青少年养狗改变微生物群并改善心理健康 - 硒与微生态

亮点

• 青少年养狗与心理健康改善相关

• 养狗青少年展现出独特的微生物群特征

• 与狗相关的微生物转移增强了小鼠的社交行为

• 链球菌扩增子序列变体与青少年和小鼠的幸福感相关

摘要

养狗的青少年比不养狗的青少年心理健康水平更高；然而，目前尚不清楚养狗影响青少年心理健康的具体机制。鉴于养狗会影响家庭环境中的微生物群组成，我们分析了养狗青少年的微生物组，并研究了其与青少年队列参与者（n = 345）心理健康和行为的关联。我们的研究发现，养狗的青少年在心理评分方面问题较少，且某些共生菌与青少年的心理评分相关。接受养狗青少年微生物群处理的小鼠对被困同伴表现出更高的社交接近行为。我们对青少年心理评分与小鼠行为以及微生物组中每个扩增子序列变体（ASV）丰度进行了关联分析，发现属于链球菌属的ASV与无菌小鼠的社交接近行为以及青少年的心理评分相关。这些结果表明，微生物群可能部分参与了改善与狗同住的青少年的幸福感。

主题领域

微生物组
心理学

引言

青春期是一个关键时期，环境因素在此期间对个体的生活产生深远且不可逆的影响。在这一阶段，社交互动和人际关系，尤其是与家庭成员的关系，对心理健康和情感发展具有不可逆转的影响。青春期伴随着显著的大脑发育和荷尔蒙变化。这种发育发生在负责社交行为、处理奖励和情绪反应的大脑区域，如边缘系统。同时，负责决策、社会识别、冲动控制和未来规划等执行功能的前额叶皮层在青春期逐渐成熟。因此，青春期对人类的神经行为发展至关重要。

狗是全球最受欢迎的伴侣动物，据报告，养狗对主人的心理和身体健康有积极影响。狗可以帮助减轻孤独感，与它们共度时光有助于情绪健康。与狗互动可以减轻压力和焦虑，促进放松，并加强社交联系。然而，先前关于这一主题的研究报告了相互矛盾的结果。例如，日常狗护理、训练和疾病管理可能会引起压力。最近的一项系统综述揭示了高质量纵向研究的稀缺性，这些研究考虑了养狗对人类健康的潜在影响。

多项研究表明宠物所有权与青少年心理健康之间存在关联。然而，由于其中许多是横断面和回顾性研究，纵向研究有限，因此需要进一步研究。在东京青少年队列（Tokyo Teen Cohort）的一项纵向研究中，我们发现养狗能够预测并维持心理健康，而养猫则预测了10-12岁期间心理健康的下降。我们还发现，幼年养狗并在以后继续养狗的个体在陪伴和社会支持方面的评分更高。这些发现表明，青春期的养狗经历可能与日后的生活社交结果相关，例如增加陪伴感。

包括养狗在内的各种环境因素都会影响人类肠道微生物群的组成。一项比较有狗和无狗家庭微生物多样性的研究发现，狗主人的肠道微生物群与非狗主人不同，有狗的家庭表现出更丰富的微生物多样性。例如，一项研究报告称，狗主人中双歧杆菌科和瘤胃球菌科的丰度有所增加。此外，一项研究表明，婴儿期与狗同住可以降低过敏性疾病的风险。此外，将过敏模型小鼠暴露于从养狗家庭灰尘中提取的细菌中，可提供对气道过敏原挑战的保护，表明养狗可以通过细菌暴露促进人类健康。例如，养狗可以调节老年人的肠道微生物群。我们最近揭示了少量细菌可以在主人和狗之间相互转移。在人类中，亲吻促进口腔微生物群的转移。由于亲吻和舔舐在人-狗互动中很常见，推测这些互动可能会改变主人的口腔和肠道微生物群，从而可能影响肠-脑功能。

