1.1 人类与动物模型中的肠-脑轴与认知测量
肠-脑轴涉及肠道与大脑之间的双向通讯。这种交流涉及先天性与适应性免疫系统。例如，小鼠的脂质吸收就涉及免疫细胞与肠上皮细胞之间的通讯，并受肠道微生物的调节。这种通讯的重要性可以通过免疫细胞中Aster-A蛋白的缺失会抑制脂质吸收，并保护小鼠抵抗饮食诱导的肥胖（包括脂肪组织炎症和脂肪肝）来证明。认识到基因组元件（如多样性生成逆转录元件）可以响应肠道环境的变化而超突变靶基因，这一点很重要。
迷走神经、肠道神经系统、神经递质和类固醇激素（如睾酮）的生成，以及代谢物（如短链脂肪酸）是这一轴的重要组成部分。例如，膈下迷走神经切断术阻止了暴露于不可预测慢性温和应激小鼠的粪便移植物对受体小鼠海马神经发生减少、海马神经炎症增加和抑郁样行为的有害影响。肠道菌群在行为、认知和神经病理学指标中的作用如表1所示。
迷走神经刺激有助于恐惧学习的消退。基于这一结果，迷走神经刺激正被考虑作为创伤后应激障碍(PTSD)患者的治疗策略。由于PTSD是帕金森病(PD)、认知衰退和阿尔茨海默病(AD)的风险因素，在生命早期靶向肠-脑轴可能对这些神经退行性疾病具有长期的保护作用。这对于具有PD和/或AD遗传因素的人群尤其重要。
携带葡萄糖脑苷脂酶1(GBA)L444P高雪氏突变杂合子的人PD风险增加，而携带GBA突变杂合子并表达A53T突变α-突触核蛋白的雌雄小鼠，以及仅表达A53T突变的雄性小鼠，均未表现出恐惧记忆的消退。与PD相关的PARK2基因，在男性中与PTSD相关。该突变增强了外周血淋巴细胞对百草枯的易感性，而百草枯在大多数研究中与PD相关，尤其是在创伤性脑损伤之后。肠-脑轴在百草枯有害作用中的角色体现在无菌帕金突变果蝇对该除草剂的敏感性降低，以及迷走神经切断术可防止大鼠在共同给予阈下剂量的PQ和凝集素后出现PD症状并限制肠肌间神经丛中错误折叠αSyn的出现。此外，在携带GBA突变并表达A53T突变α-突触核蛋白或仅表达A53T突变的小鼠中，与行为相关的微生物群分类组成受到百草枯暴露的影响。与百草枯暴露数据一致，神经毒素1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)对认知表现的影响可能至少部分由肠道菌群介导。
在AD方面，我们先前的工作揭示，将AD小鼠模型的粪便样本移植到野生型小鼠体内，会以符合疾病特征的方式损害小鼠的行为和认知。在生物安全柜中对悉生小鼠的行为进行评估，以避免微生物群污染的干扰。移植来自表达人类淀粉样前体蛋白(APP)的6月龄小鼠（含有显性AD突变NL-G-F (AppNL-G-F)）以及AppNL-G-F小鼠与人类E4靶向置换小鼠(AppNL-G-F/E4)的粪便，足以在接种4周后诱导4-5月龄无菌C57BL/6J小鼠出现行为表型，但与野生型移植对照相比，宿主基因型调节了诱导行为表型的模式。在AppNL-G-F和AppNL-G-F/E4受体小鼠中检测到不溶性Aβ40水平。对于受体小鼠，供体基因型与几项行为评分之间的相互作用与肠道菌群α多样性相关。类似地，两项行为表现评分预测了受体小鼠的微生物群组成，但这种关联依赖于供体基因型。海马的表观遗传变化可能是介导肠-脑轴在此模型中作用的机制之一。AppNL-G-F和AppNL-F小鼠的肠道菌群与海马表观基因组的改变相关，且这些关联的性质因基因型而异。在AppNL-G-F小鼠中，染色质可及性、基因表达和DNA甲基化的改变与早期淀粉样变性相关，AppNL-G-F与野生型小鼠之间的转录组比较揭示了在淀粉样斑块沉积之前，与线粒体功能和蛋白质生物合成相关通路的基因表达差异。尽管尚未评估，但可以设想，在小鼠中，肠道菌群的改变也可能先于淀粉样斑块沉积。一旦在大约6月龄时观察到淀粉样蛋白病理，免疫和神经炎症通路就会上调。除了海马，在血液中也观察到淀粉样蛋白病理早期和晚期阶段的DNA甲基化差异，这些差异与小鼠大脑中的推定顺式调控元件相关，并位于海马差异表达基因附近。这些区域富集了与神经元发育和突触过程相关的通路。因此，除了肠道菌群和肠-脑轴，血液DNA甲基化可能作为早期检测淀粉样蛋白病理的生物标志物。
