Mol Psychiatry：北大陆林院士团队发现肠道微生物群通过肠-脑代谢轴_

Mol Psychiatry：北大陆林院士团队发现肠道微生物群通过肠-脑代谢轴调节失眠样行为

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睡眠和肠道微生物群相互作用，肠道微生物驱动的外周信号如何调节睡眠尚不清楚。北京大学第六医院陆林院士团队、刘晓星团队联合北京大学中国药物依赖性研究所的研究论文，韩盈团队、渝粤病理科学研究中心魏泓团队于2024年12月10日在Molecular Psychiatry杂志发表题为“Gut microbiota regulate insomnia-like behaviors via gut-brain metabolic axis”探讨肠道微生物群及其代谢产物在失眠样行为中的作用，并通过小鼠模型和人类样本验证其机制，为睡眠障碍提供新的治疗思路。

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1. 肠道菌群影响睡眠行为

首先，通过比较无菌（GF）小鼠和无特定病原体（SPF）小鼠，研究者发现肠道微生物群缺失了改变了白天和黑暗阶段的睡眠-觉醒结构。这一改变体现在24小时动态脑电图（EEG）-肌电图（EMG）记录(图1A-C)：GF小鼠的觉醒时间在12小时光照阶段减少，在12小时黑暗阶段增加（图1D）。此外，GF小鼠在12小时黑暗阶段的非快速眼动（NREM）睡眠时间减少（图1E），而在12小时光明阶段的快速眼动（REM）睡眠时间增加（图1F）。整体观察24小时清醒或睡眠时间没有发现显著差异。

进一步地，为了探究GF小鼠睡眠-觉醒结构的变化是否与睡眠稳态的改变有关，研究者们进行了睡眠剥夺（SD）实验（图1G）,发现GF小鼠的睡眠恢复能力显著降低。睡眠剥夺后，失去的NREM睡眠通常会反弹，这一过程称为睡眠稳态。随后，在接下来的18小时内测量睡眠恢复情况。GF小鼠的睡眠恢复时间更少（图1H、I），觉醒程度增多（图1J），NREM睡眠减少（图1K）。

图1肠道微生物群的缺失会改变小鼠的睡眠-觉醒结构

2. 肠道微生物代谢物丁酸盐调节睡眠行为

大脑中的神经元功能可以通过微生物小分子代谢物来调节。因此，研究者假设微生物组通过代谢过程的改变介导的睡眠稳态调节。为了筛选特定代谢物，SPF、GF和SD组小鼠的粪便内容物和下丘脑组织样本被采集，用于靶向代谢组学研究（图2A）。研究者分析了GF小鼠和SPF小鼠睡眠剥夺后，粪便内容物和下丘脑组织中表现出差异调节代谢物的交集（图2D），定位到三种潜在代谢物：丁酸盐、苯乙酸和10Z-十七碳烯酸。其中，睡眠剥夺显著降低了SPF小鼠粪便和下丘脑中丁酸盐水平，但对GF小鼠无影响（图2F）。

图2通过靶向代谢组学定位到丁酸盐

3. 丁酸盐前体三丁酸甘油酯减少外侧下丘脑中的食欲素神经元激活

为了明确参与丁酸介导的睡眠-觉醒行为的下丘脑特定脑区，研究者给小鼠口服丁酸盐前体三丁酸甘油酯，分析神经活动变化（Fos表达图谱），发现外侧下丘脑（LH）的Fos信号减少。研究者对LH中的两种主要神经元群——食欲素和黑色素浓缩激素（MCH）神经元——进行免疫荧光染色，发现三丁酸甘油酯治疗的小鼠中激活的食欲素A神经元的数量显著减少（图3H）。

图3 丁酸前体三丁酸甘油酯减少外侧下丘脑中的食欲素神经元激活

研究者使用光纤光度测定法测量自然睡眠/觉醒转换期间的钙离子瞬变，监测小鼠LH食欲素神经元的活性，发现清醒期间活性显著高于NREM睡眠期（图4C）。三丁酸甘油酯治疗后，食欲素神经元在NREM状态下瞬变的频率显著降低（图4F），并在膜片钳实验中观察到更负的静息膜电位（图4K）和降低的动作电位频率（图4L）。以上结果表明，三丁酸甘油酯可能通过抑制LH食欲素神经元来促进睡眠。

图4 丁酸前体三丁酸甘油酯在自然睡眠/觉醒转换期间抑制 LH 食欲素神经元活动

4. 失眠患者的肠道微生物群组成和丁酸盐代谢改变

接下来，研究者在人类失眠患者中验证上述机制。和之前报道的数据对比，在失眠患者的粪便样本中观察到有39种生成丁酸盐的菌属显著减少，而健康对照仅有一种菌属减少（图5C）。作为客观测量睡眠的金标准，研究者还采集了失眠患者的多导睡眠图（PSG）。相关性分析表明，微生物组中有19个生成丁酸盐菌属与PSG数据显著相关（图5D）。

图5失眠患者的肠道微生物群组成和丁酸盐代谢改变

5. 接受失眠患者微生物群的无菌小鼠表现出睡眠障碍，通过补充丁酸盐可以恢复

为了阐明肠道微生物改变与睡眠障碍之间的因果关系，研究者将健康对照和失眠患者供体的粪便微生物群移植到GF小鼠中（图6A）。与粪便微生物移植健康人群（FMT_HE）小鼠相比，移植失眠患者微生物群的（FMT_IN）小鼠在12小时光相中的清醒度增加，NREM睡眠减少（图6D），表明失眠患者的微生物群定植足以诱发失眠样行为。FMT_IN小鼠的血清丁酸盐水平显著下降，LH中激活的食欲素神经元的数量显著增加。

图6 将失眠供体的粪便微生物群移植到 GF 小鼠体内可诱导失眠样表型

进一步，给FMT_IN小鼠口服丁酸钠3周（图7A），研究者发现结果表明丁酸钠改善了FMT_IN小鼠在12小时光照阶段的睡眠障碍表型，NREM睡眠得到一定程度恢复（图7B-D）。

图7 补充丁酸盐足以使受体小鼠的行为正常化

总结

综上，本研究发现丁酸盐作为肠道微生物的代谢副产物，通过调节外侧下丘脑中的食欲素信号传导，在睡眠调节中充当关键的肠-脑轴信号转导器。肠道微生物群扰动引起的肠道丁酸盐生物合成中断可能会通过改变外侧下丘脑食欲素神经元的动态而导致睡眠障碍。重要的是，补充丁酸盐可以缓解由肠道微生物群破坏引起的睡眠障碍，突显其作为缓解睡眠障碍的治疗干预措施的潜在影响。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41380-024-02867-0

参考文献

Wang, Z., Wang, Z., Lu, T. et al. Gut microbiota regulate insomnia-like behaviors via gut-brain metabolic axis. Mol Psychiatry (2024). http://doi.org/10.1038/s41380-024-02867-0

编译作者：无敌猩猩王（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）