学术研究报告

一、研究基本信息

本研究由宾夕法尼亚大学微生物学系的 Timothy O. Cox 和斯坦福大学病理学系的 Maayan Levy 以及 Christoph A. Thaiss 共同领导，联合了莫奈尔化学感官中心、加州大学尔湾分校、科克大学学院、Calico Life Sciences 等多家研究机构的研究人员完成。论文于2026年3月11日在线发表于 nature 杂志（第652卷，2026年4月9日刊），文章标题为《肠道内感受功能障碍驱动年龄相关的认知衰退》（Intestinal interoceptive dysfunction drives age-associated cognitive decline）。

二、研究背景

随着年龄增长，记忆功能衰退是一个普遍现象，但其在人群中的表现具有极大的异质性。近年来，影响认知衰退的脑外因素，特别是胃肠道信号，已成为外周干预的有吸引力的靶点，但其中的具体机制尚不清楚。海马体中的神经元印记（neuronal engrams）在记忆的形成、存储和回忆中起着关键作用，而其存储新信息的能力会随年龄增长而下降。尽管肠道微生物组已被证实与认知调节及年龄相关的记忆丧失有关，但肠道微生物信号通过何种神经环路传递至大脑以调节记忆，在很大程度上仍然是未知的。

本研究旨在绘制肠道微生物组在整个生命周期中衰老的高分辨率图谱，并探究微生物组通过肠道-大脑通路影响认知衰退的具体机制。

三、研究流程与实验方法

研究人员设计了一整套严密的实验流程来验证其科学假设。

第一步：验证微生物组衰老对认知衰退的因果作用。 研究人员通过将2个月大的年轻小鼠与18个月大的老年小鼠进行同笼饲养（co-housing），使年轻小鼠的微生物组加速衰老。随后，在年轻雌性和雄性小鼠中，利用新物体识别（Novel Object Recognition, NOR）任务和巴恩斯迷宫（Barnes maze）任务评估其短期和长期空间学习记忆能力。为了排除同笼饲养的社会性影响，研究团队采用了四种正交实验策略：（1）将年轻小鼠与不同年轻小鼠同笼饲养作为对照；（2）将年轻或老年供体的粪便微生物组移植（Faecal Microbiota Transplantation, FMT）到年轻的无菌（germ-free）小鼠体内；（3）在无菌条件下进行年轻与老年无菌小鼠的同笼饲养实验，观察缺乏微生物组时社会效应是否足以诱导认知缺陷；（4）在同笼饲养前、中、后使用广谱抗生素清除微生物，并观察清除后认知功能是否可逆。实验涉及雌性和雄性小鼠，并使用了来自不同供应商的小鼠组合。通过宏基因组测序、粪便蛋白质组学和代谢组学等技术分析微生物组组成和功能变化。

第二步：识别驱动认知衰退的特定微生物。 研究人员对一组15只雄性C57BL/6小鼠从断奶到死亡的全生命周期进行纵向监测，每2-4个月进行一次粪便宏基因组测序和蛋白质组学分析，以表征微生物组在整个生命周期中的变化。他们制定了两个筛选标准来识别候选细菌：（1）其相对丰度随年龄增长而增加；（2）能通过同笼饲养和微生物组移植传播给年轻动物。通过Kraken 2软件对宏基因组读段进行物种注释，并分析KEGG直系同源群的丰度变化。最终，他们将候选细菌（如*Parabacteroides goldsteinii*、*Alistipes*、*Lachnospiraceae*等）单独定植于无菌或抗生素处理的小鼠，再次通过NOR任务评估其认知功能。

第三步：探究微生物组影响的大脑响应。 鉴于学习和记忆高度依赖海马体，研究人员首先通过免疫组化染色检测了成年海马神经发生、星形胶质细胞增生（astrogliosis）和树突棘结构可塑性。随后，采用无偏倚的RNA测序（RNA-sequencing）方法评估不同宿主年龄和微生物组年龄的小鼠海马体分子变化，特别关注与年龄或认知表现相关的差异表达基因，以及在接触新物体后立即早期基因（immediate-early genes, IEGs）的激活情况。通过FOS蛋白染色，研究人员绘制了海马体不同亚区（CA3、CA1和齿状回）以及多个其他脑区（如孤束核（nucleus tractus solitarii, NTS）、体感和内嗅皮层）的神经元激活图谱。

第四步：阐明肠道-大脑信号通路及内感受功能障碍。 研究人员利用TRPV1-DTA小鼠（清除所有表达TRPV1的感觉神经元）和化学遗传学（chemogenetics）技术（使用AAV-hM4Di抑制或AAV-hM3Dq激活TRPV1+神经元），调控感觉神经元活性，并观察对认知和海马体FOS反应的影响。为了精确定位介导此效应的神经元亚群，他们使用标记引导靶向策略，分别沉默表达Phox2b的迷走神经传入神经元，并通过交叉遗传学技术靶向Phox2b+ TRPV1+双阳性神经元。同时，通过向鞘内注射树脂毒素（resiniferatoxin）消融脊髓TRPV1+传入神经或进行腹腔神经节切除术以排除脊髓神经元的作用。关键的实验还包括：对清醒小鼠的结状神经节（nodose ganglia）进行体内双光子钙成像（in vivo two-photon calcium imaging），实时监测迷走神经元在十二指肠灌注营养液（Ensure）后的反应。

