從相關(guān)到因果：運(yùn)動(dòng)與腸道菌群
--腸--腦軸

杜然浩，宋 剛*，趙吉春

機(jī)體微生物與人是一種共生關(guān)系，在一定的條件下通過互相作用實(shí)現(xiàn)共同生存。大部分菌群存在于腸道中，構(gòu)成腸道菌群這一復(fù)雜系統(tǒng)。腸道菌群與宿主健康之間的關(guān)系，一直是生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)。目前，運(yùn)動(dòng)與腸道菌群-腸-腦（microbiota-gutbrain，MGB）軸之間的研究引起了研究者的興趣，并取得了一定數(shù)量的成果。需要指出的是，運(yùn)動(dòng)與MGB軸的研究不夠深入，很多情況下都只發(fā)現(xiàn)了相關(guān)性的證據(jù)，缺少因果關(guān)系（Brunkwall et al.，2017）。本文對(duì)運(yùn)動(dòng)與MGB軸研究的因果范式進(jìn)行了梳理。

1 腸道菌群--腸--腦交互作用及可能機(jī)制

人類很早就知道腸道菌群能夠影響大腦生理和行為。黃帝內(nèi)經(jīng)有“心合小腸”的表述，中醫(yī)據(jù)此總結(jié)出“心與小腸相表里”的理論并用于實(shí)踐（李艷等，2019）。西方醫(yī)學(xué)奠基人希波克拉底提出，所有的疾病都始于腸（Gasbarrini et al.，2016）。胃腸道內(nèi)的微生物群落是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，由與宿主共生的腸道菌群組成，影響著人體的營(yíng)養(yǎng)、代謝和免疫功能。研究表明，腸道菌群與一些復(fù)雜的疾病有關(guān)，如肥胖、糖尿病和癌癥（Zitvogel et al.，2018a）而且還與精神類疾病有關(guān)，包括中風(fēng)、癲癇、帕金森病、焦慮、抑郁癥、孤獨(dú)癥和精神分裂癥等疾?。―an et al.，2020；Siopi et al.，2020；Tengeler et al.，2020；）。腸道菌群是宿主免疫穩(wěn)態(tài)的中心調(diào)節(jié)因子（Levy et al.，2017；Zitvogel et al.，2018b），其失調(diào)可能參與了中樞（如多發(fā)性硬化）和外周（如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎）自身免疫性疾病的發(fā)病（Hindson，2017；Zhang et al.，2015）。這些研究表明，腸道菌群可通過腸-腦軸影響宿主行為（Mao et al.，2020）。MGB軸的交互作用途徑包括迷走神經(jīng)、腸道菌群代謝物（如神經(jīng)遞質(zhì)和短鏈脂肪酸）和免疫系統(tǒng)等（Sherwin et al.，2016）。

1.1 迷走神經(jīng)

迷走神經(jīng)是人體主要的副交感神經(jīng)，在調(diào)節(jié)心率、支氣管收縮和腸道運(yùn)動(dòng)等多種器官功能方面起著關(guān)鍵作用。刺激副交感神經(jīng)通路具有抗炎作用，能夠引起促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生減少，減弱全身炎癥反應(yīng)（Borovikova et al.，2000）。迷走神經(jīng)并不直接與腸道菌群相互作用，而是通過腸道菌群的代謝產(chǎn)物和腸道菌群介導(dǎo)的腸道上皮細(xì)胞分泌物來感知菌群信號(hào)（Bonaz et al.，2018）。研究表明，蛋白質(zhì)能夠通過迷走神經(jīng)從腸道轉(zhuǎn)運(yùn)到大腦。2016年12月，Timothy發(fā)表在頂級(jí)期刊Cell上的論文報(bào)道，腸道菌群及其代謝物可通過MGB軸途徑治療帕金森癥，這是帕金森癥治療的腸源性因果證據(jù)，為帕金森癥的生物活性靶向藥物研發(fā)指出了新的方向（Sampson et al.，2016）。小鼠的迷走神經(jīng)完整，且編碼α-Syn基因存在的情況下，α-Syn蛋白才能擴(kuò)散到大腦。研究者觀察到，α-Syn蛋白通過迷走神經(jīng)擴(kuò)散到大腦后，分泌多巴胺的神經(jīng)元大量死亡，同時(shí)小鼠表現(xiàn)出類帕金森癥的認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)功能障礙和焦慮等癥狀。而切斷迷走神經(jīng)，就可以預(yù)防上述癥狀出現(xiàn)。這項(xiàng)研究表明，α-Syn蛋白可以沿著迷走神經(jīng)從小腸傳播到大腦，阻斷α-Syn傳播途徑可能是預(yù)防帕金森病的關(guān)鍵（Kim et al.，2019），α-Syn蛋白的迷走神經(jīng)通路在腸-腦軸起重要作用。

