在我們的身體內，超過一半的細胞不是人類細胞，而是與我們共生的微生物。其中，腸道成為微生物最重要的聚集場所。數萬億個以細菌為主的微生物組成的群落，在這裡塑造了我們的健康狀況，而微生物群落的失衡已經被證實與多種疾病密切相關——從腸道疾病，到糖尿病、肥胖這些代謝疾病，甚至是神經系統疾病。而將微生物與多種疾病聯繫起來的關鍵，就是腦-腸軸。
越來越多的證據表明，宿主與腸道微生物相互依賴，而連接中樞神經系統與胃腸道的腦-腸軸在其中扮演着重要角色。微生物群落釋放的化合物隨着血液循環，通過腦-腸軸調控宿主的免疫反應、新陳代謝和大腦功能等生理功能。然而，大腦的神經元能否直接感知細菌的組分、細菌能否通過調節神經元來調控生理過程，仍是未知數。
在最新一期《科學》雜誌中，來自法國巴斯德研究所等機構的科學家揭示了大腦與腸道細菌之間的神秘聯繫。他們在小鼠模型中發現，下丘腦神經元能直接檢測腸道細菌活動的變化，並根據其變化調節食慾與體溫等生理過程。這項發現證明了腸道微生物與大腦神經元之間存在直接交流，或將為糖尿病、肥胖等代謝失調提供新的治療思路。
研究團隊聚焦於核苷酸寡聚化結構域2（Nod2）受體。這種模式識別受體存在於絕大多數免疫細胞中，可以幫助免疫系統識別細菌細胞壁的片段——胞壁肽。此前的研究已經發現，編碼Nod2受體的基因突變，與克羅恩病等代謝疾病，以及神經系統疾病和情緒障礙相關。但是，這些研究不足以證明大腦中的神經元活動與腸道中的細菌活動存在直接關係。
在最新論文中，研究團隊使用腦成像技術，觀察到小鼠大腦不同區域（尤其是下丘腦）的神經元都表達Nod2受體。進一步的實驗發現，當與腸道細菌的胞壁肽接觸時，神經元的電活動受到抑制。
而當Nod2在下丘腦的抑制性γ-氨基丁酸神經元中被特異性敲除，這些神經元就不再受到胞壁肽的抑制，這時大腦失去對食物攝入和體溫等過程的控制能力。結果是小鼠（尤其是老年雌性個體）體重上漲，並且更容易患2型糖尿病。
由此，該研究證明了神經元可以直接感知細菌的胞壁肽，此前人們認為這個過程需要免疫細胞的參與。論文通訊作者，巴斯德研究所的Pierre-Marie Lledo博士說：“作為大腦中心，下丘腦負責調控體溫、生育、飢餓與口渴等關鍵過程，而我們發現細菌的胞壁肽能直接作用於下丘腦，是一項令人驚奇的發現。”
這項研究說明，神經元可以檢測細菌的活動，例如繁衍與死亡，從而直接判斷食物攝入對於腸道平衡的影響。特定食物的過量攝入可能刺激某些細菌或病原體不成比例地增長，因此危害腸道微生物組的平衡。
胞壁肽對下丘腦神經元和代謝的影響，也讓人們開始關注其對於其他大腦功能的潛在影響，並有望幫助我們理解特定大腦疾病與Nod2基因突變的關聯。這項發現也為其他神經科學、免疫學與微生物學的交叉學科研究指明了方向，基於這項突破，我們可以期待，更多大腦疾病和代謝失調疾病或將迎來全新療法。
參考資料：
[1] Ilana Gabanyi et al. Bacterial sensing via neuronal Nod2 regulates appetite and body temperature。 Science（2022） DOI： 10.1126/science.abj3986
[2] Decoding a direct dialog between the gut microbiota and the brain。 Retrieved Apr。 15， 2022 from https://medicalxpress.com/news/2022-04-decoding-dialog-gut-microbiota-brain.html