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O020 PNAS | 肠道菌群的认知益处是“集体涌现”的

来源：公众号 PSY-Brain_Frontier ｜发布：2026-05-28 ｜原文链接

认知神经科学前沿文献分享

基本信息

Title: A defined community of core gut microbiota members promotes cognitive performance in honey bees

发表时间: 2026-05-20

发表期刊:PNAS

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引言

越来越多的证据表明，肠道微生物能够影响宿主的认知功能。然而，一个根本性的问题始终悬而未决：这种效应究竟是少数“明星”菌株单打独斗的结果，还是需要整个群落作为一个系统共同发挥作用？这不仅关涉机制层面的好奇心，更直接决定了微生物组干预思路——如果认知改善依赖群落整体的代谢与互作，那么仅仅补充一两种市售益生菌就可能远远不够。

蜜蜂为解答这一问题提供了近乎天然的理想模型。它们的肠道菌群组成相对简单，稳定宿主于五到十个核心属，且所有成员均可在实验室中培养。更重要的是，通过从蜂蛹中无菌取出成熟个体，可以获得完全无微生物定植的成年工蜂，再以人工方式精确回接一种或多种菌种，就能构建出种类和丰度精确可控的“知生生物”蜜蜂。此前已有研究报道，单独定植 Gilliamella 或 Lactobacillus 能在一定程度上恢复无菌蜜蜂的嗅觉学习缺陷，但这些结果仅停留在“单菌有作用”的层面，始终缺乏对单菌与完整群落之间效力差距的系统比较，也难以说清群落内部不同成员各自的贡献大小。

为了让“认知效益是否需要整个群落”这一科学问题得到直接检验，瑞士洛桑大学与法国国家科学研究中心的研究团队设计了一个逻辑清晰的比较策略。他们首先选取蜜蜂肠道中丰度最高且最普遍的五个属——Gilliamella、Snodgrassella、Bombilactobacillus、Lactobacillus 和 Bifidobacterium——构建出一套标准化的核心菌群，命名为 BeeCom。然后，通过两套层次分明的实验逐层拆解群落的功能：在单菌定植实验中，无菌蜜蜂分别只接种其中一个属，考察单个成员是否“足够”；在逐个剔除实验中，从 BeeCom 中依次去掉一个属，考察任何一个成员是否“不可或缺”。最终，所有组别的蜜蜂都接受经典的喙伸反射（PER）气味辨别条件反射测试，记录其学习和短期记忆表现，并配合对肠道代谢组的全面分析，以期在行为和代谢两个维度上锁定认知效益的真正驱动者。

实验设计与方法逻辑

研究首先从蜂蛹中无菌取出成熟蛹，在严格无菌的实验室环境中孵化出成年工蜂，获得无特定肠道菌群的蜜蜂（MD）。BeeCom 由五个核心属的11个菌株构成，以等比例混合接种。单菌定植实验设置了 MD、完整 BeeCom 以及分别单独接种 Gilliamella、Snodgrassella、Bombilactobacillus、Lactobacillus、Bifidobacterium 共七个处理组；剔除实验则设置了 MD、完整 BeeCom 以及从 BeeCom 中分别删除一个属的五个群落组。所有蜜蜂在各自小笼中以无菌糖水和花粉饲养，于接种后第8天进行嗅觉辨别条件反射测试。测试中，蜜蜂被训练将一种气味（CS+）与糖水奖励关联，另一种气味（CS−）则无奖励，5个训练试次后评估学习曲线、学习速度和短期记忆（15分钟后测试）。

Figure 1 Experimental design for cognitive assays on gnotobiotic bees.

核心发现

发现一：完整 BeeCom 群落显著提升学习与记忆，但任何一种单菌定植都无法重现这一效果

在单菌定植实验中，唯一在认知表现上全面优于无菌蜜蜂的，只有接种了完整 BeeCom 的群体。图2清晰地展示了各组在五个训练试次中对奖励气味的反应比例及记忆测试结果。完整 BeeCom 组的蜜蜂在最后一个试次对 CS+ 的反应率比无菌组高出约 20%，且在随后的记忆测试中表现出显著更高的特异性记忆率。所有单菌定植组的学习曲线均处于无菌组和 BeeCom 组之间的中间状态——虽然存在一定的调节趋势，但在统计上与两端均无显著差异。更值得注意的是，单独接种 Bombilactobacillus 的蜜蜂学习速度甚至显著慢于无菌对照组。这一反差表明，单一菌属对认知的影响不仅效力不足，而且可能因菌种不同而方向各异，无法稳定重现完整群落所支撑的整体增益。换言之，认知增强的完整表型需要整个群落作为功能整体才能浮现出来。

Figure 2 The BeeCom, but not its single members, facilitated olfactory learning and memory performances.

