0 前言

       所有动物（包括人类）的进化都与微生物群密切相关，肠道微生物群（gut microbial communities, GMC）是人体中微生物密度最大和含量最丰富的区域。先前大量研究已证实GMC与人体免疫系统^[1]、新陈代谢^[2]甚至多种器官的发育^[3]息息相关，GMC的失调可能是影响人类健康和疾病的关键因素。近年来，基础研究证实微生物群-肠-脑轴是一个双向的信息传递通路^[4]，GMC可以通过激活神经、免疫及体液系统等通路来连接微生物群-肠-脑轴，而大脑也可以通过上述通路反向调控GMC的构成^[5]。MRI技术能够定量分析脑的微结构和功能，已经成为研究脑科学的一个重要工具。因此本文将对MRI技术在GMC失调与疾病相关性的研究进展进行综述，以进一步揭示GMC在疾病中的作用机制以及为临床治疗提供线索。

1 微生物群-肠-脑轴的调控机制

       微生物群-肠-脑轴包括多种相互作用的途径和方式：（1）神经途径：GMC可以通过激活肠道的外在神经与迷走神经孤束核胞体以及脊髓背角第一层神经元形成的神经通路，将肠道的多种信息传递到大脑，进而影响中枢神经系统和宿主行为^{[6, 7]}。此外，GMC还可以合成5-羟色胺（5-hydroxytryptamine, 5-HT）等多种神经递质并通过改变神经递质的代谢途径进而影响大脑功能^[8]。（2）免疫途径：肠黏膜模式识别受体与GMC结合可以激活免疫细胞，从而产生白介素-6、肿瘤坏死因子-α等促炎细胞因子，其可穿过血脑屏障直接进入中枢神经系统，影响缺乏血脑屏障的下丘脑和脑室周围器官的功能^[9]。其次，GMC还可以直接影响中枢神经系统固有免疫细胞的数量和功能，进而影响脑功能^[10]。（3）体液途径：GMC代谢产物与肠上皮细胞受体结合进而促进肠道内分泌细胞分泌胰高血糖素样肽-1、酪酪肽等激素，这些激素通过血脑屏障参与摄食调控，新陈代谢及情绪表达^[11]。

2 MRI在微生物群-肠-脑轴的研究优势

       众所周知，神经退行性疾病、精神心理及代谢性疾病患者脑结构及功能均存在不同程度的异常改变并且与疾病严重程度密切相关^{[12, 13, 14, 15]}。虽然先前大量的研究表明患有这些疾病的个体存在GMC失调^{[16, 17, 18]}，但GMC异常具体引起了哪些区域的脑结构改变及功能紊乱，目前的认识还非常有限。神经影像学技术通过提取和挖掘患者的神经影像学数据，可以对脑结构及功能进行定量及半定量分析。与传统MRI技术相比，功能磁共振成像（functional MRI, fMRI）是一种用于测量与血流动力学相关的神经活动的成像技术，fMRI不仅能够评估GMC与静息状态下神经元活动的联系，还可以通过任务态的方法为GMC影响神经活动的响应性提供有力依据；结构MRI可定量测量脑组织各组分的密度和体积以及白质的大小、方向性和总体结构完整性，为探讨GMC对脑灰白质结构的调节机制奠定了基础。将微生物宏基因组数据与多模态MRI相结合，可为肠道菌群神经影像标志物的开发和后续在临床上的应用提供重要信息。

