在下文中，让我们看看动物是如何形成自身微生物群落的？这些群落如何影响宿主新兴表型？再重点探讨微生物组和神经系统之间的联系，以及它们对动物行为的影响。

微生物群落对宿主生理、代谢和免疫功能的调节以及宿主行为均具有重要的影响。宿主-微生物群落相互作用对于维持体内平衡和促进健康的重要性，提出了关于动物及其微生物群落如何共同进化以及这些关系如何影响动物与环境相互作用方式的复杂进化问题。对此，夏威夷大学和加州大学洛杉矶分校的J. B. Lynch和E. Y. Hsiao回顾了宿主因素对微生物群落结构的贡献，以及相应的微生物群落对宿主表型的影响，他们还特别关注动物行为，并把它们作为了解微生物群落在形成宿主神经生物学中潜在作用的基础。

动物微生物群落是宿主生物学的重要修饰体，影响着一个物种的许多表型特征。宿主及其相关微生物高度整合的生理结构，导致了全基因组概念的日益流行。在生物进化过程中，一个动物宿主有机体和它紧密相连的微生物群落交织在一起发挥作用。由此产生的多物种集体面临着自然选择，这将促进成员生物的共同进化。微生物群落对其真核生物宿主的生物学做出了重大贡献，这种关联往往扩大了宿主的生理能力。

微生物群落巨大的生化潜力可能导致新兴表型的出现，宿主生物由于其微生物伙伴的贡献而获得新的生理能力。除了营养和代谢耦合外，微生物群落还被认为是复杂动物表型(包括行为)的调节因子。在某些情况下，这些联系有实验上确定的生化基础，但在其他情况下，这些关系是不明确的。人类微生物群尤其如此，在其中可以观察到数量惊人的多样性和复杂性，但是伦理上的考虑限制了实验的深入开展。尽管如此，从人类研究以及动物模型的实验证据中发现的相关性，还是指出了微生物群落、宿主神经生物学和行为之间的实质性功能相互作用。这些关联提出了一系列有趣的问题:①塑造复杂微生物群落的选择性过程是什么?②微生物群落能给宿主带来什么独特的生理特征?③受微生物群落影响的神经生物学过程如何影响宿主的健康?

共生伙伴的宿主决定因素

动物以多种方式塑造它们的微生物群系，这些机制中有许多是在宿主的遗传水平上实施的。研究人员利用近亲繁殖的小鼠品系间的杂交，发现了与特定肠道微生物相对丰度相关的宿主单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphisms，SNPs)。例如，免疫调节性Irak3-TLR2 (Toll-like receptor 2，Toll样受体2)信号通路上基因的变化可能通过改变宿主对肽聚糖的免疫反应能力，从而塑造了乳球菌和科氏杆菌科的相对丰度。类似地，Toll样受体5 (Tlr5)基因的早期表达与小鼠肠道菌群的改变有关，而这可能是通过增强对鞭毛细菌的免疫反应实现的。这些结果表明，广泛的先天免疫激活介导了宿主对菌群的控制。然而，有证据表明，这些影响至少部分是由微生物传播或环境因素造成的，因为当小鼠不在群体中饲养时，野生型和Tlr5缺陷小鼠之间的差异是不存在的。

在适应性免疫反应中，模式识别和体液反应也会影响微生物群的组成。免疫球蛋白A（immunoglobulin A，IgA）是识别肠道微生物的主要类型。宿主向肠腔分泌大量IgA与微生物结合，这些IgA要么微生物群亲和力低、广泛参与反应，要么相对特异性、具有较高亲和力，与数种细菌种系（在某些情况下，还有病毒）中普遍存在的基序结合。IgA反应如此广泛，使得一些研究人员将其视为一种先天免疫。这些广泛交叉反应的抗体在体内对细菌的反应性增强，显示了环境和宿主之间的协同作用。

在人类中，利用同卵双胞胎和异卵双胞胎之间的遗传变异进行的双胞胎研究已经确定了宿主基因和肠道微生物群组成之间的联系。在对1000对以上双胞胎粪便微生物群的研究中，包括克里斯滕奈尔科（Christensenellaceae）和绿脓杆菌科（Turicibacteraceae）在内的几个菌群显示出与宿主遗传变异的显著相关性。将这些丰度测量结果与SNP进行比较，确定了几个具有塑造微生物群组成潜力的基因位点。乳糖酶基因LCT的选择多态性与宿主乳糖酶活性降低和能够代谢乳糖的双歧杆菌种类增多有关。像这样的双胞胎研究也揭示了微生物群的组成与味觉和嗅觉基因之间的一些相关性，这共同指向了宿主控制微生物群的另一条途径：饮食。

