来源：生物探索 饱餐一顿后，大脑接收到“我饱了”的信号，让你心满意足地放下碗筷。这种饱腹感，我们习以为常，但其背后的生物学机制却远比想象中复杂。它不仅仅是胃被撑大的物理感觉，更是一场由肠道和大脑联合主演的，涉及激素、神经信号的精密“交响乐”。长久以来，我们知道肠道能“品尝”食物中的营养物质，如糖、脂肪和氨基酸，并将这些信息传递给大脑，从而影响我们的食欲和偏好。这被称为肠道的“味觉”，一种内在的感觉系统。 然而，我们的肠道是一个极其繁杂的生态系统，栖息着数以万亿计的微生物，其数量甚至超过了我们自身的细胞。这些微小的“房客”与我们共生，深刻影响着我们的健康、免疫乃至情绪。那么，一个有趣的问题随之而来：除了感知食物，我们的身体是否也能直接“感知”这些海量的微生物邻居，并据此调整自身的行为呢？比如，我们的食欲？ 7月23日，一篇发表于《Nature》的研究“A gut sense for a microbial pattern regulates feeding”，为我们揭示了这个问题的答案。研究人员发现，我们的身体确实拥有一种前所未知的“第六感”，能够实时监测肠道菌群的存在，并通过一条快速的神经通路直接向大脑发出“停止进食”的指令。他们将这种全新的感觉命名为“神经生物传感”（neurobiotic sense）。 这不仅仅是对“肠-脑轴”（gut-brain axis）理论的又一力证，更可能彻底改变我们对食欲、肥胖和代谢疾病的理解。 故事的起点，在我们的结肠（colon）。这里是肠道菌群最密集、最活跃的“大都会”。如果身体真的能感知细菌，那么这里的“传感器”必然是关键。研究人员首先将目光投向了一类特殊的细胞——肠内分泌细胞（enteroendocrine cells, EECs）。这些细胞像稀有的恒星一样，散布在广阔的肠道上皮细胞海洋中，比例不到千分之一，但它们却是肠道感知外界的“前哨兵”。它们能释放多种神经调节物质，如胆囊收缩素（cholecystokinin, CCK）和YY肽（peptide YY, PYY）。 在肠道不同区域，这些“信使”细胞分工明确。例如，CCK细胞主要分布在小肠前端，负责感知营养；而PYY细胞则在远端小肠和结肠中含量最为丰富。考虑到结肠是菌群的大本营，研究人员做出了一个合理的推测：PYY细胞会不会就是那个负责“监视”菌群的“哨兵”呢？ 为了验证这个猜想，他们运用了RNA测序（RNA sequencing）。通过对小鼠结肠中表达PYY的细胞（用绿色荧光蛋白GFP标记，即PYY-GFP细胞）和它们周围不表达PYY的普通上皮细胞进行基因表达谱的全面比较，研究人员试图找出PYY细胞独有的“武器库”。 在众多与感知相关的基因中，一个名为“Toll样受体5”（Toll-like receptor 5, Tlr5）的基因在PYY细胞中的表达量，相比于周围细胞，呈现出显著的富集。数据显示，其表达水平的对数倍数变化（log2 Fold change）达到了2.94，这是一个非常显著的差异。 TLR5是什么？它是一种模式识别受体（pattern recognition receptor），是免疫系统用来识别细菌的“分子眼睛”。它的特定识别对象是细菌鞭毛（flagella）上的主要结构蛋白——鞭毛蛋白（flagellin）。鞭毛是许多细菌用于运动的“马达”，而鞭毛蛋白是跨越不同菌种、高度保守的分子模式，就像是细菌世界里一张通用的“身份证”。 这一发现极其关键，它暗示着PYY细胞可能装备了直接识别细菌“身份证”的工具。