有趣的是，动物的社交行为受到肠道微生物组的调控。发育中老鼠肠道微生物群的失调会降低社交性和大脑中催产素的反应性，而催产素是调节社交行为的关键神经递质之一。人类社交性受微生物群影响的研究也有报道（参见Sherwi等人的综述）。一项研究表明，人类肠道微生物群组成可以预测社交决策模式。最近的证据强调了肠道和大脑之间的联系，这种联系通过神经、神经内分泌和代谢途径由肠道微生物组调节。这些途径涉及多种神经递质、激素、细胞因子和生物活性代谢物，如催产素，表明肠道微生物组，尤其是在发育过程中，可以塑造人类社交关系的数量和质量。

本研究假设养狗会影响青少年的微生物群，进而影响其心理和身体状态。具体而言，我们关注青少年社交性与其微生物群之间的关系。为了阐明这种因果关系，我们收集了养狗青少年的细菌，将其施用于无菌小鼠，并检查了微生物群对人源化前无菌小鼠社交行为的影响。

结果

养狗和不养狗青少年的心理健康和行为问题

为了揭示养狗对青少年心理状态的影响，我们分析了年龄13岁时养狗状况和年龄14岁时儿童行为量表（CBCL）子量表数据无缺失的参与者数据（n = 343）。分析的参与者包括96名狗主人（男性57名，女性39名）和247名非狗主人（男性139名，女性108名）（表S1）。年龄13岁时的养狗状况预测了年龄14岁时的CBCL子量表，作为心理健康和行为评分。养狗青少年的社交问题评分显著低于非养狗青少年，效应量最大（β = -0.192，p = 0.002）。此外，养狗青少年的社交退缩、思想问题、违纪行为和攻击性行为评分均低于非养狗青少年（β = -0.122，-0.143，-0.133，-0.146，p = 0.048，0.020，0.030，0.017；图1）。在调整人口统计学协变量（性别、家庭年收入、兄弟姐妹数量和家庭成员数量）后，这些差异仍然存在，社交问题的效应量最大（β = -0.194，p = 0.002）。

图1 养狗和不养狗青少年的心理健康和行为问题

将养狗和不养狗青少年的CBCL子量表评分进行了比较。分析包括同时拥有13岁时宠物所有权数据和14岁时CBCL评分的参与者（n = 266；养狗者= 74，非养狗者= 192）。子量表包括社交退缩、躯体不适、焦虑/抑郁、社交问题、思想问题、注意力问题、违纪行为和攻击性行为。使用广义线性模型（GLMs）检验组间差异，包括调整协变量（性别、家庭年收入、兄弟姐妹数量和家庭成员数量）前后。养狗青少年在社交退缩、社交问题、思想问题、违纪行为和攻击性行为方面的评分显著较低。*p < 0.05，**p < 0.01，通过GLM后跟Mann-Whitney事后检验。

人类青少年行为相关的微生物群

我们对非养狗者和养狗者的唾液微生物群进行了分析。总共测序了343个样本，产生了6,829,854次读取。在属水平上，唾液样本主要由链球菌（21.9%）、奈瑟菌（13.0%）和Prevotella 7（8.3%）主导（图2A）。养狗组和非养狗组之间唾液微生物群的丰富度（Chao1指数）和均匀度（Shannon指数）相当（图2B）。基于Bray-Curtis差异性的主坐标分析也显示，两组之间唾液微生物群的结构没有差异（Adonis，F = 1.6655，R2 = 0.00486，p = 0.097）（图2C）。相反，使用偏差校正的微生物组组成分析（ANCOM-BC）揭示了两组之间丰度存在差异的某些属。12个属，包括主要属链球菌和Prevotella 7，在非养狗者的唾液中丰度显著较低（图2D）。这些结果表明，养狗影响了其主人特定口腔细菌属的丰度，而整体多样性和微生物群落结构保持不变。