饮食可通过引入新物种和提供特定的营养物质来改变微生物群的组成和活性，通过营养过剩和饥饿来选择某些微生物的富集或消耗，同时也改变了微生物群成员的表达谱。在人类，母乳低聚糖就是一个例子，它是母乳中的复杂碳水化合物，婴儿无法消化。然而，这些寡糖支持着新生儿微生物群的特定成员，包括双歧杆菌，它们在形成成熟的婴儿微生物群的同时，促进粘膜免疫。

有证据表明饮食对微生物的影响比宿主基因型更大。多项小鼠研究表明，改变饮食营养成分可以调节宿主因素如免疫信号。食物成分可以改变宿主和微生物之间的相互作用，介导微生物对宿主提供的营养物质的依赖。例如，宿主粘蛋白岩藻糖基化的遗传学改变，改变了肠道微生物群的组成和转录活性。只有当微生物群依赖于粘液聚糖作为营养源时，这种效应才会显现出来，而当小鼠食用富含多种碳水化合物的食物时，这种效应就会减弱，这表明饮食是肠道微生物群落的主要调节因素。这些观察结果为通过饮食干预“纠正”菌群失衡或缺陷提供了希望，有可能通过预测为特定微生物（益生元）及其基质进行营养补充。

通过调查不同种系间宿主基因型和微生物群组成，有可能深入了解进化史和微生物定植之间的潜在关系。Brooks等人描述了“系统共生”概念——即不同宿主和微生物群落结构之间的关系，他们还发现这一概念在不同动物物种中都是成立的。也就是说，动物物种形成事件通常可以由微生物群组成反映，关系越密切的宿主个体拥有越相似的微生物群。这种模式在物种内部和物种之间都适用，因为同一物种的成员比不同物种的成员表现出更相似的肠道微生物。

值得注意的是，这些共同进化的微生物群对宿主健康有着影响。例如，特定细菌，如植物乳杆菌，在果蝇发育的不同阶段促进多种适应性表型。黑腹果蝇幼虫会被植物乳杆菌的挥发物所吸引，并促进植物乳杆菌在其食物上的复制，增加细菌丰度，促进果蝇幼虫的生长。此外，植物乳杆菌必须反复摄入（即它不能稳定地定植于肠道），这表明微生物库的外部支持可能对宿主生理学有价值。

微生物群调控的新兴表型

除了互惠外，动物还依赖于特定的微生物来完成生命周期和活动（图1）。在与动物最接近的进化近亲之一，长鞭毛虫Salpingoeca rosetta中，从单细胞性向多细胞性的转变是由一种自然共生细菌Algoriphagus machipongonensis产生的一系列脂类介导的。该细菌伴侣产生至少两种磺胺基脂，刺激蔷薇科植物中多细胞玫瑰花结的形成，同时还产生至少两种促进玫瑰花结稳定性的溶血磷脂酰乙醇胺和一种抑制玫瑰花结形成的capnine脂。

 多细胞性在改善营养的同时会降低运动能力，因此，细菌对玫瑰结形成的刺激可能通过为S. rosetta提供不同的生活方式而产生环境特异性的适应结果(图1A)。因此，细菌的结合为宿主在环境变化时期的适应性提供了优势。

在某些情况下，这些蓬勃发展的关系可以提供互惠，促进伙伴之间的共同进化。例如，夏威夷短尾乌贼Euprymna scolopes与生物发光性gamma-proteobacterium fischeri之间的互惠共生关系就是在乌贼中一个特定进化的共生器官的界面上被严格调控的。虽然在实验室条件下，两种物种都可以单独饲养，不会受到严重损害，但细菌通过反照明的生物荧光伪装为乌贼提供了一种独特的躲避捕食者的能力，而乌贼本身并没有进化出这种能力(图1B)。作为回报，乌贼为V. fischeri提供了一个其他细菌无法进入的特殊生态位和丰富的营养来促进细菌丰度的提高。