为了进一步确认，研究人员使用了荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization）技术，在显微镜下直观地“看”到了Tlr5基因（红色信号）确实存在于PYY细胞（绿色信号）之中。在小鼠结肠的不同部位，这种共存现象非常普遍，尤其是在菌群最密集的远端结肠，高达57.5%的PYY细胞都同时表达着Tlr5。 至此，谜题的第一块拼图已经就位：在结肠这个菌群的“心脏地带”，存在着一群特殊的PYY细胞，它们似乎已经准备好了，随时识别来自细菌的信号。 找到了潜在的“传感器”（PYY细胞）和其上的“分子锁”（TLR5），接下来就需要证明这把锁真的能被细菌的“钥匙”（鞭毛蛋白）打开，并且这把锁的开启与关闭，能直接影响动物的行为。 研究人员进行了一个巧妙的基因改造实验。他们培育出一种特殊的小鼠，其体内的Tlr5基因只在PYY细胞中被精准地敲除掉（Pyy-Cre; Tlr5-fl/fl小鼠），而身体其他部位（包括其他肠道细胞和免疫细胞）的TLR5功能完全正常。这就像是定向拆除了特定哨兵的“警报器”，而整个城市的安防系统其余部分完好无损。 这些被“解除武装”的小鼠会有什么变化呢？研究人员将它们与正常的同窝出生的对照组小鼠一起饲养，并密切监测它们的体重和摄食行为。惊人的现象出现了：从断奶后不久开始，这些PYY细胞中缺少TLR5的小鼠，其体重增长曲线就明显高于对照组。成年后，它们变得更胖。 它们为什么会更胖？答案是：它们吃得更多。通过自动化行为监测系统，研究人员发现，这些小鼠并不是吃得更频繁，而是每一餐的份量（meal size）和持续时间（meal duration）都显著增加。具体来说，雄性KO小鼠的平均餐量比对照组高出约25%（从约0.4克增加到0.5克），而雌性KO小鼠的平均进食时长也显著延长。这说明，它们似乎是感受饱腹感的能力出了问题，导致它们需要吃更多、更久才能停下来。 这个结果证明了PYY细胞中的TLR5在调控摄食和体重中扮演着重要角色。一个自然而然的疑问是：TLR5的缺失会不会引起了慢性的肠道炎症或代谢紊乱，从而间接导致肥胖？毕竟，之前的研究表明，全身性地敲除TLR5确实会导致这些问题。 为了回答这个问题，研究人员对这些PYY细胞特异性敲除小鼠进行了一系列“体检”。结果显示，它们的口服葡萄糖耐量（oral glucose tolerance）完全正常，空腹血糖水平与对照组无异，腹部脂肪垫重量也没有显著增加。剖开它们的肠道，无论是结肠的长度、重量，还是脾脏大小，都和正常小鼠一样。更重要的是，肠道组织切片中看不到任何炎症迹象，炎症标志物如髓过氧化物酶（myeloperoxidase）和粪便脂质运载蛋白-2（fecal lipocalin-2）的水平也未见升高。 这一系列的阴性结果，反而是一个巨大的成功。它们表明，PYY细胞中的TLR5调控体重的功能，是独立于经典的免疫炎症通路和全身代谢调控的。它似乎指向了一条更为直接、更为纯粹的感觉-行为调控通路。这条通路的核心，就是PYY细胞通过TLR5感知细菌鞭毛蛋白，进而调控摄食。 现在，是时候深入到细胞和分子的层面，去“窃听”这场对话是如何发生的了。 首先，研究人员需要证明PYY细胞真的能对鞭毛蛋白产生反应。他们从一种名为Pyy-Cre; Salsa6f的小鼠结肠中分离出活的PYY细胞。这些细胞内部含有一种巧妙的钙离子指示剂，当细胞被激活时，钙离子涌入，细胞就会发出荧光。 实验中，他们将不同的细菌成分“喂”给这些细胞。当施加鞭毛蛋白时，大约26%的PYY细胞立即“亮”了起来，发出了强烈的荧光信号。