图2 养狗对唾液微生物群的影响

(A) 代表有狗（n = 96）或无狗（n = 247）参与者唾液样本中前15个属的条形图；其余标记为"其他"。x轴表示单个参与者样本。

(B) 唾液微生物群的Chao1指数（左）和Shannon指数（右）。

(D) 通过ANCOM-BC分析的两组之间差异丰度属（调整后的p值< 0.05）。

(E) 热图显示行为和生理评分与唾液样本中ASV丰度之间的显著关联，通过MaAsLin2分析。ASV标识符（ID）、注释属和最匹配菌株显示在右侧。*p < 0.05，**p < 0.01；MaAsLin2（错误发现率[FDR]调整）。

为了确定口腔细菌是否与行为和生理评分相关，我们将MaAsLin2（微生物组多变量与线性模型的关联）应用于我们的数据集。该分析显示，几个扩增子序列变体（ASVs）的相对丰度与思想问题、违纪行为、注意力问题的发生率和皮质醇浓度显著相关（图2E）。例如，属于链球菌属的ASVs（ASV1、ASV2、ASV4、ASV5和ASV7）与思想问题和违纪行为呈负相关。因此，狗可能至少部分通过改变微生物群来影响其主人的思想问题和社交行为。

小鼠行为测试

为了研究口腔微生物组的变化是否与养狗青少年社交行为的改变相关，我们将他们的口腔微生物群移植到无菌小鼠中，并评估受体动物的社交行为。在社交性测试中，养狗组的肛门生殖器嗅探更高（图3A；F(1,16) = 4.95，p < 0.05），事后检验显示4周龄时组间差异（p < 0.05）。在社交性测试中，养狗组的个体距离更长（图3B；F(1,16) = 2.65，p < 0.05），事后检验显示6周龄时组间差异（p < 0.05）。在对被困小鼠的社交接近测试中，养狗组的社交接近行为高于非养狗组（图3C；F(1,23) = 4.32，p < 0.01），事后检验显示5周和6周龄时组间差异（p < 0.05和p < 0.01，分别）。在恐新症测试中，养狗组的回避行为更高（图3D；F(1,33) = 15.6，p < 0.001），在所有年龄段的嗅探行为都较低（图3E；F(1,33) = 12.7，p < 0.001）。在悬尾测试中，发现组间差异（图3F；F(1,33) = 3.32，p < 0.05），但事后检验中无差异。其他行为测试，如埋弹珠和攻击性咬合，未显示组间差异。

图3 养狗和非养狗组前无菌小鼠的行为差异

(A和B) 在社交性测试中，与非养狗组相比，养狗组在4周龄时肛门生殖器嗅探更高，在6周龄时个体距离更长（PERMANOVA后跟Mann-Whitney事后检验）。

(D和E) 对于恐新症测试，与非养狗组相比，养狗组表现出更高的回避行为和更低的嗅探行为（PERMANOVA后跟Mann-Whitney事后检验）。

(F) 在悬尾测试中，养狗组和非养狗组之间存在组间差异；然而，事后检验中无差异。*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001；PERMANOVA后跟Mann-Whitney事后检验。

人类和小鼠行为-微生物群的相关性分析

接下来，我们分析了前无菌小鼠的粪便微生物群。与唾液样本相对应，链球菌是这些受体小鼠粪便中最主要的属，占组成的69.1%。使用粪便微生物群和行为测试数据的MaAsLin2分析表明，几个ASVs与社交指数相关（图4A）。值得注意的是，链球菌ASVs与对被困小鼠的社交接近行为强烈相关，尽管它们的关联模式在ASVs之间有所不同。根据关联模式，链球菌ASVs分为两组，分别指定为A组和B组，分别对被困小鼠的社交接近行为呈正相关和负相关（图4A）。这些ASVs的系统发育树也清楚地将它们分为A组和B组，表明A组和B组中的链球菌菌株功能不同，可能对宿主产生不同影响（图4B）。前无菌小鼠粪便中这些链球菌ASVs的相对丰度在各组之间有所不同；即，A组中的ASVs在接种自狗主人唾液的前无菌小鼠中增加，而B组中的ASVs则减少（图4C）。在青少年参与者的唾液中，非养狗者和养狗者之间在这些ASVs方面没有观察到显著差异（图S1），而一些ASVs如ASV4和ASV7的丰度与青少年心理评分相关（图2E）。综合这些结果表明，人类和狗之间共享的链球菌菌株，如ASV4，可能影响宿主行为。

