人类的大脑是如何变得如此大的？答案可能在一个意想不到的地方：我们的肠道。来自西北大学的新研究表明，肠道微生物可能在满足灵长类动物进化过程中大型大脑的能量需求方面发挥了关键作用。该研究发表在《微生物基因组学》杂志上。
人类大脑的代谢需求
人类的大脑是进化的奇迹，以其相对于其他灵长类动物的大小和复杂性著称。然而，维持如此大的大脑在代谢上非常耗能。脑组织所需的能量大约是同等肌肉组织的20倍，主要是由于神经信号传递和突触形成等功能。这带来了一个进化难题：生物体如何在不牺牲其他重要过程的情况下获得足够的能量来支持一个大的大脑？
进化理论
以前的理论指出，饮食变化和遗传适应可以解释这一代谢难题。例如，“昂贵组织假说”认为，人类通过进化出较小的消化系统来抵消大脑增大的能量需求，这是由转向富含肉类和熟食的高质量饮食所推动的。这种权衡减少了肠道的代谢负担，使能量可以重新分配给大脑。此前的研究集中在比较影响灵长类动物脑容量的遗传和环境因素，提供了关于脑容量增加（即脑化）的进化路径的见解。然而，对于不同脑容量的灵长类动物如何利用能量，以及这些代谢特征如何在物种间发展，了解仍然有限。
肠道微生物的影响
“肠道微生物群落的变化是一个未被探索的机制，它可能影响灵长类动物的代谢，从而满足不同的脑能量需求。”该研究的主要作者、西北大学人类学副教授凯瑟琳·阿莫托博士（Dr. Katherine Amato）表示。肠道微生物群落通过分解食物、产生富含能量的化合物如短链脂肪酸以及调节葡萄糖代谢和脂肪储存等过程来影响代谢。代谢疾病的研究表明，肠道微生物与宿主的关键代谢特征密切相关。这表明微生物群可能影响生物体如何满足复杂组织（包括大脑）的能量需求。“我们知道生活在大肠中的微生物群落可以产生影响人类生物学某些方面的化合物——例如，导致代谢变化，进而引发胰岛素抵抗和体重增加。”阿莫托说道。
肠道微生物对小鼠能量消耗和脂肪储存的影响
阿莫托及其团队将三种不同群体的肠道微生物——人类、松鼠猴（代表大脑较大的灵长类动物）和猕猴（大脑较小的灵长类动物）——移植到无菌小鼠体内。微生物移植后，研究人员监测了小鼠的多个生理和代谢指标，以评估引入的微生物群的影响，包括：
- 能量消耗：确定能量的使用量。
- 血糖水平：评估小鼠调动能量用于大脑和身体功能的能力。
- 脂肪储存：评估能量储存倾向。
- 实验后的组织分析：提供进一步的见解，了解能量在不同身体部位（包括脂肪和脑组织）中的分配或储存情况。
接受人类和松鼠猴微生物的小鼠表现出更高的血糖水平和更快的能量使用率，这可能表明代谢向支持大脑高能量需求的方向转变。相比之下，接受猕猴肠道微生物的小鼠显示出更多的能量储存为脂肪的趋势。这一模式表明了一种权衡，即大脑较小的物种可能更依赖于能量储备而非即时能量消耗来满足其代谢需求。“虽然我们确实看到接受人类微生物的小鼠有一些差异，但最强的模式是大脑较大的灵长类动物（人类和松鼠猴）与大脑较小的灵长类动物（猕猴）之间的差异。”阿莫托说道。
微生物对脑发育的进化影响
该研究建议，肠道微生物组可能在支持灵长类动物进化过程中大型大脑的代谢需求方面发挥了重要作用。通过影响能量生产，大脑较大的物种（如人类）中的微生物可能帮助满足脑组织的高代谢需求。这为肠道微生物如何促进人类认知能力的发展提供了新的视角。“这些发现表明，当人类和松鼠猴分别进化出更大的大脑时，它们的微生物群落发生了相似的变化，以提供必要的能量。”阿莫托说道。作者希望扩大他们的研究，研究更多种类灵长类动物的微生物。
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