发现二：群落中任何一个成员的缺失都会削弱认知益处，Gilliamella 和 Snodgrassella 缺失时断裂最为明显

为探明每个成员是否都不可以少，剔除实验给出了更为直接的回答。图3呈现了各缺失组的学习曲线和记忆表现：所有只删除一个属的群落，在最后一个学习试次对 CS+ 的反应率均不再显著优于无菌组，且整体反应率曲线均低于完整 BeeCom 群落。其中，缺失 Gilliamella 或 Snodgrassella 的两个群体在学习末试次的反应率不仅显著低于完整 BeeCom，其短期记忆测试也随之下跌至与无菌蜜蜂无差异的水平。其他三个属的剔除同样拉低了认知表现，只是影响幅度在当前统计效力下未达到显著阈值。这一模式清晰地说明，推动认知改善的并非某个“不可或缺”的关键菌株，而是所有成员共同构成的一个系统合力——任何成员缺席，群落支持脑功能的优势信号便告消失。

Figure 3 All members of the BeeCom support olfactory learning and memory, but to different degrees.

发现三：与学习成功相关联的肠道代谢物涉及多条代谢通路，并由多个菌属协同调节

群落对认知的影响必然经由代谢活动实现。剔除实验的肠道代谢组分析显示，仅定植组别这一个变量就解释了代谢谱 18% 的变异。在 Figure 4 的 PCA 空间中，无菌组与完整 BeeCom 组明显分离，而剔除 Lactobacillus 的群落则发生了最剧烈的代谢偏移，几乎朝无菌组的方向靠近，提示该属对整体代谢格局的塑造作用最强。随着个体学习得分（成功辨别试次数量）的增加，有 20 种代谢物的丰度呈稳定正相关，这些代谢物主要映射到色氨酸代谢、核苷降解和赖氨酸降解三条通路。透过图5的通路热图可以直观看到，这些与学习相关的代谢物并非由单一菌属独力支撑：色氨酸通路的 anthranilic acid 和 3-hydroxyanthranilic acid 依赖 Snodgrassella 与 Bombilactobacillus；核苷降解产物 cytosine 和 ribofuranose 在缺失 Bombilactobacillus 时显著降低；

图10

Figure 4 Gut metabolic profiles are partly explained by the gnotobiotic group.

图11

Figure 5 Metabolic pathways modulated by the gut microbiota and affecting learning performance.

发现四：认知增强是微生物群落整体涌现的性质，而非特定分类单元或单一代谢物单独决定

将行为学与代谢组学的所有线索并拢之后，一个超越单个菌株的图景清晰浮现。无论 Figure 5 连同 Figure 2 和 Figure 3 均表明：只有完整 BeeCom 群落能够一致地提升学习表现并维持多条代谢通路的产物水平，任何单菌定植或剔除某一成员的操作都无法独立重现或完全抹除这种认知效益。同时，那些与学习正向相关的代谢物，没有一个能够单独区分记忆测试的成败，随机森林模型甚至完全无法基于代谢物预测个体是否通过记忆测试。这正是系统涌现性的典型特征——群落的功能属性不能还原为任何一个组分的单独贡献。多个菌属之间存在高度的代谢冗余和功能补偿，这意味着失去某一个成员时，群落能够吸收冲击而不至于使代谢网络瞬间崩溃；但也同样意味着，仅凭任何一个成员在场，都无法独自重建整个网络对脑功能的支撑。这一结论立足于蜜蜂这一特定宿主及其简单可培养菌群，提示我们在试图理解乃至调控微生物组–肠–脑轴时，需要将目光从单一益生菌标签抬升至群落功能的集成层面。

图12

归纳总结和点评

这项研究用层次清晰的实验设计，在蜜蜂模型中为“微生物组–肠–脑轴”贡献了一条系统性的关键证据：认知改善并非某个或某几个肠道菌属的独家功劳，而是核心微生物群落整体代谢活动所涌现出的性质。单菌定植无法复现完整群落的认知提升，群落中任何一个成员的缺失都足以让这种益处打折扣，同时与学习相关的色氨酸、核苷和赖氨酸代谢通路均需要多个菌属协同参与才能维持在较高水平。这些发现对当前以单一益生菌为主的干预思路提出了有力挑战，并提示维持或恢复群落功能的完整性，可能是比寻找某一株“魔术子弹”更为务实的方向。

当然，研究仍处于关联层面，尚未直接操控特定代谢通路进行因果回补或阻断实验，也未阐明这些肠道代谢物究竟通过何种分子路径影响脑功能。未来若能在这一高度可控的蜜蜂体系中引入代谢物回补与神经通路干预实验，“群落涌现”这一描述也将从概念走向可操作的机制。

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图13