科學家首次發現嬰兒的認知發展水平與特定種類的腸道微生物顯著相關

相信很多寶媽們在給寶寶擦屁屁時，順便會看一眼寶寶的便便，看看的它的形狀、顏色，以判斷寶寶是否健康。

最近，由北卡羅來納大學教堂山分校開展的一項研究表明，嬰兒1歲時便便中的微生物，還與2歲時的認知有關呢！具有某一特定細菌群落的嬰兒，在2歲時的認知測試中會表現得更好！相關的研究結果刊登在精神病學頂級期刊，《生物精神病學》雜誌上[1]。

該研究的通訊作者，Rebecca Knickmeyer ，興奮地說道「這是第一次發現腸道微生物群落與人類認知發展之間具有聯繫！」[2]

Rebecca Knickmeyer副教授

腸道微生物與大腦之間的聯繫已經毋庸置疑了，科學家們也總結出了數條腸腦交流的途徑，或是通過迷走神經，或是通過血液循環，或是通過免疫系統[3]。總之，條條大路通羅馬！

腸腦交流途徑示意圖：從上到下依次為迷走神經、血液循環、免疫系統

然而，腸腦交流的聯繫是何時建立起來的？目前，還沒有那項研究能回答這個問題。

科學家們已經知道，人類出生的第一年，是腸道微生物定植的關鍵時期。嬰兒從母親產道或經剖宮產後，鹼性厭氧的腸桿菌就成功定植在嬰兒的腸道中，成為嬰兒腸道中的主導菌群。

之後，伴隨母乳餵養或配方奶餵養、以及添加輔食等，嬰兒的腸道菌群種類變得越來越豐富，佔主導地位的菌群也會發生動態變化。到2歲時，嬰兒的腸道微生物群落逐漸趨向於成人的腸道微生物群落，變得更加多樣化、更適應環境的變化[4]。

0-2周歲嬰兒腸道微生物種類的動態變化圖：不同顏色代表不同種類的微生物，同一柱狀圖的顏色種類越多代表微生物的種類越多

與此同時，1到2歲也是兒童腦部發育最具活力和最關鍵的時期。這一時期，嬰兒的腦部體積迅速增加，到2歲時，大腦的體積可達到成人腦體積的80%-90%！[5]

其中，與認知有關的大腦灰質增加量可達149%，與運動相關的小腦增加量更是高達240%。腦部的這些變化為嬰兒的認知和運動提供了結構基礎。不過，這一時期，腦部發育如果出現異常，也會導致兒童出現自閉症、精神分裂症等精神疾病[6]。

那麼，嬰兒的腸道微生物與嬰兒的認知發展之間，是不是也存在某些聯繫呢？為了驗證這個想法，Knickmeyer副教授就帶領團隊開展了相關的研究。

他們跟蹤調查了89名健康嬰兒，採集了他們在1歲時的糞便樣本；利用結構核磁共振成像（sMRI）評估了這些嬰兒在1歲及2歲時的大腦結構；還利用馬倫早期學習量表（Mullen Scales of Early Learning），從大動作、精細動作、視覺感知、語言表達和語言接受能力等共5個方面，評估了這些嬰兒在1歲及2歲時的認知能力。

首先，研究人員對這些嬰兒的糞便樣本進行了測序分析。就像每個人都有一種血型一樣，根據腸道微生物之間的差異，這些嬰兒可分成三組：C1組有相對較多的普氏菌（Faecalibacterium），C2組有相對較多的擬桿菌（Bacteroides）,C3組有相對較多的瘤胃球菌（Ruminococcaceae）。這3組中，C1組的微生物種類最多，C3組次之，C2組最少。

不同的3個微生物群落，中間灰色實心圓圈代表佔主導地位的細菌

之後，研究人員對嬰兒腦部的sMRI圖像進行了分析。他們發現嬰兒在1歲時，與視覺感知有關的腦部區域體積，在3個組別中是有差別的，其中C2組嬰兒的最大；2歲時與運動有關的腦部區域體積也有差別，C2組嬰兒的最小。其他腦區並無差別。