图4 前无菌小鼠中微生物群与行为之间的关联；n = 17小鼠（无）和n = 18小鼠（有），从每只小鼠收集三个纵向粪便样本和行为评分

(A) 热图显示移植参与者唾液细菌的前无菌小鼠粪便样本中行为评分与ASV丰度之间的关联。在人类（图1E）和小鼠中均与评分显著相关的ASVs以粗体标示。链球菌ASVs根据其关联模式分为两组（A组和B组），并用不同颜色突出显示。

(B) 基于链球菌ASVs的16S rRNA基因序列的系统发育树。

讨论

我们在先前的研究中报告说，养狗青少年的幸福感高于不养狗的青少年。在本研究中，我们发现养狗青少年在与社交关系相关的问题（社交问题、社交退缩和违纪行为）方面的评分较低，并且唾液中的微生物群组成与不养狗青少年不同。我们关注微生物群以阐明这一发现的潜在机制。青少年的细菌被施用于无菌小鼠，并检查其社交行为以阐明微生物群的功能。结果显示，接受养狗青少年细菌处理的小鼠对被困小鼠的社交接近行为增加，这与前瞻关怀行为相关。此外，对陌生小鼠的嗅探行为增加。在微生物群分析中，属于链球菌的ASV与青少年和前无菌小鼠的社交能力相关。ASV4与青少年的违纪行为呈负相关，这代表了反社会行为，如撒谎和侮辱他人。同样的ASV与人源化小鼠的前瞻关怀行为呈正相关。虽然无法直接比较人类和小鼠行为，但这些结果表明微生物群部分负责养狗后青少年社交行为的改善。尽管先前文献报道了狗对身体和心理健康有积极影响，但这是第一项研究微生物组在养狗青少年心理健康和行为健康中的作用。

本研究确定的养狗青少年的特征表明增强了社交技能，从而形成稳定和良好的家庭和朋友关系。先前的报告描述了积极的父母与青少年关系与高水平的自尊、生活满意度以及整体幸福感之间的关联，以及低水平的身体症状和情绪困扰。最近的系统综述描述了友谊质量（包括陪伴和社会支持等特征）与主观幸福感呈正相关。这些研究表明，与家庭成员和朋友的社会整合可以增强青少年的心理和行为健康以及他们的生活满意度和幸福感。我们在养狗青少年中社交技能的增加表明，养狗可能影响青少年与家庭和其他人的社交关系，并增加他们的幸福感。需要注意的一点是，东京青少年队列项目（TTC）是在东京都市区进行的，其社会经济状况与日本其他地区不同。需要进一步研究以确定本研究中狗的作用是否在其他地区相似。

越来越多的证据支持肠道微生物群-宿主神经行为相互作用在塑造多种动物物种的社交行为中的作用。例如，给蜜蜂补充双歧杆菌和乳酸菌的组合已被证明可以增强合作行为，表现为蜂巢生产力增加。使用动物模型的实验研究表明，肠道微生物群可以影响一系列神经行为表型，包括应激反应、社交焦虑、抑郁样行为和沟通功能。值得注意的是，罗伊氏乳杆菌的施用已被证明可以增强大脑催产素系统的活动并改善小鼠的社交行为。此外，人类的干预研究表明，通过共生补充调节肠道微生物组可以促进亲社会行为，包括在最后通牒游戏中增加公平和合作。另一方面，虽然关于人类口腔微生物群与社交行为关系的研究有限，但口腔和肠道微生物群之间存在相关性。最近的研究证明了口腔微生物群在人类社交行为和大脑功能中的重要性。例如，Wingfield证明了青少年抑郁评分与口腔微生物组之间的关联。本研究通过评估心理评分以及使用人源化无菌小鼠，证明了人类口腔微生物群的重要性。肠-脑连接通过神经、神经内分泌、免疫和代谢途径由各种生物活性信号调节。虽然我们没有测量青少年和小鼠实验中微生物群和社交行为负责的分子，但一个候选者是催产素，它负责动物中的社交连接、依恋和缓冲。我们发现，在互动过程中，狗和主人的催产素分泌增加。此外，肠道微生物群可以通过迷走神经调节催产素神经活动。结合这些发现，测量人类和小鼠模型中的催产素水平很重要。