在另一个临床前AD模型3xTg（含有AD突变APPSwe、带有M146V突变的早老素1(PS1)和带有P301L突变的tau蛋白）中，通过与老年突变小鼠共居暴露于其微生物群，加速了年轻3xTg小鼠的AD病理，而与老年野生型小鼠共居则无此效果。
载脂蛋白E(apoE)参与胆固醇代谢和损伤后修复。在人类中，apoE存在三种主要亚型：E2、E3和E4。与E3相比，E4增加而E2降低罹患AD的风险。然而，E2和E4携带者均表现出患PTSD的风险增加。与这些人类数据一致，表达人类apoE的年轻成年、中年群居E2和E4靶向置换小鼠，年轻单居E4和中年单居E2小鼠表现出情境恐惧记忆消退受损，而在单居或群居的E3小鼠中未见此现象。与PTSD和AD均相关的APOE基因型，在人类和人类apoE靶向置换小鼠中与基因型依赖的肠道菌群谱相关。
肠-脑轴在认知中的作用可能涉及该轴对海马的影响。与此作用一致，无菌小鼠在暴露于有或没有小鼠的笼子，或熟悉与陌生小鼠时，表现出社交回避和社交新奇识别受损。在断奶时定植肠道可预防社交回避，但不能纠正社交新奇识别或社会食物偏好的传递，这凸显了并非所有肠-脑轴的认知效应都能在生命后期被纠正。肠-脑轴也影响行为表现，包括焦虑和抑郁，这可以用益生菌靶向，并可能以此方式间接影响认知。
通常从健康和疾病发育起源假说的背景来研究，许多后期发展的疾病被认为在生命早期有基础。在此背景下，考虑肠-脑轴在大脑发育（包括认知发育）中的作用，以及这可能如何在年龄相关的神经退行性疾病中最终导致认知损伤，是很重要的。
1.2 人类与动物模型中的肠-脑轴与健康认知老化
人类肠道菌群随着年龄增长而多样化，反映了健康与不健康的老化，与健康的脂质谱相关，并能预测生存。在中年，肠道菌群的β多样性（衡量肠道微生物群落组成的指标）与认知测试（包括蒙特利尔认知评估(MoCA)、数字符号替换测试(DSST)、Rey听觉言语学习测试(RAVLT)、Stroop、类别流畅性和字母流畅性测试）的表现相关。
肠-脑轴对退伍军人可能尤其重要。不同战争退伍军人的一个常见症状是胃肠道(GI)问题。它们在海湾战争退伍军人中发生率更高，并在战后持续多年。胃肠道问题与神经症状如认知功能障碍和疲劳相关。受GI问题影响的海湾战争退伍军人比例因队列而异，估计在14%到25%之间。这些研究表明，退伍军人的肠-脑轴可能受到干扰。
在认知健康的个体中，肠道菌群与临床前AD神经病理学（β-淀粉样蛋白和tau生物标志物）相关，并且纳入微生物群特征可改善临床前AD状态的预测。与这些数据一致，粪便微生物群移植可改善认知衰退和细菌感染患者的认知，以及各种神经系统疾病（包括轻度认知障碍）患者的认知。
将老年供体的微生物群转移到年轻小鼠体内，加速了大脑中与年龄相关的炎症。与这些小鼠数据一致，在大鼠中，将20-24月龄老年雄性大鼠的粪便移植到抗生素处理的3月龄雄性大鼠体内，损害了延迟匹配位置任务（一种工作记忆任务）的表现，减少了内侧前额叶皮层和海马的树突棘，降低了脑源性神经营养因子(BDNF)、N-甲基-D-天冬氨酸受体NR1亚基和突触素的表达，并增加了晚期糖基化终末产物(AGEs)及其受体(RAGE)的表达。相反，将年轻小鼠的微生物群转移到老年小鼠体内，逆转了衰老大脑的标志。然而，肠道菌群的存在和抗生素治疗可能使解释这项粪便移植大鼠研究的数据复杂化。当5-6周龄无菌小鼠接受来自24月龄小鼠的粪便移植时，它们表现出海马神经发生增加。
1.3 人类与动物模型中的肠-脑轴与年龄相关的认知损伤
