寄生蟲捕食你的身體或大腦的想法很可能會讓你不寒而慄。也許你會想象昆蟲狀的生物從胃裡爆出，或是一種惡意的力量控制你的行為。這些景象不僅僅是科幻小說作家的噩夢——自然界中充滿了這樣的例子。
以弓形蟲（Toxoplasma gondii）這種單細胞寄生蟲為例。當小鼠被其感染時，它們不幸地變得被貓吸引。一旦貓不可避免地吞噬了這隻註定倒黴的生物，寄生蟲就可以在其新的宿主體內完成生命週期。或者考慮一下冬蟲夏草（Cordyceps），這種寄生真菌可以生長到昆蟲的大腦中。這種真菌可以迫使螞蟻爬到植物上，然後完全吞噬其大腦。昆蟲死後，蘑菇會從其頭部 Sprout，使真菌能夠儘可能廣泛地傳播其孢子。
操控宿主行為的微生物並不侷限於自然的陰暗角落，儘管這些例子生動形象。我們的身體寄生著大量的外來微生物，其中一些微生物對我們擁有看不見的力量。這些微生物不是寄生蟲——它們生活在我們的身體上和體內，主要是在我們的腸道中，並且經常與我們建立共生關係。
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這種所謂的腸道菌群主要由細菌組成，但也包括病毒和真菌，它會產生複雜的生物活性化合物混合物。其中一些產物與人類激素和神經遞質非常相似，神經遞質是神經元用來相互交流的化學物質。長期以來，人們都知道腸道（小腸、大腸和胃）中的微生物在人類健康中發揮著作用。例如，腸易激綜合徵和胃潰瘍與微生物種群失衡有關。
在過去的幾年裡，科學家們一直在發現，我們體內的這些微小居民可能正在微妙地改變我們的情緒、情感，甚至可能改變我們的性格。腸道菌群似乎會改變大腦中的基因活動以及參與記憶和學習的關鍵區域的發育。這些腸道居民可能有助於解釋個體之間精神症狀的差異，以及他們對藥物的反應。腸道微生物也可能解釋個體內部和個體之間在情緒、性格和思維過程方面的一些差異。
早期的臨床試驗甚至表明，益生菌補充劑可以治療情緒障礙。最終，我們可能會了解到，我們的細菌湯中含有疾病的標誌物，這些標誌物可以廉價且快速地檢測出來。“對腸道微生物組的研究有可能改變健康和生物技術的許多方面，”科羅拉多大學博爾德分校的分子生物物理學家羅布·奈特說。
你的微生物自我
從你出生的那一刻起，微生物就開始在你身體的每個暴露表面和器官上定植。到三歲時，腸道包含大約 100 萬億個微生物。根據大多數估計，大約有 500 種不同的細菌物種將你的腸道稱為家，其中 30 到 40 種物種構成了大部分種群。家庭成員的微生物組成彼此之間比與無關人員更相似，同卵雙胞胎最為相似，這表明遺傳學有助於決定我們獲得的腸道居民。
人們之間的差異可以透過簡單地擦拭你的電腦鍵盤來瞥見。2010 年，奈特和他的同事表明，電腦鍵盤上的細菌與該電腦使用者手指上的細菌群落的相似程度，高於與不同鍵盤或另一個人的手上的細菌群落。這些微生物的基因組包含的基因數量大約是我們自身 DNA 的 100 倍。“在我們喜歡認為是‘我們’的身體中，百分之九十的細胞實際上包含微生物基因組而不是人類基因組，”他說。
對腸道生態系統的研究還處於起步階段，但人們對這一領域的興趣正在迅速增長。DNA 測序成本的大幅降低使研究人員能夠同時分析大量微生物，而不必在實驗室中一次培養一種微生物。科學家現在可以快速對腸道進行普查，並尋找微生物群與疾病之間的關聯。
2007 年，美國國立衛生研究院啟動了人類微生物組計劃，這是一項為期五年、耗資 1.15 億美元的計劃，旨在對儘可能多的腸道微生物的 DNA 進行測序。第二年，又成立了兩個小組：國際人類微生物組聯盟，旨在建立一個全面的資料庫；以及 MetaHIT，這是一個由來自歐洲八個國家學術界和工業界的 13 個合作伙伴組成的聯盟，擁有 4300 萬美元的資金。這些專案都旨在瞭解我們腸道中的物種與我們的健康有何關係。
這些群落的組成在整個生命週期中是高度動態的。飲食、藥物和其他環境因素的變化可能會在我們內部的生態系統中引發地震。但它們不是白吃白喝的寄生蟲。細菌透過發酵膳食蛋白質和多糖來幫助我們消化食物。它們合成身體需要但自身不產生的氨基酸和礦物質，並透過與免疫系統相互作用來保護我們免受病原體的侵害。微生物組多樣性似乎是總體健康狀況的良好指標——它隨著年齡的增長而降低，微生物組多樣性降低的人不僅比其他人更容易增加體重，而且更難減掉幾磅體重。因此，這些微小的生物也會干預大腦也就不足為奇了。