类似地，微生物群可以赋予宿主消化难以处理的食物的能力，为宿主开辟新的生态可能性。在以木材为食的高级白蚁中，木碳水化合物的代谢能力是由中肠和后肠菌群的协同作用驱动的。白蚁利用能降解木聚糖的糖苷水解酶（这种酶主要由后肠共生菌-密螺旋体提供），使木材纤维素可为宿主利用。通过系统发育分析，发现这些基因极有可能来源于厚壁菌门细菌。这些木聚糖酶通过细菌间的水平基因转移被引入，使得这些白蚁能够吃木头，就像低等白蚁在真核共生生物的帮助下以木头为食(图1C，上半部分)。

在人类中也发现了类似的由微生物群引导的代谢转移的可能性，肠道微生物plebeius拟杆菌（B. plebeius）的基因组中富含卟啉酶和琼脂酶的基因，使其能够消化藻类碳水化合物。B. plebeius被认为是从降解海藻的海洋细菌中获得这些基因的。对宏基因组数据集的分析表明，B. plebeius及其糖苷水解酶在来自日本个体的肠道微生物群落中富集，在那里海藻是饮食的常见组成部分。这些酶在美国个体中含量不多,表明环境采集和/或饮食维护着这种能力，并可能因微生物组成而改变饮食(图1C，下半部分)。

除了影响寄主的饮食能力和活动外，内源性微生物群的成员还可以改变寄主的免疫状态，对宿主健康产生广泛的影响。例如，比较近亲繁殖小鼠的肠道微生物群落，发现了与上皮相关的梭状芽胞杆菌-分节丝状菌(segmented filamentous bacteria，SFB)的广泛影响。

SFB的存在改变了宿主的免疫反应，使辅助性T细胞向促炎/抗细胞外病原体状态极化(由Th17和白介素-17促进)，从而保护小鼠免受细菌感染。在一些自身免疫和神经系统疾病的小鼠模型中，同样的SFB诱导的T细胞也被发现是有害的。例如，在一个以炎症为基础的自闭症谱系障碍小鼠模型中，SFB的定植促进了后代的异常社会行为和刻板印象。这些发现强调了微生物群对宿主生物学某些方面的潜在影响，这些方面曾被认为是独立于肠道生理的，如大脑发育和行为。

微生物对行为和神经表型的影响

微生物群落状态和宿主行为之间的联系使我们对微生物群落如何塑造宿主的理解变得复杂。在许多生物体中，微生物群的改变可以解释广泛的大脑和行为表型。这些研究中有一些是有争议的，包括研究设计、数据解释，以及动物行为与人类行为障碍的生理相关性。其他的观察结果在不同的模型生物内部和之间都是可重复的，这为操纵微生物组可以改变动物行为和神经表型疾病的概念提供了证据。

微生物影响行为最初发现的例子包括生物体之间的嗅觉交流。由微生物直接产生的挥发性化学物质可以形成宿主的气味特征，这是社会交往的信号。例如，去除群居的切叶蚁的微生物群落，改变了蚂蚁中气味分子碳氢化合物的表达，并引发未处理过的巢穴同伴的攻击行为(图1D，上半部分)。来自同种蚂蚁体内的微生物群的再定植，消除了这种效应，而来自不同蚁群的微生物的定植则会刺激巢穴同伴的攻击行为。类似的现象已经被证明会影响黑腹果蝇的配偶选择。

这种微生物群也能改变脊椎动物的气味特征。虽然微生物气味特征可以用来区分哺乳动物的年龄、性别和群体差异，但它们对社会行为的真正影响程度仍不清楚。灵长类动物和其他哺乳动物的情况尤其如此，它们的社会动机更为复杂，对嗅觉交流的依赖程度也较低。

除了调节化学信号, 微生物组对内源性神经生物学途径行为(图1D上半部分，和图2) 的塑造能力也越来越受到重视。实验室啮齿动物、果蝇和斑马鱼，由于缺乏自然的微生物组，在传统的行为测定中表现出缺乏社交能力和社会偏好。这些测试通常使用自动跟踪软件来量化动物与熟悉的或不熟悉的同种动物互动的时间，类似于用于评估人类社会紊乱的指标。据报道,肠道微生物的变化导致社会行为异常出现在后代暴露于母体免疫挑战和产妇高脂饮食的情况下,而产后选择细菌治疗可以促进病因不同的老鼠的社会交往和沟通。