肠道菌群失调已被提议为神经退行性变的标志。例如，微生物群组成的改变与AD相关，并影响AD相关行为和脑病理。更严重的肠道菌群失调与更差的认知功能相关，包括简易精神状态检查(MMSE)和临床痴呆评定量表(CDR)的认知测量。即使在考虑了实际年龄、性别和教育程度后，这种效应也部分由大脑年龄更大所介导。靶向肠-脑轴的补充剂的反应可能取决于基线肠道菌群状况。益生菌补充改善了健康老年人、轻度认知障碍(MCI)和AD患者的认知表现，但对于体力活动达到指南要求的个体则无此效果。
作为发生AD病理和AD风险因素的环境挑战（如创伤性脑损伤(TBI)）常常影响肠道菌群，并且可以设想，环境挑战后肠道菌群的改变在大脑的有害作用中起关键作用。创伤性脑损伤(TBI)是发生认知损伤、AD病理和AD的风险因素，在人类和临床前模型中影响肠道菌群。此外，TBI后肠道功能障碍加剧脑损伤，TBI后的神经功能恢复率与肠道菌群相关。TBI后不良结局最著名的遗传风险因素是E4，并且apoE在肠道中也有高表达。
胆汁酸在维持脂质、葡萄糖和能量稳态中起关键作用。肠道中的胆汁酸分析有助于识别涉及肠道和大脑炎症的受影响通路。TBI后肠道菌群失调与胆汁酸谱的改变相关。胆汁酸的合成和代谢在AD中发生改变，AD中改变的胆汁酸谱与认知障碍相关。胆汁酸也参与啤酒花黄酮黄腐酚(XN)对高脂饮食(HFD)引起的代谢综合征对认知功能有害影响的保护作用。
除了PD和AD，其他神经退行性疾病中也注意到肠道菌群的改变。例如，在多发性硬化症(MS)中，观察到与炎症相关的肠道菌群改变。通过使用MS不一致的同卵双胞胎和在无菌小鼠中进行粪便移植并评估其对实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)的易感性，证明了因果关系；MS来源的回肠微生物群以更高的比率诱导EAE，且雌性比雄性更易感。
肠道菌群也与肌萎缩侧索硬化症(ALS)及其进展相关。ALS患者与对照组的肠道菌群差异与血浆代谢物（尤其是脂质）相关。临床前小鼠模型显示，在运动症状出现之前就存在胃肠道症状和肠道菌群的改变。
肠道菌群的改变也涉及血管性认知障碍和血管性痴呆。肠道菌群的改变也见于缺血性卒中的发生和发展，以及出血性卒中。
这些研究表明，在各种神经退行性疾病中可能存在一个普遍主题，即肠道菌群的改变和相关的肠道炎症通过肠-脑轴驱动大脑的有害变化。随着更多疾病特异性数据集的可用，区分与大脑疾病特异性症状相关还是与大脑重叠疾病症状相关的疾病特异性与重叠微生物群特征将很重要。加深对这种区别的理解将为不同的神经退行性疾病提供更多机制见解。从治疗角度看，重叠的微生物群特征可能允许开发减少各种神经退行性疾病脑损伤的策略。尽管如此，疾病特异性的微生物群特征也很重要，因为它们可能也需要被靶向以实现患者的最佳脑功能。
同样，健康的肠道菌群可能延迟、减少、预防和/或成功治疗这些神经退行性疾病。基于靶向肠道菌群和肠-脑轴作为神经退行性疾病治疗靶点的前景，有两个当前的研究空白需要考虑：(1) 调节肠道菌群以改善认知功能的新方法；(2) 利用肠道菌群、认知评分和饮食问卷衍生评分开发新干预措施，以优化认知老化和减少神经退行性疾病的认知损伤。饮食对肠道菌群具有关键影响，是减少脑损伤和改善脑功能的可调节因素。
1.4 当前研究空白：饮食-菌群-认知研究的方法学框架
基于靶向肠道菌群和肠-脑轴作为神经退行性疾病治疗靶点的前景，有两个当前的研究空白需要考虑：(1) 调节肠道菌群以改善认知功能的新方法，以及(2) 利用肠道菌群、认知评分和饮食问卷衍生评分开发新干预措施，以优化认知老化和减少神经退行性疾病的认知损伤。通常使用饮食调查，但其他饮食测量方法如饮食日志和基于餐食照片推断饮食组成的深度学习工具也可以考虑。虽然实证检验能提供对因果关系的深入洞察，但在流行病学背景下通常难以实施，涉及无菌小鼠的因果研究既昂贵又需要专门资源。在人类研究中，通过饮食干预评估调节肠道菌群对认知的影响是劳动密集型和昂贵的。因此，人们越来越关注使用能够解释认知表现方差的饮食问卷衍生评分，并以此来指导对神经退行性疾病患者和高危人群肠道菌群的调节建议。实现这一潜力需要仔细关注因果推断框架、分析方法、样本量考量、验证策略和个体异质性。