而当施加另一种常见的细菌成分——脂多糖（lipopolysaccharide, LPS，TLR4的配体）时，几乎没有细胞作出反应。这证明了PYY细胞的反应具有高度的特异性，它们是在“收听”鞭毛蛋白的特定频道。更有说服力的是，如果事先用一种TLR5的特异性抑制剂（TH1020）处理细胞，那么鞭毛蛋白引起的钙信号就会被显著减弱。这证明了，PYY细胞是通过TLR5来感知鞭毛蛋白的。 细胞被激活后，会做什么呢？作为内分泌细胞，它们最擅长的就是释放信号分子。研究人员猜测，它们会释放PYY。通过在体外培养的结肠隐窝（colonic crypts）模型，他们发现，鞭毛蛋白的刺激确实能够显著促进PYY的释放。而在那些PYY细胞中Tlr5基因被敲除的小鼠模型中，鞭毛蛋白就再也无法诱导PYY的释放了。 信息从细菌（鞭毛蛋白）传递到了PYY细胞（通过TLR5），并转化为了化学信号（PYY的释放）。那么，这个信号又是如何传递给大脑的呢？ 研究人员之前的研究已经发现，这些PYY细胞并非孤立的“小岛”，它们生有被称为“神经足”（neuropod）的基底突起，能与神经纤维形成类似突触的结构。它们是一种“神经足细胞”（neuropod cells），是肠道上皮与神经系统的直接“接口”。 这一次，RNA测序数据再次提供了线索。PYY细胞中富集了大量与突触形成、神经递质释放相关的基因，如Cplx2、Syp、Stx1a等。同时，通过免疫染色，研究人员观察到，大约五分之一的PYY细胞与神经纤维（用PGP9.5标记）紧密接触。 最终的实锤证据来自光遗传学（optogenetics）技术。这是一种可以用光来控制神经元活动的技术，堪称神经科学领域的“魔杖”。研究人员培育了Pyy-Cre; ChR2小鼠，其PYY细胞中表达一种光敏蛋白——通道视紫红质-2（Channelrhodopsin-2, ChR2）。当用蓝色激光照射时，这种蛋白会打开一个离子通道，激活细胞。 实验中，他们将一根微型光纤伸入小鼠的结肠，同时在颈部记录下行至肠道的迷走神经（vagus nerve）的电活动。当蓝光闪亮，照射到结肠内壁的PYY细胞时，几秒钟之内，远在颈部的迷走神经电信号发放频率就出现了急剧且显著的飙升！ 这是一个里程碑式的发现。它建立了一条确凿无疑的、从结肠PYY细胞到迷走神经的快速功能性连接。肠道对菌群的感知，并非通过缓慢的血液循环，而是一条毫秒级的“神经专线”。 对话链的最后一段，是从迷走神经到大脑。研究人员需要证明，迷走神经听到的“耳语”，确实是来自鞭毛蛋白的刺激，并且是通过PYY细胞和PYY受体传递的。 他们再次回到迷走神经记录实验。将纯化的鞭毛蛋白直接灌注到小鼠结肠中，迷走神经的放电频率果然应声而起。这证实了鞭毛蛋白本身就能激活这条神经通路。 那么，这条通路是否必须经过PYY细胞呢？研究人员这次使用了另一种光遗传学工具——盐敏视紫红质（Halorhodopsin）。在Pyy-Cre; Halo小鼠中，PYY细胞表达这种蛋白，当用黄光照射时，细胞会被抑制。实验结果非常清晰：在给予鞭毛蛋白刺激的同时，用黄光照射结肠，原本应该出现的迷走神经激活效应完全消失了。这说明，PYY细胞是这条信号通路中不可或缺的“中继站”。 PYY细胞释放的PYY又是如何作用于迷走神经的呢？研究人员发现，在迷走神经的结节神经元（nodose ganglion）上，表达着PYY的特异性受体——Y2R（NPY2R）。他们给小鼠注射了Y2R的阻断剂（BIIE-0246），然后再用鞭毛蛋白刺激结肠。结果，迷走神经再次变得“沉默”。 