数千年来，人体消化道中的数万亿有益微生物默默无闻地工作着，吞噬某些分子并分泌其他分子。然而，在过去几十年里，这些微小生物（统称为肠道微生物群）成为了研究焦点。科学家们已经发现了越来越多的肠道微生物群与多种疾病和状况之间的联系，从自身免疫疾病到癌症不等。
肠道微生物群甚至与抑郁症和焦虑症等心理健康问题有关。考虑到肠道中的微生物会产生许多神经活性化合物（包括像血清素这样的神经递质），这似乎并不令人惊讶。令人难以置信的是，人体内大约95%的血清素是由肠道微生物产生的。
“肠道是身体向大脑传递信号的重要来源，”塔夫茨大学医学院 (Tufts University School of Medicine) 医学助理教授兼塔夫茨医疗中心 (Tufts Medical Center) 胃肠病科研究员凯文·博纳姆 (Kevin Bonham) 说道。博纳姆指出，从进化的角度来看，大脑与肠道之间的强沟通是有道理的，因为大脑的主要生存任务之一就是确保我们保持进食和健康。但这种沟通超越了饥饿、饱腹或恶心的感觉。
为了进一步探索这种联系，博纳姆正在研究微生物群发育如何与婴幼儿的大脑发育相关联，以及微生物群的变化是否支持神经发育。
博纳姆于今年三月加入塔夫茨大学，这是塔夫茨大学医学院和塔夫茨医疗中心之间的一项微生物组集群招聘计划的一部分，同时加入的还有医师科学家卡米·莱瑟 (Cammie Lesser)，她是医学院的副教授。“集群招聘的目标之一是将医院和医学院的研究社区聚集在一起，”博纳姆说。这是本学年塔夫茨大学的第二次集群招聘。
婴儿的微生物组和大脑
作为理解微生物组在大脑发育中可能扮演角色的第一步，博纳姆在韦尔斯利学院 (Wellesley College) 克莱帕克 - 切拉伊实验室 (Klepac-Ceraj Lab) 担任高级研究科学家时开展了一项项目，测量并描述了来自12个国家的1800多名婴儿的肠道微生物组及其在生命最初几个月内的变化。每个婴儿的微生物组组成是通过分析粪便样本来确定的。
“当婴儿从液体饮食转向固体食物时，我们看到微生物组的构成发生了显著变化，”博纳姆说，某些种类的微生物变得更丰富，而其他种类则减少。值得注意的是，尽管生活方式和饮食存在文化差异，物种组成的这种转变在全球范围内基本一致。根据这些模式，研究团队发现他们可以通过分析婴儿的微生物组来预测其年龄，误差在三个月以内。
接下来，作为一项名为1kD的大型全球儿童健康研究的一部分，该研究由Wellcome Leap资助，博纳姆和研究团队收集了南非194名正常发育儿童在0至14个月大时三个时间点的微生物组和神经数据。神经数据是通过放置在婴儿头部的脑电图“发网”收集的，当时婴儿正在观看棋盘图案。分析产生的脑波类型可以表明大脑视觉皮层的发育程度。
博纳姆和他的团队发现，四个月大时的微生物组组成与九至十五个月大时视觉皮层的发育水平相关。虽然这一观察结果并不能证明微生物组组成是视觉皮层发育所必需的，但它提出了有趣的可能性。博纳姆指出，一些在四个月大时丰富的微生物所产生的分子正是几个月后大脑发育所需的分子。
他计划在塔夫茨继续这一研究方向，并希望寻找证据证明不断变化的微生物组组成实际上支持大脑发育。
“我们认为，了解微生物组与典型发育的关系将为我们提供对某些异常情况的洞见，”他说。未来，分析婴儿粪便样本中的微生物组可能是筛查其发育迟缓风险的一种方法。
数据处理
提出和回答这些问题涉及整理和分析大量惊人的数据。科学家需要对数千种微生物物种进行DNA分析，以了解微生物组正在产生哪些神经活性化合物。此外，同一物种的单个微生物并不总是具有相同的DNA，这增加了复杂性。
博纳姆能够胜任这项任务：他在统计学、机器学习和计算建模方面受过广泛培训。他编写软件来组织数据，并使用数据科学工具进行分析。
博纳姆自称为具有实验科学背景的计算微生物学家，他对参与一种迭代发现过程特别感兴趣——在群体数据中寻找相关性，然后在实验室中找到解释这些观察结果的机制，目标是发现影响这些机制的治疗方法。
“在方法上具有挑战性的是，将我们在人类身上观察到的现象转化为可以进行特定机制实验的地方，”他说。“但我认为，这种策略对于解决人类健康的一些非常复杂的方面有很大的前景。”
博纳姆知道塔夫茨是一个进行这类工作的理想场所。“吸引我来到塔夫茨的一件事是基础研究与临床研究和患者群体之间的联系，”他说。
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