爱尔兰科克，芒斯特省，2026年3月10日——当一只老鼠开始奔跑时，有些事情发生了。不仅仅是那些显而易见的变化：心脏跳动加快，肌肉变得温热，爪子有节奏地敲击着跑轮。还有更安静的事情。一些始于肠道螺旋状黑暗中的东西，通过血液和生物化学，一路旅行到海马体，那个海马形状的、负责记忆形成和情绪扎根的微小组织。发表在《大脑医学》（Genomic Press期刊）上的一项新研究已经开始绘制这段隐秘旅程的地图，研究人员发现的结果表明，运动会刺激肠道细菌和大脑之间的分子联系。
这项研究由爱尔兰科克大学解剖与神经科学系的Maria Giovanna Caruso和资深作者Yvonne M. Nolan领导，共同资深作者包括Sarah Nicolas和Olivia F. O'Leary。他们研究了当成年雄性Sprague-Dawley大鼠被允许自由使用跑轮八周时，其肠道微生物群、循环代谢物和海马体基因表达会发生什么变化。运动的大鼠平均每天跑5.24公里。它们久坐不动的同伴则没有这个机会。出现的差异并不像骨折那样戏剧化。它们是微妙的、分层的，并且可能具有重大意义。
研究团队发现，运动降低了两种与色氨酸代谢相关的细菌属——Alistipes和Clostridium的相对丰度。色氨酸是一种必需氨基酸，也是血清素的前体，使其成为肠道到大脑信号传递中的重要分子。大多数色氨酸在肝脏中通过犬尿氨酸途径代谢。其余的则由肠道微生物分解为色胺或各种吲哚衍生物——其中一些可以穿过血脑屏障——或者分解为血清素（在肠道中产生的血清素无法穿过血脑屏障）。这种区别很重要，因为肠道微生物可能影响色氨酸如何在不同的代谢途径（包括那些与大脑功能相关的途径）之间进行分配。通过改变微生物群的组成，运动可能会改变神经活性信号传导。
利用粪便样本的16S rRNA基因扩增子测序，研究人员发现运动增加了微生物的优势度（Berger-Parker指数：p = 0.05），但未增加丰富度（观察到的ASVs：p = 0.18），导致整体熵值（Shannon指数：p = 0.05）降低。运动组和久坐组动物之间的β多样性存在显著差异（Bray-Curtis PERMANOVA, R² = 0.148, p = 0.001）。在属水平上，Clostridium的Log2倍变化为−4.05（p = 0.001, q = 0.06），Alistipes的Log2倍变化为−1.55（p = 0.0007, q = 0.06）。运动还增加了按体重归一化的盲肠重量，作者认为这一发现可能与发酵作用增强有关。
研究人员接下来进行了非靶向血清代谢组学分析。在符合差异丰度检验标准的474种代谢物中，有七种在两组之间存在显著差异。其中，推测的色氨酸衍生物5-羟基色醇在运动大鼠中含量增加（β = 1.06; p < 0.05; FDR = 0.01）。这种化合物是血清素的分解代谢产物，当血清素通过还原途径（而非更常见的产生5-羟基吲哚乙酸的氧化途径）代谢时产生。运动后其在血清中丰度的增加可能反映了外周血清素周转率升高，表明色氨酸代谢的一个分支发生了转变。作者指出一个注意事项：5-羟基色醇是在最低置信度注释水平（第3级）上鉴定的。
对差异丰度代谢物的通路分析支持了更广泛的模式。在显著富集的前10条通路中，包括色氨酸代谢以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成。研究人员还发现Clostridium属的丰度与血清中一种吲哚衍生物——2-羟吲哚的水平之间存在负的名义关联（β = −0.18, p < 0.05, FDR = 0.2）。在FDR校正后，该关联不再显著，作者将其呈现为提示性而非结论性的。但它指出了运动应答性肠道微生物与循环色氨酸代谢物之间可能存在机制联系。
研究人员随后检查了这些外周变化是否伴随着与色氨酸信号传导相关的大脑标志物的差异。
色氨酸衍生物（如吲哚和羟吲哚）是芳香烃受体的配体，AhR是一种转录因子，介导了代谢色氨酸的肠道微生物对神经元功能的影响。在海马体中，运动仅降低了背侧区域的AhR转录水平（p = 0.05），该区域主要参与记忆相关过程。在腹侧海马体（与情绪更密切相关的区域）中未发现显著变化。在两个海马区域中，相关转录物——芳香烃受体核转位因子或Cyp1a1——均未检测到统计学显著变化。
背侧海马体是空间和情境记忆的所在地。作者指出，他们的结果与先前的研究结果相符，这些研究表明运动对成年雄性大鼠行为和成年海马神经发生的影响沿纵轴分布，其中背侧区域特别容易受到运动诱导的刺激。
对肠脑模块（从KEGG直系同源物推断出的参与肠脑通信的功能单元）的分析加强了色氨酸这条线索。研究人员发现九个模块发生了显著变化（q < 0.2），包括乙酸和谷氨酸合成增加以及GABA减少。值得注意的是，用于色氨酸合成的肠脑模块因运动而增强。这项推断的功能分析表明，运动不仅与微生物组成的变化有关，还与微生物组代谢反应的变化有关，这些变化可能与神经化学相关。
