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本文揭示了一项突破性发现：在特定饮食（如Paigen饮食）或神经疾病模型小鼠中，少量肠道细菌可直接穿过通透性增加的肠屏障，经由迷走神经（而非血液）迁移至大脑。研究首次证实迷走神经是细菌“肠-脑”易位的直接解剖通道，此过程与肠屏障通透性（intestinal barrier permeability）相关，并在阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease）、帕金森病（Parkinson’s disease）和自闭症谱系障碍（autism spectrum disorder）小鼠模型中也得到验证，为理解肠道菌群（gut microbiome）如何直接作用于大脑提供了全新、关键的病理生理学通路。
细菌从肠道向大脑的易位
近年来，越来越多的证据表明肠道菌群失调与神经系统疾病之间存在关联，但肠道细菌如何直接影响大脑，其具体机制尚不明确。本研究利用多种小鼠模型，首次揭示了在特定条件下，少量肠道细菌可以直接从肠道易位至大脑，并明确了迷走神经在这一过程中扮演的关键角色。
肠道细菌向大脑的易位
研究首先利用多药耐药基因2敲除（Mdr2-/-）小鼠模型，该模型模拟人类原发性硬化性胆管炎。当给这些小鼠喂食致动脉粥样硬化的高脂Paigen饮食9天后，观察到了肠道菌群组成的显著改变：粪便和回肠中葡萄球菌（Staphylococcus）、拟杆菌（Bacteroides）和Akkermansia的丰度增加，而共生乳杆菌（Lactobacillus）减少。这种菌群变化与肠道屏障通透性的增加密切相关。通过严谨的细菌培养技术（采取了一系列严格的防污染措施，详见Box 1），研究人员惊讶地在Paigen饮食喂养的小鼠大脑中检测到了少量细菌（）。值得注意的是，这些细菌并未在血液、肺、心、肾、脾等其他系统器官中被发现。对脑内细菌的鉴定显示，它们主要是木糖葡萄球菌（Staphylococcus xylosus）、松鼠葡萄球菌（Staphylococcus sciuri）和粪肠球菌（Enterococcus faecalis），与这些小鼠肠道中富集的细菌种类一致。进一步的全基因组测序分析证实，来自同一小鼠粪便、回肠和大脑的细菌分离株具有极高的平均核苷酸一致性（ANI > 99.998%），强有力地证明了脑内细菌的肠道来源。研究还排除了血脑屏障通透性增加导致细菌入脑的可能性，因为在实验小鼠中并未观察到血脑屏障通透性的改变。
迷走神经是细菌易位的通道
鉴于迷走神经是连接肠道和大脑的重要神经通路，研究人员检测了迷走神经中是否存在细菌。结果在Paigen饮食喂养的小鼠的颈部迷走神经分支中（而非脊髓中）检测到了少量细菌，包括S. xylosus。为了验证迷走神经是否确实是细菌易位的通路，研究人员对小鼠进行了右侧颈部迷走神经切断术（vagotomy）。结果显示，与假手术对照组相比，迷走神经切断的小鼠大脑中的细菌载量显著降低（约20倍），且大脑中检测到细菌的阳性小鼠比例也下降。迷走神经切断术本身并未改变肠道屏障通透性、血脑屏障通透性或肠道内的总细菌载量，这表明迷走神经是细菌从肠道向大脑易位的一个特定且重要的解剖学通道。
肠道菌群组成决定了哪些细菌易位至大脑
为了进一步探究肠道菌群组成与易位细菌种类之间的关系，研究使用了抗生素处理来扰动Mdr2-/-小鼠的肠道菌群。在Paigen饮食基础上添加抗生素后，肠道菌群组成发生剧烈变化，原本富集的葡萄球菌被Paenibacillus cineris（P. cineris）所取代。相应地，在这些小鼠的大脑中也主要检测到了P. cineris，而非葡萄球菌。这表明，改变肠道菌群的组成（如通过饮食和抗生素），会相应地改变在肠屏障通透性增加的条件下易位至大脑的细菌种类。这一结果进一步支持了大脑中的细菌来源于肠道。
