生物可以对脑的发育和功能产生较大的影响,且与多种神经精神疾病密切相关。动物实验及临床研究都表明“微生物-肠-脑轴”之间存在双向交互作用。其中肠道微生物与脑之间可能通过多种潜在的途径相互作用。虽然“微生物-肠-脑轴”在动物研究领域有所进展,在人类中肠道微生物-脑-行为关系的本质和重要性还需进一步阐明。该关系的阐明有助于为临床实践中将“微生物-肠-脑”轴作为治疗和预防脑部疾病的潜在靶点提供科学依据。既往基于多模态MRI的研究表明肠道微生物与多种脑影像指标之间存在显著相关性,但目前尚无健康青年人中肠道微生物-脑影像-行为的关系及其内在机制的系统性研究。研究目的本研究联合运用多种MRI新技术和图像分析新方法、16S扩增子测序及非靶向代谢组学的方法,探讨肠道微生物-粪便及血液代谢物-脑影像指标-行为学指标之间的关系,旨在进一步阐明健康青年人中“微生物-肠-脑轴”相互作用的机制。1.利用多模态MRI融合指标及16S扩增子测序来系统地探究肠道微生物-脑-认知的关系。2.利用静息态功能MRI及16S扩增子测序来系统地研究肠道微生物-大尺度脑功能网络连接-行为的关系。3.在前两项研究的基础上,利用静息态功能MRI、16S扩增子测序及非靶向代谢组学来系统地研究肠道微生物-粪便、血液代谢物-多水平脑功能连接之间的关系,进一步寻找桥接肠道微生物和脑功能连接的分子机制。研究方法采集157名健康青年人的多模态MRI数据、粪便及血液样本,对粪便样本进行16S扩增子测序,对粪便和血液样本均进行非靶向代谢组学分析。1.首先利用5种多模态MRI数据进行融合分析,包括静息态功能MRI得到的局部一致性（regional homogeneity,ReHo）和功能连接密度（functional connectivity density,FCD）、动脉自旋标记序列得到的脑血流（cerebral blood flow,CBF）、扩散加权成像得到的分数各向异性（fractional anisotrophy,FA）;其次,通过进行微生物多样性和脑影像融合指标的相关分析及肠型之间的比较,全面探究肠道微生物与脑的关系;再次,探索肠道微生物相关的脑影像融合指标与工作记忆及注意的关系;最后,探究这些脑影像标志物是否能够中介肠道微生物与认知的关系。2.基于静息态功能MRI,用独立成分分析的方法提取经典的脑功能网络,并计算网络内和网络间的功能连接;其次通过研究网络内和网络间的功能连接与肠道微生物多样性、肠型的关系来评估肠道微生物与脑的关系;再次,探究肠道微生物相关的脑功能连接与睡眠质量、工作记忆和注意的关系;最后,尝试建立这些脑功能连接在肠道微生物与行为关系中的中介作用。3.分别计算体素水平、脑区水平和网络水平的功能连接,将各水平的脑功能连接与血液代谢物含量进行相关分析,探讨脑功能连接与血液代谢物之间的关联;其次,对于存在显著相关的血液代谢物,则进一步与粪便代谢物含量进行相关分析;对于存在显著相关的粪便代谢物,则进一步与属水平肠道微生物相对丰度进行相关分析;最后,尝试系统地建立肠道微生物-粪便代谢物-血液代谢物-脑功能连接之间的关联。研究结果1.肠道微生物多样性与额顶网络、默认网络及视觉网络的ReHo、FCD、CBF及GMV,广泛近皮层白质区的FA之间存在显著相关性。女性中Prevotella为主型和Bacteroides为主型的FCD、CBF、GMV和FA之间存在显著差异,男性中Prevotella为主型和Ruminococcaceae为主型的FCD、CBF、GMV和FA之间存在显著差异。微生物多样性相关的脑影像融合指标与工作记忆和注意间存在显著相关性,可以中介肠道微生物多样性和这些认知之间的关系。2.肠道微生物多样性和执行控制网络、默认网络及感觉运动网络的网络间功能连接、执行控制网络的网络内功能连接之间存在显著相关性。部分与肠道微生物多样性相关的网络间功能连接与睡眠质量、工作记忆及注意之间存在显著相关性,可以中介肠道微生物多样性与这些行为的关系。执行控制网络的网络内功能连接在不同肠型之间存在显著差异,而且相应的网络内功能连接与执行功能存在显著相关性,可以中介肠型和执行功能的关系。3.体素水平、脑区水平及网络水平的脑功能连接均存在肠道微生物-粪便代谢物-血液代谢物-脑功能连接的关联通路。涉及到的脑功能连接所属的脑网络包括默认网络、额顶网络及边缘网络等高级认知网络,感觉运动网络、听觉网络及视觉网络等初级网络;涉及到的代谢物包括谷氨酸、胆汁酸、犬尿酸及短链脂肪酸等;涉及到的属水平肠道微生物包括拟杆菌属、普氏菌属、双歧杆菌属等。研究结论1.本研究表明肠道微生物多样性和组成结构对多个脑系统的局部神经活动、功能连接、脑血流、灰质结构及白质完整性存在显著影响。而且,相应的神经影像融合指标可以中介肠道微生物和认知的关系。进一步证实了肠道微生物-脑-认知之间的关系,提示肠道微生物有可能作为认知功能障碍和相关脑疾病治疗和预防的潜在靶点。2.本研究首次证实了健康青年人中肠道微生物可以调节大尺度脑功能网络内及网络间功能连接（尤其是执行控制系统）。其中一些功能网络连接可以作为中介因素来调节肠道微生物与睡眠及执行功能的关系。这些发现可能从大尺度脑功能网络的角度拓宽现有的对肠道微生物-脑-行为关系的认识,可能有助于实现通过调节肠道微生物来改善睡眠质量和执行功能的设想。3.本研究发现一些肠道微生物-粪便代谢物-血液代谢物-多水平脑功能连接的关联通路,本研究拓展了前面两项研究的结果,表明肠道微生物可能是通过影响粪便、血液代谢物,进而影响脑。本研究进一步揭示了“微生物-肠-脑轴”相互作用的潜在机制,为基于肠道微生物预防和治疗神经精神疾病奠定了基础。