利用先进的脑成像和机器学习技术，科学家们发现了幼儿期肠道细菌如何影响年幼大脑的布线，为焦虑和抑郁的成因提供了新的线索。
研究：儿童期肠道微生物组通过功能连接组与学龄期内化症状相关联。图片来源：New Africa/Shutterstock.com
一项发表在《自然通讯》上的新研究应用机器学习技术，揭示了六岁儿童大脑网络连接、7.5岁时观察到的内化症状以及他们早期生活的肠道微生物组组成之间的联系。该研究旨在阐明这一年龄段微生物组与心理健康之间的联系。
肠道-大脑联系
微生物组-肠道-大脑轴在儿童发育过程中对行为和心理结果起着关键作用，而这一时期往往是心理健康问题首次显现的阶段。
肠道微生物组从幼儿期到大约三岁期间迅速变化，接近成人的状态。早期微生物组的信号改变了发育中大脑回路的结构。这反映在儿童的行为和认知表现上，包括内化症状：指向自身的而非外向的情绪和行为，如焦虑、抑郁和退缩。
早期微生物组似乎在儿童神经生物学上留下持久的印记，塑造大脑对心理健康压力源的反应方式。这种影响在小学中期儿童中尤为明显，这一阶段已知是高度脆弱期。例如，较高的微生物多样性与额顶网络的更强连接相关，该网络支持认知控制并在婴儿期调节负面情绪。
同样，出生后一个月特定细菌类群的变化已被证明可以预测一岁时的大脑体积，表明即使在后期状态没有直接关联的情况下，也存在级联发育效应。
先前研究表明，特定类型的微生物与一岁时的情绪结果相关。出生后一个月的总体多样性增加与一岁时更恐惧的行为相关，但像梭菌目(Clostridiales)和戴尔斯特菌属(Dialister)等类群则呈现相反关系。
这导致了当前研究的开展，旨在帮助可视化"早期微生物信号如何贡献于终身心理健康轨迹"。
此类研究主要评估基于种子的静息态功能连接(RSFC)，其中功能性磁共振成像(fMRI)用于探索大脑选定区域("种子")在静息时的功能活动。这限制了观察全脑功能的能力，并排除了大型脑网络之间的连接。
然而，这些网络对儿童的神经认知行为以及心理健康问题至关重要。某些关键通路中RSFC的变化与儿童内化症状相关。从机制上讲，这反映了网络内部和网络之间连接的变化，使它们更加专业化和高效。此过程的中断与年轻人患精神疾病的风险相关。
研究人员使用了一种称为偏最小二乘法(PLS)的机器学习方法，该方法将复杂数据集分解为其主要组件，同时最大化变量之间的共享方差。为了提高精确度，他们使用了该技术的一种改进版本，称为稀疏PLS(sPLS)。
这种方法使他们能够研究生命早期肠道微生物组变化与小学中期大规模功能性脑网络之间的关系，以及这些变化如何与日后的生活内化症状相关联。
研究早期肠道-大脑通路
这项研究至关重要，因为儿童早期和中期的内化症状预示着日后慢性和反复出现的内化症状。
这项小型探索性观察研究(N=55)使用了来自"新加坡健康成长研究[GUSTO]"的数据，其中在两岁时收集了粪便样本，并在六岁时进行了fMRI扫描。科学家们使用sPLS分析来挑选大脑中的线性网络组合("大脑特征")。
他们考察了与7.5岁时内化症状具有最高协方差的特征。随后，他们检查了早期肠道微生物特征是否能预测这些大脑特征。
将肠道与情绪联系起来
结果显示，有两个不同的大脑特征与7.5岁时的内化症状（如焦虑和抑郁）显示出最强的关联。虽然肠道菌群特征与这些症状之间没有直接联系，但一种微生物特征通过特定的大脑网络特征间接相关。值得注意的是，大脑特征与8.5岁时自我报告的抑郁症状无关。
内化症状差异最好由与心理健康和认知相关的两个对立脑网络中的连接特征来解释。
一个网络包括与年轻人情感障碍相关的功能连接，尽管已有报告结果存在冲突。该网络中的连接受损可能部分解释了日后内化症状的发作。
第二条通路涉及更高的连接水平，该区域的中断已知与发育各个阶段的不良心理健康相关。这包括抑郁和易怒，但也包括各类其他精神症状、情绪调节不良和认知控制受损。
第一个大脑特征涉及纹状体-眶额叶-杏仁核(SOFA)、内侧颞叶(MTL)、显著性(SAL)和顶内侧(PMN)网络。相比之下，第二个反映了SOFA与其他网络（如默认模式网络(DMN)、腹侧注意网络(VAN)和额顶网络(FPN)）之间的连接。
这些正交网络变化最好由两岁时的三种微生物丰度特征解释。这些特征与炎症相关，可能影响相应的大脑特征，导致内化症状。
值得注意的是，一种微生物特征与7.5岁时的外化和内化症状都相关。分别属于梭菌目(Clostridiales)和毛螺菌科(Lachnospiraceae)的微生物与儿童后期的内化症状相关。其机制似乎通过功能性脑网络连接的变化来介导，这些变化受情绪调节。
这与早期对抑郁症年轻成人的研究一致。这些类群在实验室条件下对急性应激的炎症反应相关。此类变化通常发生在早期生活逆境中，表明对这类应激源的反应存在脆弱点。
研究人员还发现，Faith系统发育多样性（微生物α多样性的衡量标准）与其中一个大脑网络特征（SOFA网络间连接）呈正相关，但与内化症状无直接相关。
与细胞能量代谢相关的特定微生物组功能特征与这些大脑特征共同变化，暗示了此类效应的可能解释。这突显了该方法在识别可能作为未来心理健康问题标志物的微生物模式方面的潜在用途。因此，内化症状通过脑网络连接变化与微生物特征间接相关。
小规模研究，重要线索
本研究表明，内化症状与特定大脑特征相关，而这些特征又与某些肠道微生物丰度特征相关。
这些结果"为生命早期肠道微生物在塑造学龄期心理健康方面的作用提供了初步支持，其机制是通过影响功能性大脑发育"。
然而，作者强调，这些发现是初步的，基于适度的样本量，并且涉及主要是亚临床症状而非确诊精神障碍的社区儿童。他们提醒，结果表明的是相关性而非因果关系，并强调需要在更大、更多样化的样本中进行重复验证。
这些发现可能有助于指导未来的适当干预措施，同时证明了儿童早期微生物组构成对儿童心理健康结果的持久影响。
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