2019年10月24日，来自美国康奈尔大学的Conor Liston团队和David Artis 团队合作在Nature杂志上在线发表题为The microbiota regulate neuronal function and fear extinction learning的研究文章，发现小鼠恐惧记忆消除（fear extinction learning）需要菌群的参与。
巴甫洛夫恐惧条件反射 （Pavlovian fear conditioning） 是一种在进化上高度保守的认知过程，通过这一过程，可以对外界的刺激做出安全与否的判断，极有利于生物的存活。而恐惧记忆消除（fear extinction learning）则指的是这种刺激信号出现，但却并不伴随任何危险，因此，机体也不会做出规避危险的反应。多种神经精神病学疾病都会伴随恐惧记忆消除异常。并且，多项临床和流行病学研究发现，菌群的变化与诸多神经精神病学疾病相关，所以，作者猜测，恐惧记忆消除异常与菌群，很可能也存在相互关系。
为了证实这一猜想，作者采用经典恐惧条件反射和消除模型（classical cued fear conditioning and extinction learning paradigm），检测正常小鼠和通过投喂抗生素（antibiotics，简称ABX）清除菌群小鼠的区别。作者发现，与正常小鼠相比，ABX小鼠恐惧条件发射反应正常，但是恐惧消除反应异常。为了进一步确定这一结论，作者用同种方式检测无菌小鼠（germ-free，简称GF），发现，与ABX小鼠类似，GF小鼠的恐惧消除也发生异常。这些结果都说明，菌群是恐惧记忆消除的决定因素之一。
接下来，作者探究这一过程的在分子上，细胞上和组织学层面的神经学基础。有报道指出，大脑前额叶皮质（medial prefrontal cortex，简称mPFC）是与恐惧消除相关，所以，作者提取正常小鼠和ABX小鼠的mPFC细胞并做RNA测序。作者发现，二者转录组区别很大。通过Search tool for recurring instances of neighbouring genes （简称STRING）， Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes （简称KEGG）和Gene Ontology （简称GO）等数据库分析差异基因，作者发现， 这些基因集中在神经细胞活化（neuronal activity），突触功能（ synapse function），中枢神经系统成熟（CNS maturation）和突触可塑性（synaptic plasticity）等方面。
在细胞上，作者通过单细胞核测序技术（single-nucleus RNA sequencing，简称snRNA-seq），比较分析正常小鼠和ABX小鼠mPFC样品的细胞差异。结果显示，活化性神经元 （excitatory neurons）比抑制性神经元（inhibitory neurons）变化剧烈。星形胶质细胞（Astrocytes）， 髓鞘少突胶质细胞（myelinating oligodendrocytes）和小胶质细胞（microglia）这三类辅助性细胞变化最为明显。
最后，作者探究了菌群在组织学层面的影响。报道指出，突触树突棘（postsynaptic dendritic spine）是树突上的膜状突起，在学习记忆过程中，会发生动态变化。通过双光子激光扫描电镜技术（two-photon laser scanning microscopy），作者发现，与正常小鼠相比，ABX小鼠的树突棘消失速率（elimination rates）明显升高，而形成速率（formation rates）则没有明显变化。并且，恐惧条件反射模型下，两种小鼠没有明显区别，而恐惧记忆消除模型下，二者区别明显，正常小鼠的树突棘形成速率增加，而ABX小鼠变化不大；正常小鼠的树突棘消失速率变化不大，但ABX小鼠持续增加。上面这些结果说明，菌群所导致的恐惧记忆消除异常与突触树突棘变化相关。
这篇文章通过比较正常小鼠和抗生素处理小鼠的行为学差异，发现清除菌群的小鼠，其恐惧记忆消除异常。随后，从分子，细胞和组织叁个层面，研究两种小鼠的差异，从而建立菌群影响小鼠恐惧记忆消除的机制。这篇文章是菌群与神经交叉研究的模范作品，其亮点在于内在逻辑，先通过行为学实验确定表型，再通过分子，细胞，组织叁个层次一一研究，逐渐递进深入，十分值得学习。
对于菌群
菌群是一个包含了病毒、细菌、真菌和寄生虫的复杂群体。多细胞生物与菌群协同生长，共同进化，相辅相成。在哺乳动物中，菌群组分的变化，可以影响包括生长发育，新陈代谢，免疫应答等等生理功能，并且，与多种疾病的发生发展密切相关。另外，菌群同样可以影响宿主行为，菌群异常有可能导致宿主社交异常，压力增大，焦虑等等，最终导致多种神经精神病学相关疾病。但是，菌群是如何影响神经活动和宿主行为呢？
投诉侵权
