人类拥有相对于体型而言异常庞大的大脑，这一演化优势伴随着巨大的能量需求——而肠道菌群可能在其中扮演了关键“赞助者”角色。 西北大学Katie Amato团队在 PNAS 发表的研究，通过将三种灵长类（人类、松鼠猴、猕猴）的肠道菌群移植到无菌小鼠体内，模拟了不同脑容量的菌群对宿主大脑的影响。结果显示：

• 移植大脑灵长类（人类、松鼠猴）菌群的小鼠，大脑中能量代谢与突触可塑性相关基因表达增强；

• 移植小脑灵长类（猕猴）菌群的小鼠，则出现与注意力缺陷多动障碍（ADHD）、精神分裂症、双相障碍、自闭症相关的基因表达模式；

• 令人惊讶的是，小鼠脑基因表达的变化模式，与真实灵长类大脑的物种差异高度相似——即“小鼠大脑获得了供体灵长类大脑的特征”。

该研究首次证明，肠道菌群的差异可因果性地改变宿主脑功能与发育，提示微生物组可能在灵长类大脑演化（尤其是能量分配）中扮演了重要角色，并为精神疾病的微生物组-脑轴假说提供了直接实验证据。

背景：大脑演化需要“额外能量”

灵长类中，人类拥有远超体型比例的脑容量（脑化指数最高），而大脑是全身耗能最高的器官（占基础代谢20-25%）。演化过程中，这种能量需求必须被满足——肠道菌群通过发酵膳食纤维产生短链脂肪酸（SCFAs）等代谢物，可贡献宿主总能量的5-10%，是潜在的能量来源。此前研究已发现，不同脑容量灵长类的菌群组成存在差异，但菌群是否能因果地影响脑功能，从未被实验检验。

方法：跨物种菌群移植（xenotransplantation）

研究者将三种灵长类的肠道菌群（通过粪便样本）移植到无菌小鼠体内：

• 大脑袋组：人类（脑容量约1300-1500 cm³）、松鼠猴（脑容量约25 cm³，但相对于体型仍较大）；

• 小脑袋组：猕猴（脑容量约90 cm³，相对于体型比例较小）。

无菌小鼠在断奶后定植菌群，8周后处死，分析大脑皮层的基因表达谱，并与已发表的真实灵长类大脑转录组数据比对。

核心发现：菌群可重塑大脑基因表达

1. 能量代谢与突触可塑性
移植大脑袋灵长类菌群的小鼠，大脑中氧化磷酸化、线粒体功能、突触形成与可塑性相关基因表达上调；而移植猕猴菌群的小鼠这些通路表达下调。

2. 与真实灵长类大脑模式一致
将小鼠基因表达谱与人类/猕猴的真实大脑转录组比较，发现：移植人类菌群的小鼠，其脑表达模式更接近真实人类大脑；移植猕猴菌群的小鼠，其脑表达模式更接近真实猕猴大脑。这表明，菌群本身足以使宿主脑获得供体物种的分子特征。

3. 神经发育障碍相关基因的意外出现
移植猕猴菌群的小鼠，其脑中与ADHD、精神分裂症、双相障碍、自闭症相关的基因表达模式被异常激活。此前流行病学研究已发现这些疾病与菌群组成相关，但本研究首次在实验上证明：菌群可能是这些疾病的因果驱动因素之一，而非仅仅是疾病的结果。

“这项研究提供了更多证据，表明微生物可能因果性地促成这些疾病——具体来说，肠道菌群在发育过程中塑造了脑功能，”通讯作者Katie Amato解释道，“基于我们的发现，我们可以推测：如果人脑暴露于‘错误’的微生物，其发育将改变，并出现这些疾病的症状——也就是说，如果在生命早期没有接触到‘正确’的人类微生物，你的大脑将以不同方式工作，这可能导致这些疾病的发生。”

演化意义：菌群或助力人类大脑扩张

本研究支持一种假说：在人类演化过程中，伴随饮食改变（如烹饪、发酵、高纤维食物），肠道菌群组成的演化可能为大脑提供了额外的能量支持，从而解开了“大脑-肠道”的能量约束。这一机制可能与其他人类特征（如长寿、免疫力）的演化协同发生。

临床与公共卫生启示

• 早期菌群干预：生命早期的菌群定植可能是神经发育的“关键窗口”，剖腹产、抗生素滥用可能剥夺婴儿获得“正确”菌群的机会；

• 菌群-脑轴疾病：本研究为利用益生菌、粪菌移植（FMT）治疗部分神经精神疾病提供了理论基础；

• 跨物种模型：本实验范式可用于快速筛选候选菌株，验证其对脑功能的因果影响。

未来方向

• 鉴定关键功能菌株及其代谢产物（如特定短链脂肪酸、色氨酸代谢物）；

• 追踪不同发育阶段（幼年、成年、老年）菌群对脑的影响；

• 在非人灵长类中验证菌群移植的效应，向临床转化迈进一步。

参考信息
Reference: “Primate gut microbiota induce evolutionarily salient changes in mouse neurodevelopment” by Alex R. DeCasien et al., 2026, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2426232122