3 微生物群-肠-脑轴失调的MRI研究进展

3.1 神经退行性疾病

       阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）在临床上的特征主要为进行性认知障碍。轻度认知障碍（mild cognitive impairment, MCI）被认为是AD的前驱阶段，是正常老化和AD痴呆阶段之间的过渡期^[19]。LIU等^[20]通过静息态fMRI研究发现，与健康受试者相比，遗忘型MCI患者拟杆菌相对丰度增高并与小脑蚓部低频振幅分数值呈负相关，与反映执行功能的认知评分呈负相关。小脑与额顶叶、突显网络和默认模式网络（default mode network, DMN）等存在功能连接，参与计划、抽象推理、工作记忆等执行功能^[21]，提示拟杆菌升高可能影响患者执行功能。此外，遗忘型MCI患者厚壁菌门的相对丰度异常与额下回低频振幅分数值呈负相关，并与延迟回忆评分呈负相关，提示厚壁菌门异常可能与患者记忆功能损伤有关。因此，该研究推测遗忘型MCI患者可能存在特定的肠道菌群改变-脑自发活动-认知功能相关模式。WANAPAISAN等^[22]发现AD患者肠道中梭状芽孢杆菌和粪便杆菌丰度减少与海马和右侧杏仁核的灰质体积呈正相关。LIANG等^[23]则发现AD患者厌氧杆菌减少与海马体积呈正相关。梭状芽孢杆菌、粪便杆菌及厌氧杆菌均能产生短链脂肪酸，短链脂肪酸产生减少与AD相关^[24]。此外，NHO等^[25]通过结构MRI发现AD患者GMC代谢产物中增高的胆汁酸与双侧顶下回、颞叶及海马灰质体积呈负相关，这提示GMC代谢产物可能参与AD的发生及发展过程。有学者探讨了益生菌对AD患者脑结构的影响，他们发现相对于安慰剂组，服用短双歧杆菌的AD患者在随访24周后内侧颞叶萎缩进程减缓并且一般认知功能显著改善，这为AD的早期预防治疗提供了新方向^[26]。海马萎缩是AD的特征性影像改变并且随着AD的进展而加剧，上述研究已经表明GMC及其代谢物的改变与海马体积改变有关，提示GMC可能参与了疾病的发病机制。然而目前的研究样本量均较小且为横断面的研究，还需要进行纵向随访研究加以证实。此外，越来越多的研究已证实GMC失调与帕金森病^[27]等其他神经退行性疾病密切相关，但目前的研究多基于动物实验，且与神经影像学相结合的研究较少。日后的研究可结合多种影像学指标，采用多模态分析方法进一步反映GMC在神经退行性疾病发生及发展中的作用。

3.2 精神心理疾病

       背外侧前额叶皮质（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC）包括额上回、额中回等，参与认知的情绪管理和调控，其结构及功能异常可能是焦虑、精神分裂症（schizophrenia, SZ）等多种精神心理疾病的神经基础^[28]。在健康人群中的研究发现，负面情绪水平与GMC的alpha多样性和右侧DLPFC的灰质体积呈负相关^[29]。随后STRANDWITZ等^[30]采用静息态fMRI研究发现，焦虑患者拟杆菌相对丰度减少与DMN和左侧DLPFC之间的功能连接呈负相关。这两项研究提示GMC可能通过影响DLPFC结构及功能，进而引起焦虑、抑郁等负面情绪改变。COLEY等^[31]也发现早期处于逆境中的个体粪便代谢物中的苹果酸盐和谷氨酸甲酯的减少与突显网络、情绪调节网络、DMN等网络之间的功能连接呈负相关，认为GMC代谢物中谷氨酸通路的失调可能导致激活氧化应激过程，破坏上述脑网络之间的功能连接，进而增加焦虑和抑郁的发生风险。此外TILLISCH等^[32]通过任务态fMRI研究发现，健康受试者观看负面情绪图片后普雷沃氏菌群相对丰度升高并与海马BOLD信号呈负相关，海马的神经活动减少会增加情绪记忆的唤起。随后通过结构MRI研究结果显示，健康受试者拟杆菌群相对丰度减低与小脑、额叶和海马的灰质体积呈负相关，与消极情绪测试分数呈负相关，因此推测拟杆菌相对丰度的降低和抑郁样行为有关，这些结果进一步证实GMC失调可能影响大脑情绪和行为处理脑区的结构和功能。针对SZ的研究^[33]发现，患者的韦荣球菌科的丰度升高并与右侧额中回灰质体积呈负相关，有纵向研究提示额中回可能在SZ发病和进展中具有重要作用^[34]，因此推断GMC的改变可能与早期大脑结构的发育之间存在联系。LI等^[35]通过多模态MRI研究表明，与健康受试者相比，GMC的alpha多样性与SZ患者双侧脑岛、右侧中央后回及左侧额叶岛盖体积减少呈正相关，与双侧距状皮层、双侧舌回、左上枕叶皮层及右顶上小叶皮层局部一致性呈正相关，其中罗斯菌属丰度与右上颞叶皮层、左侧楔叶及右侧颞中叶局部一致性呈负相关。有研究提示伴有认知障碍的SZ整个皮质体积减小^[36]，颞叶与SZ的听觉言语幻觉密切相关^[37]，这进一步支持SZ的听觉言语幻觉和认知障碍可能与GMC的alpha多样性的改变有关。然而这些结果只能证明GMC与大脑参与情绪调节脑区的结构和功能存在关联性，尚不能确定直接的因果关系，设计严谨的动物实验和大样本量的纵向临床研究可能为确定GMC和精神心理疾病发病机制之间的因果关系提供依据。