几种既定方法为饮食-认知研究提供了起点。一种选择是基于完整的食物频率问卷（或从中衍生的简短问卷）计算谨慎饮食评分，并评估其与相关生物标志物的关系。另一种选择是使用饮食问卷数据计算地中海饮食依从性指数，如在之前关于饮食质量指数的研究中实施的地中海饮食替代评分(aMed)，或在PREDIMED研究中验证的14项地中海饮食依从性筛查(MEDAS)。这种方法的优势在于，地中海式饮食模式在多种证据中与更好的认知结局和降低的神经退行性疾病风险相关，包括队列研究和随机试验证据。此外，地中海式饮食模式在人类研究和综述中与有利的肠道微生物群特征相关。除了地中海饮食指数，从问卷数据衍生的、专注于大脑健康的和基于指南的饮食质量评分，如MIND饮食评分和健康饮食指数(HEI)，也在认知老化队列中进行了评估。然而，影响认知的饮食评分可能因疾病状况、基因型和环境背景而异。使用上述监督方法的数据驱动方法可以识别优于通用评分的疾病特异性或人群特异性饮食模式。通过这些分析确定的饮食成分随后可以为改善人类认知的饮食建议提供信息，并指导临床前模型中的饮食干预研究，以评估驱动这些有益效应的肠道、大脑和微生物群中的通路。
1.4.1 因果推断的统计中介作用
支撑饮食-菌群-认知关系的概念模型假设，饮食摄入至少部分通过调节肠道菌群来影响认知结果。统计中介分析通过将饮食对认知的总效应分解为直接效应和通过微生物群运行的间接效应，为检验这一假设提供了一个正式框架。然而，必须解决几个方法学挑战。首先，对中介效应的因果解释需要强有力的假设。在饮食、微生物群和认知同时测量的横断面研究中，这些假设难以证明，并且相对于纵向过程，横断面中介估计可能存在显著偏差。对三个领域进行重复测量的纵向设计通过建立时间先后顺序来加强因果推断。
其次，肠道菌群本质上是高维的，包含数百到数千个分类群或功能特征。为单一中介设计的传统中介方法不易扩展到这一场景。最近的方法学进展解决了这一空白。用于高维中介分析的信息学方法可以在高维设置中识别可能介导暴露-结果关联的微生物特征，同时控制错误率。此外，由于基于测序的微生物群谱是组成性的（相对丰度受样本特异性总和的限制），明确适应组成结构的中介方法可以减少将朴素回归应用于相对丰度特征时产生的伪影。最近开发了专门针对高维和组成性微生物群中介的因果中介框架。
第三，微生物群可能充当某些饮食成分的中介，但作为其他成分的调节因子（效应修饰因子）。例如，基线微生物群组成可能决定个体是否对特定饮食干预有反应（调节效应），同时也传递习惯性饮食对长期认知轨迹的影响（中介效应）。容纳中介和调节的分析框架，如调节中介模型，可能更好地捕捉这种复杂性。
尽管有这些进展，但使用观察数据进行统计中介仍然是推断性的而非确定性的。在不同研究方法中进行三角验证（例如观察性队列、机制动物实验和人类干预）可以加强因果推断。
1.4.2 推导饮食评分的分析方法
推导饮食评分的统计方法选择应与推断目标一致。主成分分析(PCA)虽然在营养流行病学中常用于推导饮食模式，但它是一种无监督技术，识别的是解释饮食摄入数据方差而非针对健康结果预测优化的模式。当目标是识别能最大化解释认知表现方差的饮食模式时，监督方法通常更合适。
降秩回归(RRR)推导的饮食模式能解释一组响应变量的最大方差，当目标是识别与选定中间标志物或结果最强烈相关的饮食模式时，已在营养流行病学中广泛使用。偏最小二乘(PLS)回归提供了一个相关框架，构建潜在成分以优化对响应变量的预测。对于具有许多相关食物项目的高维饮食数据，正则化回归方法（如LASSO或弹性网络）可以同时进行变量选择和预测，识别与认知结果最强烈相关的饮食成分。
深度学习方法提供了额外的灵活性，特别是对于捕捉饮食特征与认知之间的非线性关系和高阶交互。然而，可解释性仍然是一个挑战。虽然深度学习模型可以实现强大的预测准确性，但理解哪些饮食成分驱动预测比传统回归方法更不直接。可解释AI(XAI)的最新进展，包括SHAP风格的特征归因和基于注意力的模型系列（及其相关的解释策略），可以通过估计特征重要性和识别有影响的输入区域或特征，部分解决这一限制。