在本研究中，链球菌与青少年的心理评分以及小鼠的社交行为相关。链球菌是一种球形细菌，其中一些物种在人类和动物的口腔、喉咙和肠道中是地方性的。大约17%的健康狗的口腔中发现了α-溶血性链球菌。另一项研究证明了链球菌从狗转移到人类的可能性。链球菌滴度升高与强迫症和抽动障碍的恶化相关。链球菌感染引起的免疫学变化可以改变小鼠的社交行为，如减少社交调查和增加社交回避。然而，在本研究中，某些链球菌ASVs与思想障碍（如强迫症）和违纪行为呈负相关，表明这些ASVs可能对人类宿主产生有益影响。在小鼠模型中，效果是矛盾的；A组链球菌ASVs与社交能力呈正相关，而B组链球菌ASVs与社交能力呈负相关。同样，在人类样本中，尽管几种链球菌ASVs与行为问题呈负相关，但链球菌ASV9与行为问题呈正相关，进一步表明该属内菌株的功能多样性。然而，本研究中微生物群的分析基于16S rRNA方法，不能捕获全长细菌，本研究中发现的链球菌可能与先前报道的不同。由于已知一些相似的细菌行为不同，预计通过shotgun宏基因组方法提供的更高测序分辨率和功能输出将澄清本研究中发现的链球菌的真实功能，使该领域能够通过识别细菌菌株及其预测的社交行为代谢副产品更详细地解决这些关联。

虽然无法直接比较人类和小鼠行为，但这些结果表明微生物群部分负责养狗后青少年社交行为的改善。养狗和不养狗青少年之间微生物组的差异可能是由与狗同住引起的。社交互动可以增强动物中的微生物传播，这可能从根本上影响群体生活的成本和收益。在人类中，社交互动可以通过细菌的水平转移塑造微生物群。例如，占据相同环境的人类相对于那些不共享环境的人具有相似的微生物群特征，与遗传相似性相比，这种影响更大。最近的shotgun宏基因组方法阐明了跨个体的广泛细菌菌株共享，具有不同的母婴、户内和种群内传播模式。这表明共享生活环境是共享口腔和肠道微生物组的最重要因素之一。事实上，我们最近证明了通过人-狗同住直接转移肠道细菌的可能性，这一发现得到了其他文献的支持。这突显了环境对水平微生物传播以及人类和狗之间肠道微生物群分化的潜在影响。虽然本研究未检查狗的微生物群，但狗大多养在房间内，与家庭成员共享相同的生活环境。青少年的口腔和肠道微生物组可能受到与狗同住的影响，这种调节可以改变青少年的社交特征。狗是人类社会中最古老的驯化动物。因此，长期同住期间的社交互动可能使肠道微生物多样性得以保存，这可能对人类和狗微生物群的进化和生态具有重要意义。另一种可能性是与狗同住可以改变青少年的身体和心理状态，这些变化导致微生物群的变化。有狗陪伴可以减少应激反应并降低皮质醇分泌。皮质醇和身体应激状态的变化可以调节肠道微生物群。在此背景下，人源化小鼠中观察到的变化被认为反映了由人类身体和心理变化引起的肠道微生物群变化，而不是人类和狗之间共享肠道微生物群的结果。通过追踪开始养狗的个体的内分泌应激水平、心理测量和肠道微生物群随时间的变化，可能能够确定时间因果关系。

本研究确定了养狗对青少年积极影响的潜在机制之一。这些影响从心理和微生物学角度进行了研究，并且在养狗青少年中观察到的微生物群变化被证明可以改变人源化小鼠的社交行为。预计选择性培养和候选细菌的施用将证明相关细菌是否有助于青少年的心理健康。应使用此TTC队列进行纵向研究，以确定因养狗和微生物群导致的亲社会性增加的效果持续时间。