第五步：鉴定介导迷走神经功能障碍的肠道代谢物。 研究人员培养了*P. goldsteinii*，并将其上清液经3 kDa尺寸过滤后口服灌胃给小鼠，评估其认知效应。通过非靶向代谢组学（untargeted metabolomics）比对*P. goldsteinii*和*Alistipes shahii*的培养上清液，鉴定特异性富集的小分子代谢物，如中链脂肪酸（medium-chain fatty acids, MCFAs）3-羟基辛酸（3-hydroxyoctanoic acid, 3-HOA）、癸酸（decanoic acid）和十二烷酸（dodecanoic acid）。在小鼠模型中口服补充这些MCFAs，验证其对认知功能、迷走神经激活、NTS和海马体神经元反应的影响。为寻找干预手段，筛选了多种噬菌体（bacteriophages），特别是靶向*Parabacteroides distasonis*的噬菌体φPds1，测试其对老年小鼠认知和肠道MCFAs水平的影响。

第六步：解析MCFAs通过GPR84信号驱动炎症和认知衰退的机制。 研究人员使用GPR84天然缺陷的DBA小鼠品系和GPR84基因敲除（GPR84^−/−）C57BL/6小鼠，验证MCFAs的作用是否依赖GPR84受体。使用GPR84激动剂embelin和抑制剂PBI-4050进行干预。通过单细胞转录组数据调查和CSF1R抑制剂PLX-3397（清除髓系细胞）、氯膦酸盐脂质体（clodronate liposomes，清除外周吞噬细胞但不穿过血脑屏障）处理，以及CCR2缺陷小鼠（外周髓系细胞招募受损），探究髓系细胞的作用。构建骨髓嵌合体（bone marrow chimeras），将野生型或GPR84缺陷型骨髓移植到辐照受体小鼠，并进行混合骨髓嵌合体实验，验证GPR84在造血系统特别是外周髓系细胞上的关键作用。最后，检测MCFAs处理后胃肠道和脂肪组织中的炎症细胞因子TNF和IL-1β水平，并使用中和抗体、NLRP3基因敲除小鼠，以及条件性敲除Phox2b+神经元上IL-1β受体的小鼠，阐明炎症因子影响神经功能的具体靶点。

四、主要研究结果

研究结果呈现出一条完整的逻辑链条。

首先，肠道微生物组的衰老足以驱动认知衰退。 与老年小鼠同笼饲养或接受老年微生物组的年轻小鼠，在NOR和巴恩斯迷宫任务中均表现出显著的学习和记忆缺陷，而探索行为不受影响。这种效应在无菌小鼠中消失，且广谱抗生素治疗不仅能在同笼饲养期间保护年轻小鼠，甚至能在认知缺陷形成后逆转它，同时老年小鼠的认知能力也在抗生素治疗后得到改善。

其次，特定细菌物种*P. goldsteinii*是认知衰退的驱动因素。 在跨越小鼠全生命周期的微生物组分析中，*P. goldsteinii*的丰度随年龄增长而增加，并能有效传播。将*P. goldsteinii*单独定植于年轻无菌或抗生素处理的小鼠，足以诱导认知障碍，而其他年龄相关或无关细菌则没有此效应。自然携带高水平*P. goldsteinii*的年轻小鼠同样表现出记忆功能下降。

再次，微生物组衰老通过抑制海马体神经元活动影响记忆，而非通过神经发生减少或炎症。 虽然老年小鼠海马体出现神经发生减少和星形胶质细胞增生，但这些表型并未在同笼饲养的年轻小鼠中重现。RNA测序显示，年轻小鼠在接触新物体后海马体立即早期基因（如*Fos*）表达强烈上调，但在老年小鼠和同笼饲养的年轻小鼠中，这种上调被显著削弱。FOS染色证实，同笼饲养年轻小鼠海马体CA3、CA1和齿状回的神经元激活受损。恢复老年无菌或抗生素处理小鼠的认知能力，伴随着海马体FOS反应的恢复，而单定植*P. goldsteinii*则直接抑制海马体对新奇事物的反应。