肠道是细菌易位的起源地
为了直接证明大脑中的细菌确实来自肠道，研究人员进行了一系列“示踪”实验。首先，他们用抗生素扰乱野生型C57BL/6（B6）小鼠的肠道菌群，然后通过灌胃引入一种带有特定DNA条形码的外源性细菌——阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae， JC96菌株），并给小鼠喂食Paigen饮食。结果显示，该外源性细菌在灌胃后能在肠道定植，并在一部分小鼠的大脑中被培养出来。通过PCR验证，从大脑中分离出的E. cloacae含有与灌胃菌株相同的特异性条形码序列，确证了其来源。更重要的是，在无菌（Germ-free）小鼠身上进行的单一定植实验提供了决定性的证据。研究人员用带条形码的E. cloacae单一定植无菌小鼠，结果发现，只有同时喂食Paigen饮食（导致肠屏障通透性增加）的小鼠，其大脑和迷走神经中才能检测到该细菌；而仅喂食常规饮食（肠屏障通透性正常）的单一定植小鼠，尽管肠道内含有大量该细菌，其大脑中却检测不到任何细菌。这完全排除了脑组织样本在采集过程中被肠道细菌污染的可能性，并明确表明：单纯的肠道细菌定植不足以导致细菌入脑，必须伴有肠屏障通透性的增加，细菌才能从肠道易位至大脑。
通过PCR技术检测脑内细菌DNA
由于大脑中的细菌数量极低，研究人员采用了高度敏感的微滴式数字PCR（ddPCR）技术来验证培养法的结果。从用E. cloacaeJC96定植并喂食Paigen饮食的小鼠大脑中提取微生物DNA，通过针对JC96特异性条形码的引物和探针进行ddPCR分析，成功检测到了该细菌的DNA信号。而作为阴性对照的、喂食常规饮食的定植小鼠大脑样本则为阴性。这一分子生物学证据与细菌培养数据相互印证，证实了细菌在脑内的存在。
恢复常规饮食可逆转大脑中的细菌定植
细菌向大脑的易位是一个可逆的动态过程。研究发现，当将Paigen饮食喂养的Mdr2-/-和B6小鼠的饮食切换回常规饮食后，随着肠道屏障通透性的降低，小鼠大脑中的细菌载量也显著减少甚至消失。这表明，由饮食诱导的细菌“肠-脑”易位是可逆的，为通过干预饮食或肠道屏障功能来调控这一过程提供了可能性。
神经疾病小鼠模型大脑中的细菌易位
研究还将视野扩展至神经系统疾病模型。在喂食常规饮食的阿尔茨海默病（APP/PS1转基因小鼠）、帕金森病（LRRK2基因敲入小鼠）和自闭症谱系障碍（BTBR小鼠）小鼠模型中，研究人员同样观察到了肠道菌群组成的改变和肠道屏障通透性的增加。更重要的是，在这些模型小鼠的大脑和迷走神经中也检测到了少量细菌，且这些细菌同样存在于各自的肠道中，而在血液或其他系统器官中则未检出。这表明，在某些遗传背景导致的神经疾病状态下，即使没有特殊的饮食干预，肠道屏障功能障碍也可能导致细菌向大脑的易位，提示这一机制可能参与神经退行性和神经发育性疾病的病理过程。
讨论
本研究首次提供了细菌直接从肠道经迷走神经易位至大脑的直接实验证据，揭示了一条全新的“肠-脑”直接通讯物理通路。关键在于，这一过程发生在没有血脑屏障破坏、没有菌血症、没有脑膜炎迹象的情况下。肠道屏障通透性增加是启动这一过程的“守门”因素，而迷走神经则充当了“高速公路”。研究还表明，易位的细菌种类受肠道菌群组成的调控，且该过程在一定条件下是可逆的。在阿尔茨海默病、帕金森病和自闭症小鼠模型中发现类似现象，强烈提示如果这一机制在人类中也存在，它可能为理解这些神经系统疾病的发病机制开辟新视角。未来研究需要进一步阐明这些入脑细菌在脑内的具体定位、与宿主细胞的相互作用，以及它们是否及如何直接导致神经病理变化。同时，探究针对肠道屏障或菌群的干预措施能否阻止细菌入脑，可能为神经系统疾病的预防和治疗提供新的策略。