1.2 腸道菌群代謝物

腸道菌群能夠產(chǎn)生大量代謝物，主要是神經(jīng)遞質(zhì)和短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）鹽，進(jìn)而影響大腦的生理和行為。神經(jīng)遞質(zhì)主要包括去甲腎上腺素、多巴胺和γ-氨基丁酸（Taj et al.，2018）。自閉癥小鼠腸道菌群中的雙歧桿菌屬和布勞特氏菌屬細(xì)菌水平較低，伴隨著腸道色氨酸和膽汁酸分泌不足，二者都負(fù)責(zé)生成血清素這一神經(jīng)遞質(zhì)（Golubeva et al.，2017）。同樣腸道菌群失調(diào)的現(xiàn)象也在人體實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，自閉癥兒童體內(nèi)的韋榮氏球菌、糞球菌和普雷沃菌水平均低于正常兒童（Kang et al.，2013）。短鏈脂肪酸代謝物（如丁酸鹽、丙酸鹽、乙酸鹽和戊酸鹽），可以通過其同源的游離脂肪酸受體（free fatty acid receptor，F(xiàn)FAR）調(diào)節(jié)各種生理功能。FFAR在迷走神經(jīng)中有表達(dá)，部分介導(dǎo)SCFA的作用。研究發(fā)現(xiàn)，SCFA影響中樞生理過程，比如乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽的混合物能夠修復(fù)無菌小鼠中觀察到的小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)缺陷（Erny et al.，2015）。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PC12細(xì)胞（分化為神經(jīng)元樣細(xì)胞的大鼠成神經(jīng)細(xì)胞）用丙酸和丁酸處理可增加酪氨酸羥化酶（去甲腎上腺素和多巴胺合成中的限速酶）的表達(dá)（Nankova et al.，2014）。需要特別指出的是，微生物代謝產(chǎn)物的半衰期很短（25 min至3 h），尚不清楚這些微生物代謝產(chǎn)物是否能夠調(diào)節(jié)體內(nèi)神經(jīng)傳遞。對(duì)腦部生理和行為影響的研究通常使用的外源性SCFA濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過微生物來源的濃度（MacFabe et al.，2011）。因此，需要實(shí)驗(yàn)證據(jù)來確定腸道菌群產(chǎn)生的SCFA能夠到達(dá)大腦。

1.3 免疫系統(tǒng)

免疫系統(tǒng)在MGB軸交互中起重要的作用。腸道菌群可能在派伊爾氏淋巴結(jié)（小腸中的可監(jiān)測(cè)胃腸道菌群的淋巴結(jié)節(jié)）或腸系膜淋巴結(jié)等部位影響免疫系統(tǒng)。腸道菌群釋放多種免疫激動(dòng)劑，例如脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和肽聚糖（peptidoglycan，PGN），進(jìn)入血液循環(huán)，通過血腦屏障進(jìn)入大腦（Arentsen et al.，2017）。無菌小鼠和經(jīng)抗生素處理的小鼠都發(fā)現(xiàn)紋狀體PGN受體的表達(dá)減少，表明大腦的蛋白表達(dá)可能對(duì)微生物很敏感。此外，這些PGN感應(yīng)受體之一PGLYRP2（PGN識(shí)別蛋白2）的敲除會(huì)導(dǎo)致小鼠的社交能力增強(qiáng)，表明PGN會(huì)導(dǎo)致宿主的行為發(fā)生變化（Arentsen et al.，2017）。腸道菌群也可能影響免疫系統(tǒng)。無菌小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)細(xì)菌LPS刺激的應(yīng)答減少，同時(shí)促炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生水平降低（Erny et al.，2015）。給小鼠施用抗生素后，能重復(fù)這一結(jié)果，并在補(bǔ)充SCFA后恢復(fù)小膠質(zhì)細(xì)胞的功能，證實(shí)了腸道菌群在免疫應(yīng)答系統(tǒng)中起作用（Erny et al.，2015）。已經(jīng)證明，干擾小膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元的溝通（Zhan et al.，2014）和小膠質(zhì)細(xì)胞的耗竭（Nelson et al.，2017）均會(huì)損害小鼠和大鼠的社交行為。要指出的是，小膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)行為中發(fā)揮的作用，尚不為人所知。