为帮助方法选择，表3总结了这些方法之间的关键权衡。一般来说，当目标是在不参考特定结果的情况下描述饮食模式时，PCA是合适的；当有预定的中间响应变量（如生物标志物）时，RRR和PLS是首选；正则化回归适用于同时进行变量选择时直接预测认知结果；深度学习以可解释性和增加的数据需求为代价，为非线性关系提供了灵活性。这些方法在免费软件中实现。对于高维和组成性微生物群中介分析，专门的R包（如ccmm和SparseMCMM）适应了测序衍生的相对丰度数据的约束。这些方法所需的适当样本量取决于感兴趣的效应大小、候选预测变量与观测值的比例、饮食变量的相关结构以及所采用的验证策略。
1.4.3 样本量考量
开发稳健的饮食-认知评分所需的样本量因方法、候选饮食预测变量的数量（以及它们的分组方式）和结果空间的维度而有很大差异。在各个模型系列中，一个核心风险是当模型灵活性相对于可用样本量较高时的过拟合，这可能导致过于乐观的表观性能和不稳定的特征选择。这一担忧对于高维预测变量、复杂的交互结构和高度灵活的模型（如深度神经网络）尤为突出。
鉴于具有全面饮食、认知和微生物群数据的个体研究通常规模有限，跨队列的汇总分析提供了一条有前景的前进道路。虽然具有挑战性，但跨研究变量的协调可以实现更大统计功效和普适性的饮食评分的开发和验证。联邦学习方法可以在不集中原始数据的情况下跨分布式数据集训练模型，可能有助于此类多队列工作，同时解决数据共享限制。
1.4.4 验证策略
在饮食衍生的评分能够为临床建议提供信息之前，严格的验证是必不可少的。通过k折交叉验证或自助法重采样的内部验证提供了模型性能的初步估计，并有助于量化和减少过拟合。然而，在独立队列中的外部验证对于建立跨人群的普适性至关重要，这些人群可能在人口构成、饮食文化和遗传背景方面存在差异。
前瞻性验证表明基线饮食评分预测未来的认知轨迹，为临床效用提供了有力证据。理想情况下，应在具有长期随访的队列研究中，针对纵向认知衰退、新发轻度认知障碍或痴呆诊断来验证饮食-认知评分。
生物学验证通过测试饮食评分是否与假定的机制中间体相关，提供了补充证据。旨在通过肠-脑轴优化认知结果的评分应与微生物群组成和微生物代谢物谱（如短链脂肪酸和胆汁酸），以及全身性炎症标志物和肠道屏障完整性测量相关。这种关联将增强人们对饮食评分捕捉了具有生物学意义的变异而非混杂关联的信心。
1.4.5 解决个体异质性
将人群水平的饮食-认知关联转化为个体建议的一个基本挑战是肠道菌群组成和饮食反应的巨大个体间差异。相同的饮食干预可以在不同个体之间产生明显不同的微生物群变化，这受到基线微生物群组成、宿主遗传、药物使用和环境因素的影响。
有几种策略可以解决这种异质性。首先，按肠型或基线微生物群特征进行分层分析，可能揭示在未分层分析中被掩盖的饮食-认知关联。例如，以普雷沃菌属为主与以拟杆菌属为主的微生物群的个体，可能对富含纤维的饮食模式或营养干预有不同的反应。其次，将微生物群特征直接纳入预测模型，而不是将饮食和微生物群视为独立的领域，可以通过捕捉饮食-微生物群交互作用和依赖基线的反应来改善预测。第三，饮食干预的“反应者”与“无反应者”的概念，在个性化餐后血糖反应文献中已得到充分确立，最近也在硫苷代谢中得到证实，可能推广到其他终点，并激励识别反应的基础预测因子。
最终，该领域可能受益于一个精确营养框架，其中饮食建议根据个人的微生物群谱、遗传风险因素（如APOE基因型）和基线认知状态进行定制。这种方法需要开发整合多个数据流的决策算法，并在验证性干预试验中进行验证，这些试验需要有足够的效力来检测异质性治疗效果。
1.5 未来展望：调节肠道菌群以改善认知功能的新方法
除了益生菌、益生元、饮食和食物补充剂以及粪便移植外，使用工程微生物菌株来改善认知健康和治疗认知损伤是有前