至此，整条信号链被完整地拼接起来了： 细菌鞭毛蛋白（在结肠中） → PYY神经足细胞（通过TLR5受体激活） → 释放PYY → 迷走神经元（通过NPY2R受体激活） → 信号上传至大脑 为了让这个结论更加坚实，研究人员还做了最后一项关键的验证。他们直接从迷走神经结节中分离出神经元，在体外用鞭毛蛋白去刺激它们。结果发现，这些神经元毫无反应（但对辣椒素等其他刺激物反应正常），并且它们的基因测序也显示不表达Tlr5。这彻底排除了迷走神经直接感知鞭毛蛋白的可能性。PYY细胞，这个肠道上皮中的“翻译官”，其作用是独一无二且不可替代的。 分子机制的拼图已经完美闭合，现在是时候回到生物体的整体行为了。这条新发现的“肠-菌-脑”神经回路，在真实世界中是如何工作的？ 研究人员设计了一个简单而直接的行为学实验。他们让小鼠禁食一夜，使其产生饥饿感，然后通过灌肠（enema）的方式，向其结肠内注入微量的鞭毛蛋白。随后，立即给小鼠提供食物，并记录它们在接下来一小时内的进食量。 结果正如预期：接受了鞭毛蛋白灌肠的正常小鼠，其进食量显著低于接受了安慰剂（PBS）灌肠的对照组。这个效应在20分钟内就非常明显，说明信号传递和行为调控是十分迅速的。然而，在那些PYY细胞中缺少TLR5的基因敲除小鼠身上，鞭毛蛋白灌肠则完全失去了抑制食欲的效果。 为了进一步验证，他们又在正常小鼠身上测试了药物。如果在灌肠液中加入TLR5抑制剂，或者提前给小鼠注射Y2R受体阻断剂，鞭毛蛋白的“减肥”效果同样消失了。这些数据将分子机制与整体行为紧密地联系在了一起，形成了一个完整的逻辑闭环。 为了更精细地观察行为变化，研究人员还开发了一套名为“Crunch Master”的系统，通过高灵敏度麦克风和视频，能捕捉到小鼠每一次咀嚼的声音和动作。分析显示，鞭毛蛋白灌肠并非让小鼠感到恶心或不适，而是显著地延迟了它们开始第一口进食的时间，并减少了总进食量，但并没有改变咀嚼的频率。这是一种典型的饱腹感信号，告诉大脑“现在还不饿”或“已经饱了”，而不是一种厌恶或疾病状态。 研究的最高潮，也是最令人惊叹的部分，来自于无菌小鼠（germ-free mice）实验。这些小鼠从出生起就生活在完全无菌的环境中，肠道里没有任何微生物。如果肠道感知细菌的能力需要后天与菌群的“共同训练”，那么在这些小鼠身上，鞭毛蛋白应该不起作用。 然而，实验结果却出人意料：在无菌小鼠的结肠中灌注鞭毛蛋白，同样能够显著地抑制它们的食欲！ 这个结果的意义是深远的。它表明，感知微生物分子模式的能力，是宿主与生俱来、硬编码在基因里的一种本能，而不是后天习得的。它是一套随时待命的感觉系统，不依赖于肠道菌群的存在或免疫系统的预先激活。它就是一种纯粹的、为感知微生物世界而生的感觉——“神经生物传感”（neurobiotic sense）。 就像我们用视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉来感知外部世界一样，我们的身体也演化出了一套内在的感觉系统来感知内部的“微生物宇宙”。这种“第六感”让我们能够实时监测肠道菌群的动态，并相应地调整我们最基本的生存行为之一——摄食。 这项研究，为我们打开了一扇全新的窗户，让我们得以窥见自身与体内亿万共生伙伴之间，那条古老、快速而深刻的神经连接。它不仅为理解食欲调控和肥胖的发生机制提供了全新的视角，也为未来开发靶向肠-脑轴的新型疗法带来了无限的可能。
结肠深处的“信使”之谜
“细菌条形码”与细胞的“锁”
“窃听”一场肠-脑对话
迷走神经听见了“菌”语
从肠道感觉到行为终止：“神经生物传感”的诞生