2 運(yùn)動(dòng)與腸道菌群--腸--腦軸

2.1 常見菌群研究因果推斷的方法

隨機(jī)雙盲對(duì)照試驗(yàn)和基于科赫法則的多重確證試驗(yàn)是微生物研究常見的因果推斷研究方法。

隨機(jī)雙盲對(duì)照試驗(yàn)已被國(guó)際上公認(rèn)為臨床防治性研究方法的金標(biāo)準(zhǔn)，通過隨機(jī)化控制變量X，實(shí)現(xiàn)對(duì)變量Y進(jìn)行因果推斷。隨機(jī)雙盲對(duì)照試驗(yàn)是一種衡量時(shí)間序列之間影響，對(duì)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)方差變化比較進(jìn)行因果推斷的方法。這一點(diǎn)與經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域的格蘭杰（2003年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)得主）因果關(guān)系檢驗(yàn)方法類似（潘朝順等，2004）。科赫法則由德國(guó)微生物學(xué)家羅伯特·科赫提出，其主要內(nèi)容是：1）在每一病例中都出現(xiàn)相同的微生物，且在健康者體內(nèi)不存在；2）從宿主分離出這樣的微生物，并在培養(yǎng)基中得到純培養(yǎng)；3）用這種微生物的純培養(yǎng)接種健康而敏感的宿主，同樣的疾病會(huì)重復(fù)發(fā)生；4）從試驗(yàn)發(fā)病的宿主中能夠再度分離培養(yǎng)出這種微生物。如果進(jìn)行了上述4個(gè)步驟，并得到了確實(shí)的證明，就可以確認(rèn)該生物即為該病害的病原物（Finlay，2020）?？坪辗▌t是確認(rèn)特定的病原菌與疾病因果關(guān)系的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 運(yùn)動(dòng)與腸道菌群互相作用的因果證據(jù)

運(yùn)動(dòng)是良醫(yī)，適宜運(yùn)動(dòng)能夠有效防治多種慢性疾病的發(fā)生，包括肥胖、高血壓、抑郁癥、糖尿病、呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病等，這些慢性疾病大部分被發(fā)現(xiàn)與腸道菌群紊亂有關(guān)。這讓人猜測(cè)，運(yùn)動(dòng)是否與腸道菌群存在關(guān)聯(lián)。通過檢索，相關(guān)關(guān)系的研究較多，但因果關(guān)系的證據(jù)只有2項(xiàng)。2019年6月，Nature Medicine上的報(bào)道證實(shí)了腸道菌群與耐力運(yùn)動(dòng)能力之間的因果關(guān)系。最初的相關(guān)性證據(jù)來自對(duì)馬拉松運(yùn)動(dòng)員糞便進(jìn)行16S rDNA基因測(cè)序，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)后被試腸道中韋榮球菌屬細(xì)菌相對(duì)豐度明顯增加。因果關(guān)系證據(jù)來自將該菌分離，并接種到大鼠腸道中，可顯著延長(zhǎng)大鼠的跑步力竭時(shí)間。可能的通路途徑是韋榮球菌豐度的增加，促進(jìn)乳酸代謝，延長(zhǎng)了大鼠力竭跑步時(shí)間。證實(shí)了因果關(guān)系后，再對(duì)腸道菌群代謝通路進(jìn)行研究。對(duì)87名優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的糞便進(jìn)行宏基因組測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)后韋榮球菌將乳酸代謝為丙酸的甲基丙二酰輔酶A通路基因豐度上升。用同位素標(biāo)記乳酸鹽進(jìn)行代謝動(dòng)力學(xué)途徑驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)血清中的乳酸鹽可以穿過上皮屏障進(jìn)入腸腔，進(jìn)而腸道菌群分解乳酸，表明運(yùn)動(dòng)后血液中積累的乳酸可以運(yùn)輸?shù)侥c道。血清乳酸可跨越腸上皮屏障進(jìn)入腸道，對(duì)結(jié)腸內(nèi)灌注丙酸也可延長(zhǎng)大鼠力竭跑步時(shí)間，表明韋榮球菌通過將運(yùn)動(dòng)生成的乳酸代謝為丙酸，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能力的增強(qiáng)（Scheiman et al.，2019）。這項(xiàng)歷時(shí)3年多的實(shí)驗(yàn)，從相關(guān)性出發(fā)尋找因果證據(jù)，步步深入，最后證實(shí)了對(duì)耐力運(yùn)動(dòng)起作用的韋榮球菌及其作用的代謝途徑。另一項(xiàng)因果證據(jù)顯示，運(yùn)動(dòng)是治療糖尿病的重要手段，但不同患者對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)差異由腸道菌群造成。2019年12月，Cell Metabolism在線發(fā)表了香港大學(xué)徐愛民團(tuán)隊(duì)的研究，其論證過程也是先進(jìn)行相關(guān)性證明。12周的一對(duì)一運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練干預(yù)對(duì)70%被試（前驅(qū)糖尿病患者）的糖穩(wěn)態(tài)和胰島素敏感性的改善具有作用，這種改善作用與腸道菌群及其代謝變化密切相關(guān)，這些人被稱為運(yùn)動(dòng)響應(yīng)者，余下的30%被試糖穩(wěn)態(tài)和胰島素敏感性變化較少，被稱為非響應(yīng)者。12周運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)者和非響應(yīng)者的腸道菌群組成和功能變化存在顯著性差異。其因果證據(jù)來自將兩者糞便分別移植肥胖小鼠模型，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)者移植小鼠胰島素敏感性提高，而非響應(yīng)者卻沒有變化，并出現(xiàn)了胰島素抵抗，額外補(bǔ)充短鏈脂肪酸，糖代謝紊亂狀態(tài)得到逆轉(zhuǎn)（Liu et al.，2020）。這兩項(xiàng)來自頂級(jí)期刊的因果證據(jù)表明，運(yùn)動(dòng)具有調(diào)節(jié)腸道菌群達(dá)到調(diào)節(jié)生命活動(dòng)的作用。