3.3 肠易激综合征

       肠易激综合征（irritable bowel syndrome, IBS）是具有复杂病理生理学机制的多因素疾病^[38]，越来越多的研究认为GMC与中枢神经系统的双向作用在IBS发病机制中具有重要作用^[39]。LABUS等^[40]研究了IBS患者GMC改变与大脑结构之间的关系，发现梭状芽孢杆菌丰度增加与IBS患者壳核、伏隔核灰质体积呈正相关，且与前额叶及后扣带回皮质的灰质体积呈负相关，认为GMC的改变与IBS内源性疼痛处理和调节区域之间存在联系。随后该团队采用基于图论的方法进一步研究发现，IBS患者与对照组之间最大差异是梭状芽孢杆菌，在IBS患者中梭状芽孢杆菌影响皮质下（丘脑、尾状核和壳核）和皮质（初级和次级躯体感觉皮质）区域之间的连通性，且与壳核、尾状核和丘脑的度中心性呈正相关^[41]。这可能由于梭状芽孢杆菌可以调节宿主肠道嗜铬细胞中5-HT能系统的生物合成和释放功能，5-HT通过影响IBS患者基底神经节和躯体感觉网络区域，从而引起IBS患者内脏超敏反应和疼痛感知的改变。OSADCHIY等^[42]研究显示IBS患者的粪便代谢物中色氨酸、谷氨酸和组氨酸的增加与壳核和DMN脑区之间功能连接呈正相关，可能影响IBS患者调节疼痛的感知能力。此外，多项研究^{[43, 44]}发现益生菌能减轻IBS患者的严重程度，认为益生菌可能作用于包括杏仁核和额叶-边缘系统在内的多个与负面情绪相关的大脑区域网络。这些研究不仅进一步揭示了IBS的发病机制，提示GMC可能是通过影响IBS患者疼痛相关脑区和脑网络进而增加内脏超敏反应；此外，也为治疗IBS提供了新的方向，同时也从多个角度立体化的为GMC调控肠-脑轴提供了更加丰富的影像学依据。

3.4 肥胖

       奖赏网络参与摄食行为的调节，包括壳核、腹侧被盖区、伏隔核以及岛叶等脑区，其功能失调可能会引发难以控制的进食从而导致肥胖。DONG等^[45]通过结构MRI研究发现食物成瘾的肥胖女性肠道中拟杆菌、真杆菌和阿克曼菌丰度减少并与壳核、脑干、顶内沟之间的解剖连通性呈负相关。随后该团队^[46]进一步研究发现肥胖患者的普雷沃氏菌/拟杆菌（prevotella/bacteroides, P/B）比值升高与伏隔核度中心性呈正相关。多模态MRI研究结果也进一步显示，肥胖患者粪便代谢物中吲哚及其衍生物升高与杏仁核、前岛叶、伏隔核之间的解剖及功能连通性呈正相关^[47]。上述研究均提示GMC失调可能通过影响奖赏网络相关脑区之间的解剖及功能连通性，引起食物成瘾行为继而导致肥胖。此外，多个减肥手术研究^{[48, 49]}证实，术后患者肠道中拟杆菌、阿克曼菌等菌群丰度增加并与壳核和楔前叶之间的功能连通性呈负相关，提示减肥手术可能通过改变GMC调节饮食行为相关的奖赏网络，从而改善暴饮暴食行为。上述研究提示拟杆菌等特异性菌群可能在肥胖中具有至关重要的作用，针对这些菌群进行移植或药物相关研究将可能实现对肥胖的长期有效预防及治疗。

4 总结及展望

       综上所述，GMC失调可能参与神经退行性疾病、精神心理和代谢性疾病的发生及发展，通过影响海马、DLPFC、奖赏网络及躯体感觉网络等特定脑区结构及功能，从而引起认知、情绪、疼痛和摄食调节等神经功能的异常改变。然而目前对于GMC通过肠-脑轴如何参与疾病的作用机制还未完全阐明，其背后可能涉及更加复杂的多系统联合机制。未来应该基于大样本量的纵向研究更加深入探索GMC与脑结构与功能之间的联系，采用多种影像学指标、微生物组学、激素及细胞因子相结合的方式揭示相关疾病的病因及发病机制。采用设计严谨的动物实验探讨特定菌群与疾病之间的因果关系，寻找可以通过神经、体液及免疫途径调控疾病的GMC作为益生菌，为有效预防和治疗疾病提供新的方向。