“最让我们震惊的是，证据在多个分析层面上趋于一致，”该研究的通讯作者、科克大学解剖与神经科学系和APC微生物组爱尔兰中心的教授Yvonne M. Nolan说道。“我们观察到了运动驱动的特定色氨酸代谢肠道细菌的变化，血清中循环色氨酸代谢物的相应变化，然后发现选择性减少的是背侧海马体中的芳香烃受体表达。单独来看，每个发现都值得注意。综合来看，它们暗示了一条连贯的生物学途径，肠道微生物群通过这条途径可能介导运动对记忆关键脑区的有益影响。”
这项经过同行评审的研究引人入胜之处不在于任何单一的发现，而在于其趋同性。已知能代谢色氨酸的细菌属随着运动而减少。血清代谢组学显示出色氨酸代谢增强，其中一种血清素分解代谢物是差异丰度的化合物之一。其中一个细菌属与循环吲哚衍生物之间存在名义关联。在大脑中，一个对色氨酸代谢物有反应的受体仅在记忆关键的海马体区域被下调。单独来看，每一块都很有趣。但它们共同描绘了一条从跑轮到海马体基因表达的合理生物学途径。
“AhR表达仅在背侧海马体减少，而腹侧海马体没有，这一点特别有趣，”共同资深作者、科克大学解剖与神经科学系和APC微生物组爱尔兰中心的教授Olivia F. O'Leary说。“这两个海马亚区功能不同。背侧海马体更密切参与记忆，而腹侧海马体更多地与情绪和焦虑相关。我们观察到的区域特异性暗示，运动引起的肠道源性色氨酸代谢物变化可能优先影响与记忆相关的回路，尽管我们需要行为数据来证实这一点。”
作者承认，目前的研究并未进行行为测试，并且确认AhR表达变化与海马体依赖行为之间的相关性将巩固观察到的运动引起的背侧海马体AhR表达下降的功能作用。他们指出，虽然小鼠中AhR的敲除显示该受体负向调节包括成年海马神经发生在内的海马过程，但AhR也被认为与阿尔茨海默病神经病理学的不利影响有关，并且敲除模型与对运动等刺激的生理反应不可比。他们还承认，这些发现可能无法推广到成年雌性啮齿动物、更广泛的年龄范围或不同的运动模式。
16S rRNA基因扩增子测序有限的分类学分辨率也限制了解释，因为同一属内的微生物物种可能对代谢功能有不同的贡献。而5-羟基色醇在最低置信度注释水平上的鉴定是该团队透明呈现的一个注意事项。
“当我们看到Alistipes和Clostridium这两个在色氨酸代谢中具有既定作用的属都因运动而显著减少时，这项研究开始成形了，”第一作者、科克大学解剖与神经科学系和APC微生物组爱尔兰中心的博士研究员Maria Giovanna Caruso说。“然后血清代谢组学向我们展示，运动动物的色氨酸代谢确实增强了，其中血清素分解代谢物5-羟基色醇是差异丰度的化合物之一。将这些微生物变化与循环代谢物联系起来，然后与海马体中特定的受体联系起来，使我们能够提出这是一种对运动有反应的整合性肠脑通路。”
然而，留下的是一幅连贯的画面。我们早就知道运动能改善情绪、增强记忆力。多年来我们一直怀疑肠道微生物群在大脑健康中发挥着作用。这项研究以严谨的方法论和对其结论适当的克制进行，描绘了这两个事实如何可能相互关联的图景。肠道不仅仅是在消化食物。它正在向大脑撰写化学信件。而运动，似乎改变了笔迹。
该研究由爱尔兰研究基金会（前身为爱尔兰科学基金会）资助，资助号为SFI/FFP/6820。所有动物实验均根据爱尔兰健康产品监督管理局颁发的许可证进行，符合欧洲共同体理事会指令（2010/63/EU），并已获得科克大学动物实验伦理委员会批准。
对于任何曾经在散步后感觉更清晰、跑步后更平静、骑车一小时后更敏锐的人来说，这项研究提供了某种安静的变革：一个分子层面的解释，它并非始于肌肉或肺部，而是始于肠道那黑暗、拥挤、惊人地善于交流的世界。细菌注意到你在移动。然后它们告诉了你的大脑。
发表在《大脑医学》上、题为“运动诱导成年大鼠肠道微生物色氨酸代谢变化与海马功能相关”的同行评审研究文章，将于2026年3月10日起在《大脑医学》上通过开放获取途径免费提供。
引用目的完整参考文献为：Caruso MG, Dohm-Hansen S, Williams ZAP, English JA, Lavelle A, Nicolas S et al. Exercise induces changes in tryptophan metabolism by gut microbes associated with hippocampal function in adult rats. Brain Medicine 2025. DOI: （2010/63/EU）。Epub 2026 Mar 10.
关于《大脑医学》：《大脑医学》（ISSN: 2997-2639，在线和2997-2647，印刷版）是一本由纽约Genomic Press出版的同行评审医学研究期刊。《大脑医学》是一个新平台，致力于从基础神经科学创新到脑医学转化研究这一跨学科途径。其范围包括大脑疾病的潜在科学、病因、结果、治疗和社会影响，涵盖所有临床学科及其交叉领域。
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