接下來，研究人員又對這3組嬰兒的認知測試結果進行了分析。他們發現1歲時的嬰兒認知與腸道微生物群落之間並沒有相關性。這可能跟此時嬰兒認知發育的速度有關，也可能是由於此時的測試高度依賴嬰兒父母，導致出現了偏差。

但2歲時的嬰兒認知卻表現出很大的不同：C2組的嬰兒，認知得分最高（92分）；C1組的嬰兒，認知得分最低（72分）。當然，這些嬰兒的認知測試結果均在正常範圍之內。

不同微生物群落的嬰兒認知得分結果

這讓研究人員很吃驚！因為C2組的微生物的種類更少，理論上推測，認知能力應該更低才對。畢竟，之前的研究表明，嬰兒期的腸道微生物種類較少與不良的健康狀況（如1型糖尿病和哮喘）有關[7，8]。

為什麼會出現這樣的結果呢？研究人員又採用宏基因組學的方法，對這3組的微生物的代謝功能進行了預測分析。

原來，C2組腸道微生物中，與葉酸、生物素代謝有關的基因增加了，而與細菌致病性（如細菌的趨化性、細菌的運動）相關的基因減少了。這就解釋了為何C2組嬰兒的認知能力會更高了，因為葉酸是神經發育中重要的代謝物[9]，而腸道微生物的致病性降低對神經系統的發育也是有好處的。

如此看來，認知能力的「最佳」腸道微生物組合可能與其他健康狀況的「最佳」腸道微生物組合不同。

然而，「腸道菌群是否真的與發育中的大腦進行溝通嗎？」 Knickmeyer副教授也提出了疑問。她表示「這是我們現在正在開展的工作，我們正在尋找可能涉及到的信號通路。」[2]

雖然，當前的這些發現只是初步的，但研究人員認為早期干預腸道微生物群落的發展，可能是優化兒童認知發展或減少自閉症風險的關鍵。

需要指出的是，這項研究只是找到了腸道微生物與兒童認知發展的相關性，並不意味著因果關係。另外，對嬰兒糞便樣本的採集，僅限於1歲時的1次取樣。研究人員表示，採用多重測量的縱向研究將彌補這個不足，並有助於描繪腸道微生物群落變化與嬰兒認知發展之間的動態聯繫。

我們也期待，他們開展的後續研究，能夠發現腸道微生物對人類大腦的具體影響，找出最優的腸道微生物組合，破解人類健康之謎！

參考資料：

[1] Carlson A L, Xia K, Azcarate-Peril M A, et al. Infant Gut Microbiome Associated with Cognitive Development[J]. Biological Psychiatry, 2017.

[2]http://news.unchealthcare.org/news/2017/july/toddler-brain-development-bacterial-clues-found-in-dirty-baby-diapers

[3] Sampson T R, Mazmanian S K. Control of brain development, function, and behavior by the microbiome[J]. Cell host & microbe, 2015, 17(5): 565-576.

[4] Bokulich N A, Chung J, Battaglia T, et al. Antibiotics, birth mode, and diet shape microbiome maturation during early life[J]. Science translational medicine, 2016, 8(343): 343ra82-343ra82.

[5] Pfefferbaum A, Mathalon D H, Sullivan E V, et al. A quantitative magnetic resonance imaging study of changes in brain morphology from infancy to late adulthood[J]. Archives of neurology, 1994, 51(9): 874-887.

[6] Knickmeyer R C, Gouttard S, Kang C, et al. A structural MRI study of human brain development from birth to 2 years[J]. Journal of Neuroscience, 2008, 28(47): 12176-12182.

[7] Kostic A D, Gevers D, Siljander H, et al. The dynamics of the human infant gut microbiome in development and in progression toward type 1 diabetes[J]. Cell host & microbe, 2015, 17(2): 260-273.

[8] Abrahamsson T R, Jakobsson H E, Andersson A F, et al. Low gut microbiota diversity in early infancy precedes asthma at school age[J]. Clinical & Experimental Allergy, 2014, 44(6): 842-850.

[9] Chatzi L, Papadopoulou E, Koutra K, et al. Effect of high doses of folic acid supplementation in early pregnancy on child neurodevelopment at 18 months of age: the mother–child cohort 『Rhea』study in Crete, Greece[J]. Public health nutrition, 2012, 15(9): 1728-1736.

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