研究局限性

本研究存在几个局限性。首先，微生物群样本从人类和小鼠的不同部位收集——青少年的口腔样本和小鼠的粪便样本——使得人类和小鼠微生物群之间的直接比较变得困难。这是由于参与者访问期间的实际限制，只能收集唾液。鉴于分析小鼠口腔微生物群的技术难度以及越来越多的证据表明口腔微生物可以转移到肠道并通过口腔-肠道轴调节宿主生理，我们专注于受体小鼠的肠道微生物群，尽管在人类中分析了唾液样本。未来的研究应考虑收集人类参与者的粪便样本，以更好地评估肠道微生物群组成。其次，我们使用了16S rRNA测序，其分类分辨率有限，无法区分同一属内功能不同的细菌菌株。为了更好地识别细菌菌株及其功能贡献，建议使用shotgun宏基因组测序。第三，我们无法确定养狗青少年微生物群变化的因果因素。一个可能的解释是，家养狗将独特的微生物群引入家庭环境，进而可能影响青少年同住者的口腔微生物群。需要进一步研究以阐明宠物相关微生物暴露对人类微生物群动态的直接和间接影响。最后，对青少年获得的心理评分的普遍化和一致性存在担忧。尽管我们的队列包括具有广泛社会经济背景的个体，并且设计为过度抽样低收入家庭，但参与者的整体社会经济地位——基于东京都市区——可能略高于日本一般人群。因此，尽管我们在分析中调整了家庭收入，但我们不能完全排除相对较高的社会经济地位可能影响行为特征，如减少违纪或增强社交行为的可能性。这可能限制我们的研究结果对具有不同社会经济概况的其他人群的普遍适用性。此外，青少年参与者的心理评估仅在14岁时进行，留下这些测量的纵向稳定性不确定。此外，在小鼠模型中，如社交嗅探和对笼内同类的接近等社交行为并未在不同年龄组中一致观察到。小鼠中对笼内同类的社交嗅探和接近行为的解释仍有争议。这些行为可能反映亲社会倾向，如亲和动机或类似共情的反应，或仅表示非特异性社交兴趣或调查行为。这些发现提出了关于观察到的效果的可持续性和时间一致性的关键问题，需要通过长期、横断面和发展研究进一步调查。未来的研究应纳入激素和神经活动测量，以验证微生物介导的社交能力变化的分子机制。

资源可用性

主要联系人

有关资源的更多信息和请求应直接发送给主要联系人Takefumi Kikusui（kikusui@azabu-u.ac.jp）。

材料可用性

本研究未生成新的独特试剂。

数据和代码可用性

• 本研究中报告的16S rRNA基因测序数据已存入日本DNA数据库的BioProject（DRA018752），其他数据集可应要求从通讯作者处获取。

• 本研究未生成代码。

• 重新分析本论文中报告的数据所需的任何附加信息可应主要联系人的要求提供。

致谢

我们衷心感谢所有参与TTC的青少年及其主要护理人员。我们感谢所有进行数据收集的采访者。本研究得到了日本JST-Mirai计划（JPMJMI21J3）、JST RISTEX计划（JPMJRS24K1）和JSPS-KAKENHI（23H05472给T.K.和21H05173、21H03333给M.N.）的资助。

作者贡献

概念化，E.M.，H.O.，S.A.，S.Y.，A.N.，K.M.，和T.K.；方法论，E.M.，I.K.，U.A.，H.O.，S.A.，S.Y.，A.N.，和T.K.；正式分析，E.M.和S.Y.；调查，E.M.，M.Y.，I.K.，M.M.，M.T.，U.A.，S.Y.，和T.K.；写作 – 初稿，E.M.和T.K.；写作 – 审阅和编辑，N.S.，H.O.，S.A.，S.Y.，A.N.，K.M.，和T.K.；资源，E.M.，N.S.，H.O.，S.A.，S.Y.，和A.N.