人类的大脑是如何变得如此大的？答案可能存在于一个意想不到的地方：我们的肠道。西北大学的新研究指出，肠道微生物可能在灵长类动物进化过程中发挥了重要作用，以满足更大大脑的能量需求。这项研究发表在《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，维持这样一个大大脑在代谢上是非常耗能的。大脑组织所需的能量大约是等量肌肉组织的20倍，这主要是由于神经信号传导和突触形成等功能。这带来了一个进化上的挑战：生物体如何获得足够的能量来支持大大脑而不影响其他重要过程？
以前的理论
之前的理论指出，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，人类通过转向富含肉类和熟食的高质量饮食，进化出了较小的消化系统，从而抵消了大大脑的能量需求。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。此前的研究主要集中在比较影响灵长类动物大脑大小的遗传和环境因素，提供了关于脑化率进化路径的见解。然而，对于不同大脑大小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，知之甚少。
脑化率
脑化率是指大脑相对于身体大小的进化增长，特别是与生物体的代谢和功能能力相关。西北大学的人类学副教授凯瑟琳·阿莫托（Katherine Amato）博士表示：“肠道微生物群的变化是一个未被探索的机制，灵长类动物的代谢可能通过这种方式促进不同的大脑能量需求。”肠道微生物群通过分解食物、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，影响代谢。代谢疾病研究表明，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，导致新陈代谢变化，从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（代表大大脑灵长类动物）和猕猴（小大脑灵长类动物）——移植到无菌小鼠体内。在微生物移植后，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——进一步了解能量在不同身体部位（包括脂肪和大脑组织）的分配或储存情况。
接受来自人类和松鼠猴的微生物的小鼠表现出更高的血糖水平和更高的能量使用率——这可能表明代谢向支持大大脑高能量需求的方向转变。相比之下，接受来自猕猴的肠道微生物的小鼠表现出更多将能量储存在脂肪中的倾向。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。“虽然我们确实看到人类接种的小鼠有一些差异，但最强的模式是大大脑灵长类动物（人类和松鼠猴）与小大脑灵长类动物（猕猴）之间的差异，”阿莫托说道。
微生物对大脑发育的进化影响
该研究指出，肠道微生物组可能在支持大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大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。作者希望扩展他们的研究，以研究更广泛范围内的灵长类动物的微生物。
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