虽然确切的机制尚不清楚，但有证据表明，微生物可以改变或产生生物化学物质，从而改变大脑中调节社会动机的神经回路的活动。在微生物代谢物和它们的同源感受器，以及选择性激活和抑制神经元亚型的工具发展的推动下，使微生物与神经元之间的间接和直接信号传导研究成为可能。在某些情况下,分子由微生物产生,包括经典分子微生物相关分子模式和选择二次代谢物,可以直接进入宿主组织和感觉神经元(图2)。在其他情况下,微生物免疫系统的调制或宿主核心代谢对宿主神经系统产生后续影响。总的来说，这些发现支持了这样一种观点，即微生物可以改变宿主的生理状态，最终影响神经系统和行为。

除了社交相关的行为，许多对压力的反应，如风险规避和探索减少，都与微生物群的改变有关。几项针对不同模型生物的研究一致报告说，微生物群的耗竭或缺失可以减少应激行为。尽管这种行为现象背后的确切机制仍不清楚，但据认为是由循环应激激素(如皮质酮和促肾上腺皮质激素)水平的微生物依赖性变化介导的，这些激素流入下丘脑-垂体-肾上腺轴。

数百种循环代谢物由肠道微生物群调节，有证据表明，有些物质，如对甲酚、4-乙基苯基硫酸盐和吲哚氧基硫酸盐，可以通过内分泌信号改变行为。据报道，这些小分子的前体穿过肠道上皮，在宿主组织中被修饰，进入体循环，并穿透血脑屏障。据报道，一些微生物的代谢物，如吲哚及其衍生物，可以直接激活迷走神经，而迷走神经包含了一组位于肠绒毛内的神经元，它们的接受域支配着脑干。

大鼠感染产生吲哚的大肠杆菌后，表现出更高的压力诱导静止，探索行为减少、迷走神经神经元的激活标志物表达增加。内分泌和感觉神经通路也被认为有助于肠道菌群对动物进食行为的影响。微生物的新陈代谢调节循环中的营养物质和激素，如瘦素、胰岛素和胰高血糖素样肽1，这些物质会影响饥饿和饱腹感下的神经回路，而迷走神经细胞会检测周围的能量状态，并将这些信息直接传递到下丘脑的内稳态中心。

随着越来越多的研究揭示了微生物群成员对动物行为的影响，一个关键的问题是，人类微生物群的组成是否与人类的行为障碍有关。越来越多的报告表明，肠道菌群的改变与各种神经发育、神经精神病学和神经退行性疾病有关。然而，因果关系尚不清楚，甚至在对具有相同诊断的个体进行的研究中，对于这些疾病是否具有明确的微生物特征也几乎没有共识。这可能是由于多种因素造成的，包括每种疾病内在的异质性、生活方式和医疗状况的差异、研究方法的差异、分析小样本数据的困难，或者仅仅是缺乏与疾病相关的特定微生物。

尽管微生物群在神经系统疾病发病机制中的作用仍存在争议，但有证据表明，基于微生物群的干预措施有助于缓解行为症状。例如，在一项对18名患有自闭症谱系障碍和合并胃肠道疾病的儿童进行的开放性研究中，在粪便微生物群移植后，胃肠道和行为症状得到了改善。来自随机双盲安慰剂对照研究的更有力证据表明，益生菌（包括双歧杆菌和乳酸杆菌）对减少健康志愿者、早产儿以及慢性疲劳综合征患者的情绪困扰症状有积极作用。

此外，越来越多的证据表明，宿主相关微生物可与常见的神经化学物质和外源性物质（如抗精神病药和抗抑郁药）相互作用，这激发了人们针对这些相互作用改变宿主行为的兴趣。

宿主及其微生物之间的伙伴关系

宿主及其微生物群共同参与维持内环境平衡。可以说：①宿主相关微生物群落的组成和功能活动不仅由宿主内部因素决定，而且还由外部的影响决定。宿主的免疫反应、饮食和行为可以由微生物群形成和塑造。②微生物群可以赋予宿主多种表型，包括代谢、捕食防御和某些社会反应。③微生物群落-神经生物学相互作用可以改变正常发育和动物行为。随着越来越多的证据表明微生物可以改变复杂的行为，从进食和配偶选择到社交和风险规避，微生物对行为的调节可能会影响宿主的进化适应度，但还需要进一步的实验来验证这一点。

动物微生物群可以迅速改变宿主生理，对微生物群的破坏被认为是导致一系列健康和疾病状态的原因。如果不了解宿主和微生物群之间的联系，试图纠正与疾病相关的微生物群可能会产生不可预测的问题。最新发现的行为与微生物群之间的联系凸显了这把潜在双刃剑的风险和回报。

（编译：刘亚青）

参考文献：Science 2019;365:1405-1409