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运动可以说是最有效和可行的生活方式因素，个人可以利用它来保护自己免受各种疾病的侵害，包括代谢性、心血管、神经退行性和肿瘤性疾病。
世界卫生组织建议，每周进行150-300分钟的中等强度运动。
运动的好处具体不用多说了，我们大家都知道，但你有没有想过，为什么只有一小部分人能坚持呢？
让我们挪不开腿的除了以上理由之外，有没有可能存在什么生理瓶颈，阻止了我们进行定期的体育活动呢？
由Lenka Dohnalová领导的宾夕法尼亚大学的研究团队，开始使用一大群基因多样性的野生小鼠来回答这个问题。
结果发现，肠道微生物组占据了很大的因素，也就是说，“不想运动”这个想法很可能不是因为懒，而是与肠道微生物群相关。
肠道微生物群是如何影响到我们的神经系统，促进运动的进行呢？
本文我们来详细了解一下。
01
人与人之间运动能力的显著差异与什么相关？
研究人员观察到，个体间运动能力的显著差异，表现最好的动物比最弱的动物快10倍以上。
为了探索这些差异的原因，研究人员对这些小鼠进行了深入的分子和生理学分析。神奇的是，研究人员发现：
肠道微生物组的因素位居榜首。
我们来看一下研究人员的探索过程。
- 研究人员首先关注基因组，发现遗传对运动能力个体间变异的贡献很小。
- 转向非遗传参数并评估它们对运动表现的影响。动物队列中的血清代谢组、肠道微生物组组成和代谢参数差异很大。
- 使用机器学习方法来识别对运动表现有很强预测作用的变量。
- 发现 仅基于肠道微生物群 16S rDNA 测序结果的预测所达到的准确度与血清代谢组或所有测量参数组合所实现的准确度几乎一样高。
Dohnalová L, et al., Nature. 2022
02
肠道菌群在运动表现中的功能有多重要？
研究人员探究了肠道菌群在运动表现中的功能重要性，并在无菌或接受抗生素治疗的小鼠中进行了运动测量实验（即在确定的微生物群落环境下）。
Dohnalová L, et al., Nature. 2022
发现在无菌或接受抗生素治疗的小鼠中（也就是缺乏微生物群的小鼠），自愿运动和耐力运动能力降低了50%左右。
与特定菌群相关——丹毒丝菌科和毛螺菌科
研究人员使用 SHapley Additive exPlanation (SHAP)评估了预测模型中各个微生物组特征的贡献。
所有微生物群特征的SHAP值排序有助于预测DO小鼠的运动表现
Dohnalová L, et al., Nature. 2022
研究人员确定，这一影响是由特定菌群引起的，包括毛螺菌科(Lachnospiraceae)和丹毒丝菌科(Erysipelotrichaceae)的成员。
这些实验证明，肠道菌群可能是个体运动能力差异的一个重要影响因素。
03
肠道菌群如何对身体活动产生影响？
与研究人员的预期不同，肠道菌群对身体活动的影响并不是通过与运动经典相关的组织，如骨骼肌来介导的。相反，肠道菌群似乎根本上影响了运动对大脑的影响。
剧烈的体育活动会在大脑中引起多种神经化学反应，包括纹状体中多巴胺释放的激增。有趣的是，在没有肠道菌群的情况下，这种激增严重减弱了。
我们知道，多巴胺的释放会导致愉悦、动力和奖励感，这也是为什么有些人在剧烈运动后所经历的“跑步快感”现象。
基于这些发现，推测：
微生物群通过调节运动诱导的多巴胺反应来增强运动能力。
通过一系列药理学和化学遗传学的介入实验，发现多巴胺缺乏确实是导致微生物群消失动物运动能力降低的原因。与此一致的是，恢复多巴胺信号完全恢复了它们的运动能力。
04
微生物如何通过肠道控制大脑的神经递质呢？
微生物群与大脑之间的通信可以通过微生物分子进入全身循环，或者通过肠道和大脑之间的直接神经连接进行。
研究人员没有找到证据表明微生物群通过全身介质影响运动能力。相反，抑制与肠道神经传导相关的感觉神经元，可以重现微生物群消失对运动的影响，而刺激感觉神经元则可以在没有微生物群的情况下恢复运动能力。
为了确定微生物群在运动过程中如何影响感觉神经元的活动，研究人员结合了微生物遗传学、代谢组学和神经元记录技术。
结果发现，微生物通过合成脂肪酸酰胺，增强感觉神经元的活动，通过内源性大麻素受体CB1介导。这种神经元活动的增加进而增强了运动过程中的多巴胺信号（见下图）。
Thaiss CA. Science. 2023
这种途径可以通过胃肠道干预来调节运动表现
例如，用基因工程产生脂肪酸酰胺的细菌定植无菌小鼠，或用含有脂肪酸酰胺的饮食喂养抗生素治疗的小鼠，可以恢复它们的运动能力。
然而，使用外周CB1抑制剂或中枢多巴胺受体阻断剂时，这些干预的积极效果就会被取消掉。
05
结 语
该研究的重要发现：
微生物群代谢产生脂肪酸酰胺，由肠道神经支配神经元上的内源性大麻素受体CB1感知，这增强了它们在运动中的活性。感觉神经元的激活，反过来增强了纹状体中的多巴胺信号，从而推动了运动表现。
这项发现有几个重要的启示：
- 胃肠道信号作为大脑中运动反应神经元活动的调节因子，有可能促进“跑步快感”的产生
这种肠-脑途径的进化目的尚待确定，推测它可能将动物决定长期进行体育活动与胃肠道的营养状况联系起来。无论是精英运动员还是业余跑步者，心理状态在运动参与和表现中都起着至关重要的作用。
- 微生物组依赖性途径，可能有助于更好地理解促使某些个体达到巅峰表现的因素
微生物组及其代谢产物的可塑性，为在全球范围内增加运动参与及其健康益处提供了一条潜在途径。
- 纹状体多巴胺是运动以外的动机行为的关键介质
这项发现开启了利用这一途径影响其他多巴胺依赖性大脑功能的可能性，如学习、情绪、成瘾等领域都可能应用。
总的来说，这项研究为我们打开了一扇了解肠道微生物与运动之间关系的窗户，为相关领域的深入研究提供了新的启示。对影响神经元活动的微生物组衍生分子的广阔宇宙的进一步探索，将为胃肠道塑造思维的潜力提供有价值的见解。
当然，这也让我们看到了肠道菌群检测在个体运动能力评估中具有巨大潜力，通过微生物群干预，为提升运动积极性，发展个性化的运动方案和训练策略提供了新的思路和可能性。
参考文献：
Dohnalová L, Lundgren P, Carty JRE, et al., A microbiome-dependent gut-brain pathway regulates motivation for exercise. Nature. 2022 Dec;612(7941):739-747. doi: 10.1038/s41586-022-05525-z