腸-腦連線
任何曾經在害怕時失去腸道控制的人都清楚地意識到大腦與身體內部管道之間的密切聯絡。我們用“直覺”來描述一種直觀的情緒反應，我們說做一些大膽的事情“需要膽量”。不太明顯的是，這些反應不僅僅來自一塊單一的肉塊，儘管它可能很複雜。
腸神經系統嵌入在腸道內壁中，擁有數億個神經元——是你大腦中神經元數量的千分之一。這個俗稱“第二大腦”的網路控制著腸道功能。它處理來自腸道及其微生物的資訊，而無需大腦一號的輸入。腸神經元透過迷走神經與大腦進行交流，迷走神經從大腦底部延伸到胸部和腹部，並向腸道傳送一束神經纖維。
腸道細菌與大腦之間最明顯的聯絡可以在我們體驗焦慮和壓力的方式中看到。例如，在日本九州大學的須藤信行及其同事 2004 年進行的一項有影響力的研究中，他們推測微生物可能參與大腦的壓力反應。他們此前曾表明，腸道微生物會影響生命早期免疫系統的發育。反過來，免疫系統在此期間與神經系統廣泛互動。為了進行調查，他們在新生的無菌小鼠的特殊條件下飼養，以防止微生物在其腸道中定植。然後將這些齧齒動物置於旨在誘發壓力的環境中，在本例中是透過限制它們的活動。
與正常小鼠相比，無菌小鼠血液中的應激激素水平更高，並且海馬體（一個對記憶形成和學習很重要的區域）中編碼腦源性神經營養因子 (BDNF) 的基因表達減少。當大腦生成新的神經元時，這些年輕細胞會生長軸突和樹突，以尋找現有的神經元網路加入。那些在這個過程中遇到 BDNF 蛋白質爆發的細胞更有可能存活下來並與其他神經元連線；那些沒有遇到的細胞將會枯萎。須藤的實驗表明，腸道微生物可能會影響記憶和學習網路的發育，從而影響齧齒動物應對壓力的能力。
為了加強微生物可能導致這些變化的論點，研究人員隨後用嬰兒雙歧桿菌（Bifidobacterium infantis）對無菌小鼠進行了定植，嬰兒雙歧桿菌是微生物群中最普遍的物種之一，也是最早在人類和齧齒動物新生兒腸道中定植的細菌菌株之一。新感染的齧齒動物的壓力反應平靜下來，與正常小鼠的壓力反應相匹配。
安大略省麥克馬斯特大學腦-體研究所的約翰·比恩斯托克和簡·福斯特最近在 2011 年發表的一系列研究中重新審視了這一想法。在一項實驗中，他們用一種已知會誘發相同效果的寄生蟲感染了小鼠——焦慮加劇和大腦中 BDNF 基因的活性降低。當他們隨後將長雙歧桿菌（Bifidobacterium longum）——另一種出生後腸道的早期定植者——引入小鼠體內時，寄生蟲的影響消失了。不知何故，腸道微生物似乎正在幫助齧齒動物的大腦。
然而，腸道細菌非常難以研究。研究人員不僅主要依賴動物模型，即使創造測試這些動物所需的條件也可能非常棘手。在無菌條件下飼養齧齒動物需要特殊的設施和裝置。此外，實驗室中居住在正常或對照小鼠體內的細菌可能有所不同。這些難以追蹤的微觀條件的變化可能會導致看似矛盾的結果。然而，總體資訊是，胃腸道微生物可以改變動物的情緒反應，儘管這些結果是積極的還是消極的可能取決於腸道內部和周圍的環境。
例如，比恩斯托克、福斯特及其合作者最近比較了無菌小鼠與正常小鼠的行為。這些無菌小鼠比對照齧齒動物更少焦慮。他們還看到了與這些結果相匹配的大腦變化——即，無菌小鼠中編碼 BDNF 的基因表達更多，以及海馬體中神經遞質血清素和杏仁核（大腦中處理情緒的區域）中谷氨酸的受體更少。血清素是情緒的關鍵參與者。穀氨酸與 BDNF 一樣，對學習和記憶至關重要，這表明腸道細菌可能對情緒以外的認知過程產生一定的影響。然而，當研究人員隨後嘗試將微生物引入成年無菌小鼠體內時，他們沒有觀察到行為發生變化。這一發現暗示，微生物在有限的發育時間視窗內發揮其作用。他們的第二項類似研究使用了不同的微生物，發現與另一種重要的神經遞質 GABA 相關的基因在整個大腦中的表達發生改變。這種化學物質的受體是常用於治療焦慮症的一類藥物（包括安定）的靶點。