随后，内感受功能障碍是关键环节，主要由迷走神经功能受损介导。 老年和同笼饲养年轻小鼠的孤束核（NTS）等多个脑区的神经元激活均减弱。清除TRPV1+感觉神经元或化学遗传学抑制其活性，直接在年轻小鼠上模拟了认知障碍表型。反之，化学遗传学激活这些神经元或使用低剂量TRPV1激动剂辣椒素（capsaicin），则能完全恢复同笼饲养年轻小鼠和老年小鼠的海马体FOS活性和认知功能。通过交叉遗传学特异性沉默迷走神经Phox2b+ TRPV1+神经元足以重演记忆缺陷，而清除脊髓传入神经则无此影响。体内钙成像直接证实，携带衰老微生物组的年轻小鼠，其结状神经节迷走神经元对肠道营养物质的反应强度和响应神经元数量均显著降低。

接着，中链脂肪酸（MCFAs）是连接肠道微生物与迷走神经功能障碍的代谢物。 *P. goldsteinii*的无菌培养上清液经小分子过滤后仍能诱导认知衰退。代谢组学分析鉴定出3-HOA、癸酸、十二烷酸等MCFAs在*P. goldsteinii*培养物中高度富集。口服补充这些MCFAs足以使年轻小鼠重演迷走神经激活减弱、NTS和海马体反应抑制以及认知障碍。这些MCFAs在衰老小鼠肠道中的水平升高，并能通过同笼饲养传播。靶向*Parabacteroides*的噬菌体φPds1虽不直接杀死*P. goldsteinii*，但通过改变其转录程序，降低肠道MCFAs水平，并能改善老年小鼠的认知功能。

最后，外周髓系细胞上的GPR84信号及下游炎症是关键机制。 DBA小鼠和GPR84^−/−小鼠均对MCFAs诱导的认知衰退具有抵抗力。MCFAs的作用可被GPR84抑制剂PBI-4050阻断，并被激动剂Embelin模拟。GPR84主要在外周髓系细胞（如肠道巨噬细胞）上表达。使用PLX-3397或氯膦酸盐脂质体清除外周髓系细胞，或在CCR2^−/−小鼠中阻断其招募，均能逆转MCFAs或微生物组衰老引起的认知损害。骨髓嵌合体实验证实，仅造血系统细胞缺乏GPR84即可保护认知功能，而混合骨髓嵌合体实验进一步将关键作用锁定在外周髓系细胞的GPR84信号上。机制上，GPR84活化触发TNF和IL-1β的产生。MCFAs处理导致肠道和脂肪组织局部，而非全身或大脑的炎症因子升高。TNF或IL-1β中和抗体能保护老年和同笼饲养年轻小鼠的认知功能。NLRP3缺陷小鼠也对3-HOA有抵抗力。关键的是，在Phox2b+迷走神经元上特异性敲除IL-1β受体能阻断MCFAs的效应，而化学遗传学激活感觉神经元则可抵抗IL-1β导致的记忆损伤，表明炎性细胞因子IL-1β直接作用于迷走神经，导致其功能障碍。

五、研究结论与价值

本研究定义了一条从肠道到大脑、驱动年龄相关认知衰退的完整通路：肠道中*P. goldsteinii*等细菌的积累导致中链脂肪酸（MCFAs）增加，这些代谢物通过激活外周髓系细胞上的GPR84受体，触发TNF和IL-1β等促炎细胞因子的局部释放。IL-1β直接作用于迷走神经感觉神经元（特别是Phox2b+ TRPV1+亚群），损害其功能，导致向大脑传递的内感受信号减弱，最终抑制海马体的神经元激活和记忆编码。

该研究具有重大的科学价值：首次提出“内感受功能障碍”（interoceptive dysfunction）是大脑衰老的一个关键原理，并将衰老过程中外周低度炎症、特定肠道菌群失调和神经功能衰退通过一个精确的分子和细胞通路联系起来。它揭示了影响认知功能的炎症过程并非必须发生在大脑，外周组织（如胃肠道）的局部炎症足以引发认知后遗症。此外，它在应用上提供了多个潜在干预靶点，包括靶向特定细菌的噬菌体疗法、GPR84药物抑制、迷走神经刺激等。“内感受模拟药物”（interoceptomimetics），如辣椒素、胆囊收缩素（CCK）和GLP-1受体激动剂，被证明能有效恢复老年小鼠的认知功能，为开发抗衰老相关认知衰退的新型疗法开辟了全新的方向。

六、研究亮点

本研究亮点突出。首先是机制发现的新颖性：它首次将内感受信号缺陷确立为脑衰老的驱动力，颠覆了认知衰退主要源于大脑内部病理的传统观念。其次是研究路径的系统性：从宏观的微生物组表型，到特定的菌株和代谢物，再到具体的宿主受体、细胞类型和神经环路，研究逻辑层层递进，证据链完整且相互印证。最后是实验方法的先进性和综合性：研究者综合运用了无菌小鼠模型、化学遗传学、交叉遗传学、清醒动物体内双光子钙成像、多种骨髓嵌合体模型以及噬菌体操控等前沿且互补的技术手段，精确解析了从肠道到大脑的多级信号传递通路。