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移植不同菌群后,小鼠的探索与前额叶响应有何差别

Frontiers in neuroscience · 2025-07-24

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Frontiers in Neuroscience · 研究前沿

移植不同菌群后,小鼠的探索与前额叶响应有何差别

雄鼠研究从探索行为分组出发,发现供体菌群不同,移植受体的开放区域停留与前额叶活动也出现差异,提示肠脑联系参与焦虑样表现。

根据论文主题制作的 AI 科学概念插画

面对高处的开放空间,有的小鼠愿意多探索,有的更常留在封闭区域。这些行为差异,是否与肠道里的微生物有关?发表于Frontiers in Neuroscience的研究,从成年雄鼠的探索选择出发,比较不同供体的肠道菌群,再将菌群移植给经过抗生素预处理的受体。随后,研究沿着行为差异走向脑内活动标记、基因表达与前额叶钙信号,把肠道干预后的变化放到多个层次观察。

关键发现

高焦虑样供体菌群受体的开放臂和中心停留更少,总移动与开放臂进入比例未显著改变;进入开放臂时,mPFC钙响应峰值更高,返回封闭臂的组间差异未显著。

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先从开放臂的停留时间观察个体差异

研究在高架十字迷宫中观察小鼠。装置有开放臂和封闭臂,动物在其中自由选择去向。依据开放臂停留时间,研究选出高、低焦虑样表现的供体:前者开放区停留较少,后者停留较多。

开放臂四周缺少遮挡,封闭臂则有围壁。一次探索,因而不仅是走了多远,也包含在不同位置停留多久的选择。把停留时间、进入比例和总移动分开观察,可以看见动物怎样分配自己的探索,而不只描述活动的多少。

两组开放臂进入比例和血浆皮质酮也有差别,高焦虑样组的皮质酮较高。同一鼠系、相似饲养环境中的个体,仍呈现不同探索特点。研究据此追问,伴随这些差异的肠道环境,是否也具有不同组成。

原论文图 1供体的探索与皮质酮
供体的探索与皮质酮
原文图1:以开放臂停留分组的供体行为、轨迹与血浆皮质酮。
来源:Ren J et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
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群落构成不同,多样性指标却相近

粪便16S分析显示,两组在菌群构成上有差异,若干分类群的相对丰度不同。低焦虑样组的乳杆菌、拟副杆菌等分类群相对丰度较高,提示行为差异伴随特定的群落组成特点。

ACE和Shannon多样性指标则未见显著组间差异。菌群差别因而不只涉及数量或整体多样性,更涉及成员之间的相对构成。不同菌群与行为并存,为后续移植实验提供了比较基础。

原论文图 2菌群多样性与分类组成
菌群多样性与分类组成
原文图2:ACE与Shannon指标、群落距离、不同分类层级的组成及差异分类群分析。
来源:Ren J et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
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抗生素处理后,开放区域探索增加

研究先用抗生素处理观察菌群扰动相关的行为。处理组在高架迷宫开放臂停留更久,开放场中心区域停留也增加。总移动距离未见显著变化,探索位置的选择却发生了变化。

开放臂进入比例有增加趋势,但未达到显著。这说明同一任务中的不同指标并非同步改变:动物可以在开放区域停得更久,而进入次数所占比例未出现同等明确的变化。

原论文图 3抗生素处理后的探索
抗生素处理后的探索
原文图3:抗生素处理增加开放臂和中心停留,开放臂进入比例未显著增加,总移动距离未见显著变化。
来源:Ren J et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
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不同供体菌群,带来不同探索表现

接受相同预处理的受体,随后接收高或低焦虑样供体的菌群。高焦虑样供体组受体的开放臂停留更少,开放场中心停留也更少;总移动距离和开放臂进入比例仍未见显著差异。

供体之间的探索差异,在受体中出现了相应方向的区别。这个实验将肠道干预与行为联系得更直接:两组受体经历相同准备,比较的重点转向供体来源,以及移植后的探索选择。

原论文图 4菌群移植受体的行为
菌群移植受体的行为
原文图4:两类供体菌群受体的开放臂、中心停留、进入比例及总移动。
来源:Ren J et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
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前额叶与杏仁核,出现活动标记差异

迷宫测试后,研究观察与焦虑相关脑区的c-FOS标记。高焦虑样供体菌群受体在内侧前额叶皮层(mPFC)、基底外侧杏仁核和中央杏仁核的标记更多;海马的组间差异未显著。

这些区域参与环境评估和行为选择,移植后的行为区别因此伴随脑内活动特点。变化并不是所有脑区一起增强,而是在所观察区域中呈现不同分布。研究随后把视线进一步集中到mPFC。

原论文图 5受体的脑区c-FOS标记
受体的脑区c-FOS标记
原文图5:mPFC、BLA与CeA的活动标记在高焦虑样供体组更多,海马差异未显著。
来源:Ren J et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
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移植后的前额叶,基因表达也有差异

mPFC组织分析找到一百三十九个差异表达基因。高焦虑样供体菌群受体相对另一组,四十六个上调、九十三个下调。相关功能富集涉及组蛋白修饰、蛋白乙酰化、受体相关调节与跨膜运输。

这些结果把脑区活动与更长时程的分子变化联系起来。它们为解释移植后的神经环境提供候选线索;接下来,研究回到小鼠作出探索选择的那一刻,观察细胞群体怎样响应。

原论文图 6mPFC差异基因与功能富集
mPFC差异基因与功能富集
原文图6:mPFC差异表达基因、表达聚类与功能富集结果。
来源:Ren J et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
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迈向开放臂时,前额叶响应更突出

光纤钙信号记录显示,从封闭臂进入开放臂时,高焦虑样供体菌群受体的mPFC响应峰值更高。返回封闭臂时,两组的差异则未达到显著。前额叶响应与动物面对环境变化的具体方向有关。

这项成年雄鼠研究,把菌群来源、探索选择和前额叶响应放进同一个故事。肠道群落的差异能伴随不同的行为表现,而脑内响应也随着一次探索转换显现。肠脑联系由此具体到供体来源、脑区与行为发生的时刻。

原论文图 7探索转换期间的mPFC钙响应
探索转换期间的mPFC钙响应
原文图7:封闭到开放臂时高焦虑样供体组mPFC峰值更高;开放到封闭臂的组间比较未显著。
来源:Ren J et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
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论文信息

Ren J, Lian XY, Ye WQ, Wen YL, Lu CL, Cao X.
Gut microbiota regulates innate anxiety through neural activity of medial prefrontal cortex in male mice
Frontiers in neuroscience · 2025-07-24
DOI: 10.3389/fnins.2025.1599818