科学家们长期以来一直困惑于人类如何进化出如此异常庞大且高能耗的大脑。神经元的运作成本高昂，需要持续稳定的能量供应，尤其是葡萄糖，而人脑消耗了人体总能量预算中不成比例的份额。
如今，一项新研究提出，部分答案可能不在人类基因中，而在于肠道内栖息的微观生态系统。研究人员在《美国国家科学院院刊》发表的论文中报告，当将不同灵长类物种的肠道微生物移植到小鼠体内时，这些微生物会诱导出截然不同的大脑基因活动模式。
值得注意的是，来自大脑较大灵长类（包括人类）的微生物会触发与能量生产相关的大脑变化，这些变化恰好反映了灵长类大脑的进化差异。研究结果表明，在进化过程中，肠道微生物组的转变可能帮助支撑了不断扩张的大脑对代谢的需求。
“这项研究提供了更多证据，证明微生物可能直接导致这些疾病——具体而言，肠道微生物组正在塑造发育过程中的大脑功能，”西北大学（Northwestern University）生物人类学教授、首席作者凯蒂·阿马托（Katie Amato）博士在新闻稿中表示，“基于我们的发现，我们可以推测，如果人脑暴露于‘错误’微生物的作用下，其发育将发生改变，我们就会看到这些疾病的症状。也就是说，如果在生命早期未能接触‘正确’的人类微生物，你的大脑运作方式会有所不同，这可能导致这些疾病的症状。”
该研究探讨了进化生物学中一个长期难题：灵长类如何克服大脑增大的能量约束。大型大脑需要更多葡萄糖、更多氧气以及更复杂的代谢基础设施来维持神经元放电和突触功能。尽管先前研究已发现支持这些需求的基因和生理适应机制，但作为宿主代谢主要调节者的肠道微生物的潜在作用却基本未被探索。
为调查这一问题，研究人员设计了一项特殊实验。他们培育无菌小鼠，并接种了来自三种不同灵长类物种的肠道菌群，这些物种的选择旨在分离脑大小与进化亲缘关系：人类、猕猴和松鼠猴。人类和松鼠猴尽管亲缘关系较远，但相对于体型都拥有较大的大脑；而与人类亲缘关系更近的猕猴，其脑相对体型则较小。
在移植的微生物组建立后，研究人员分析了小鼠前额叶皮层的基因表达——这一脑区涉及高级认知和决策功能。研究发现，接受人类与猕猴肠道微生物的小鼠之间，其大脑基因表达差异与实际人类和猕猴大脑之间的差异高度相似。
研究人员写道：“接种人类与猕猴肠道微生物组（GMs）的小鼠，其大脑基因表达差异反映了人类与猕猴大脑中观察到的模式。”他们认为，这种平行关系表明，肠道微生物能够以符合物种进化分化的特定方式影响大脑生物学。
当研究团队比较所有三种灵长类物种微生物组的效果时，他们发现：来自两个大脑较大物种（人类和松鼠猴）的微生物，在小鼠体内产生的大脑基因表达模式比任一物种与猕猴相比更为相似。换言之，亲缘关系较远但脑容量高度发达的灵长类微生物组在大脑中产生了趋同效应。
研究人员强调，这些效应并非随机。在携带人类肠道微生物的小鼠中，上调的基因与氧化磷酸化和葡萄糖代谢——细胞内能量生产的核心过程——高度相关。这些通路在能量需求高且持续的大脑中尤为重要。
研究人员还将这些大脑变化与肠道微生物组自身的功能差异联系起来。在人类来源的微生物组中，参与葡萄糖降解和糖异生（即从非碳水化合物来源生成葡萄糖）的微生物通路更为丰富，且在统计学上与小鼠大脑中能量相关基因表达的增加相关联。
综上，这些发现揭示了一个协调的肠-脑代谢轴：微生物活动影响大脑可获取和利用的燃料量。
引人注目的是，该研究还发现人类肠道微生物下调了某些与神经发育障碍相关的进化保守基因。在携带猕猴微生物组的小鼠中表达更高的基因，富集了与自闭症谱系障碍、注意力缺陷多动障碍和精神分裂症等疾病相关的特征；而携带人类微生物组的小鼠则显示这些基因的表达降低。
研究人员谨慎表示，这些结果不应被过度解读，但他们指出该模式与先前发现一致：参与突触信号传导和神经发育的基因往往受到强烈的进化约束。论文中写道：“人类肠道微生物组还下调了涉及自闭症等神经发育障碍的进化保守基因”，这突显了微生物组在调节大脑典型发育关键基因中的潜在作用。
研究人员还考察了这些代谢变化在大脑中最为关键的区域。通过比较氧化磷酸化基因表达图谱与人类进化过程中扩张最显著的皮层区域图谱，他们发现了显著的空间重叠。在人类中比在猕猴中不成比例增大的脑区，也是能量生产基因表达较高的区域。这种一致性支持了代谢需求与大脑扩张共同进化的观点，并表明肠道微生物组可能参与了这一过程。
重要的是，该研究并未声称肠道微生物单独驱动了大脑进化。研究人员明确承认其工作的局限性，包括纳入的灵长类物种数量较少以及小鼠模型的间接性质。“尽管这些发现基于少量灵长类物种样本，必须视为初步结果，但它们表明肠道微生物组成分的物种差异能够影响大脑代谢，并提出微生物组可能在灵长类脑容量增大过程中起到支持作用的可能性，”研究人员写道。
基因变化、饮食转变、生活史特征以及众多其他因素无疑在灵长类大脑进化中扮演了主要角色。然而，这些发现为理解进化如何在生物系统间运作打开了新窗口。该研究强调，不应将大脑视为孤立进化，而是微生物伙伴——通过代际传递并受饮食、生态和行为塑造——可能帮助实现了人类谱系最显著的特征之一。
若未来研究能在更多物种中证实并拓展这些发现，其影响将极为深远。理解肠道微生物如何影响大脑代谢，不仅能阐明人类进化历程，还有助于解析现代脑健康问题、神经发育障碍，以及微生物同伴持续塑造人类本质的微妙方式。
目前，该研究为日益增多的证据添砖加瓦：进化的指纹不仅限于我们自身的细胞，也可能书写在与我们共度漫长时光的数万亿微生物的基因组中——它们悄然助力，驱动着定义人类本质的大脑运转。
“尽管我们的结果为理解灵长类脑容量增大的生理相关性提供了宝贵贡献，”研究人员总结道，“这些发现与‘肠道微生物差异可能支持了与灵长类及人类脑容量增大相关的代谢及其他需求’这一假说一致，但要直接验证这一想法，还需开展更多研究。”
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