為了更細緻地瞭解情況，研究人員解剖了小鼠的肌間神經叢，這是腸道神經網路的主要組成部分。他們將微電極插入單個神經元中，以記錄細胞對各種細菌的反應。這些記錄顯示，一些菌株的雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）和乳桿菌屬（Lactobacillus）（人類腸道中最普遍的細菌物種）可以阻止這些神經元產生衝動，並降低齧齒動物對腹痛的可見反應。
比恩斯托克和他的同事推測，這些神經變化可能透過迷走神經到達大腦。事實上，切斷齧齒動物的這條神經會消除微生物的影響。去年 12 月在巴黎舉行的微生物與健康研討會上提出的初步結果中也出現了一條可能的第二條交流線路：某些菌株的腸道細菌會產生短鏈脂肪酸，這些脂肪酸可以增加血腦屏障的通透性。這些分子可能會改變血液中哪些物質可以進入大腦。
儘管這種聯絡在齧齒動物身上可能看起來很牢固，但在人類身上缺乏類似的實驗，這使得人們對這些腸道入侵者可能在更復雜的生物體中做什麼存在許多疑問。“這些發現很有趣，但哪些細節可以推廣到人類還需要進一步的詳細研究，”奈特說。“我們知道微生物會影響許多組織中的基因表達，因此如果大腦是一個例外，那才會令人驚訝。” 加州大學洛杉磯分校大衛格芬醫學院的神經胃腸病學教授埃默蘭·梅耶爾對此持更加猶豫的態度。研究人員沒有機會在無菌環境中撫養嬰兒，而且我們的神經系統也沒有老鼠那麼簡單。“鑑於這些影響的穩健性，人們會期望其中一些影響也發生在人類身上，尤其是在生命早期，”他說。“但齧齒動物和人類大腦之間存在重大差異——它們沒有我們廣泛的前額葉皮層。”
用於大腦的益生菌
現在，越來越多的證據支援腸道生態與人腦之間存在聯絡。一個例子來自嬰兒——患有絞痛的嬰兒的腸道菌群多樣性低於同齡正常嬰兒，並且似乎更容易在日後承受壓力。其他資料來自益生菌補充劑的臨床試驗——富含微生物的片劑和培養物，例如新增到酸奶中的那些，據信有助於消化。
2011 年，法國研究人員發表了一項小型臨床試驗的結果，該試驗檢查了益生菌的抗焦慮作用。他們讓 66 名患者服用安慰劑或含有瑞士乳桿菌（Lactobacillus helveticus）和長雙歧桿菌（B. longum）（兩種常見的腸道居民）的益生菌配方，為期一個月。在實驗開始時和結束時，根據廣泛接受的清單對參與者的焦慮和抑鬱症進行了評估。在一個月結束時，服用益生菌的小組在參與者的自我報告中顯示的心理困擾跡象減少最多。
這些發現與其他人的觀察結果一致。在目前正在印刷中的一篇論文中，梅耶爾和他的加州大學洛杉磯分校同事克斯汀·蒂利什與 45 名健康的女性志願者合作，評估服用益生菌配方一個月的效果。他們將參與者分為三組：13 名受試者服用益生菌乳製品，另一組受試者服用以牛奶為基礎的非發酵乳製品，其餘女性則什麼也沒服用。當他們掃描每位女性的大腦時，他們發現，與兩個對照組相比，服用益生菌的參與者的靜息狀態活動（大腦在思考無關緊要的事情時的放電模式）顯著減少，並且她們的喚醒網路（包括杏仁核）對情緒面孔的反應也減弱。“我們還有其他幾項正在進行或正在計劃階段的研究，所有這些研究都旨在調查長期攝入益生菌或透過抗生素減少腸道微生物是否可以改變人腦的結構和功能，”梅耶爾說。
最終，腸-腦連線的概念很可能被證明過於簡單化。要更全面地瞭解微生物對心理景觀的影響，就需要考慮到身體中其他器官和系統及其各自微生物群落之間的喋喋不休。例如，痤瘡長期以來一直與焦慮和抑鬱症有關，1930 年，皮膚科醫生約翰·斯托克斯和唐納德·皮爾斯伯裡提出了“腸-腦-皮膚軸”假說來解釋這種聯絡。他們提出，情緒狀態可能會改變腸道微生物群，這可能會增加腸道的通透性並導致皮膚炎症。他們還提倡益生菌療法——一種含有嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）（乳製品中的常見新增劑）的牛奶製劑。比恩斯托克的研究小組最近發現了支援這一觀點的證據，表明乳桿菌可以舒緩因壓力引起的皮膚炎症，並恢復小鼠的正常毛髮生長。
我們可能還會發現，我們皮膚上的微生物可以與我們腸道中的微生物進行交流，從而影響我們的行為。“認為其他地方的微生物也參與其中並非不合理，”比恩斯托克說。“我們能否擁有一些可以改善健康和福祉的微生物軟膏？這種可能性令人興奮。”