2.3 運(yùn)動(dòng)與腸道菌群-腸-腦軸

運(yùn)動(dòng)與腸道菌群-腸-腦軸的隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)證據(jù)并不多。如表1所示，Kang等（2014）將小鼠隨機(jī)分為運(yùn)動(dòng)組（n=10）和對(duì)照組（n=10），進(jìn)行2周的訓(xùn)練適應(yīng)期，運(yùn)動(dòng)方案為速度從3 m/min的跑步逐漸增加到7 m/min，運(yùn)動(dòng)時(shí)間從每天持續(xù)時(shí)間6 min增加到60 min。小鼠適應(yīng)運(yùn)動(dòng)方案之后，將運(yùn)動(dòng)組放置在車輪中60 min（7 m/min），持續(xù)5天/周，共運(yùn)動(dòng)16周。結(jié)果，運(yùn)動(dòng)使小鼠腸道菌群中硬壁菌門豐富度增加，擬桿菌門豐富度減少，這些變化進(jìn)而改善了小鼠的焦慮狀況，且小鼠記憶力得到了提升。Johannesson等（2011）對(duì)102名腸易激綜合征患者制訂了運(yùn)動(dòng)方案，每周進(jìn)行3～5天的中強(qiáng)度到高強(qiáng)度體力活動(dòng)，共12周。研究發(fā)現(xiàn)，腸易激綜合征患者的胃腸道癥狀得到改善，抑郁、嗜睡狀況得到好轉(zhuǎn)，且患者壓力也得到了緩解。Dong等（2020）也發(fā)現(xiàn)，食用富含雙歧桿菌BB-12的酸奶能通過調(diào)節(jié)腸道菌群乳酸菌和雙歧桿菌的豐度，進(jìn)而降低跳水運(yùn)動(dòng)員“Choking”現(xiàn)象。這些研究表明，運(yùn)動(dòng)通過MGB軸參與機(jī)體功能改善的調(diào)節(jié)。

從表1隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，運(yùn)動(dòng)對(duì)腸道菌群-腸-腦軸的影響是一種因果效應(yīng)。目前，腸道菌群-腸-腦軸直接影響運(yùn)動(dòng)的研究較少，在實(shí)踐中可以通過服用功能性食品（如益生元、益生菌等）對(duì)菌群調(diào)節(jié)得到一些間接性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。若要證實(shí)腸道菌群-腸-腦軸對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，要按照隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，控制無關(guān)變量，再對(duì)腸道菌群-腸-腦軸進(jìn)行干預(yù)，觀察與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的結(jié)局指標(biāo)。目前，這方面的研究較少，開展實(shí)行的難度也較大。

3 腸道菌群因果推斷研究方法

3.1 無菌動(dòng)物、偽無菌動(dòng)物模型和糞菌移植

2006年，Jeffrey Gordon團(tuán)隊(duì)將肥胖病人的菌群移植給無菌小鼠，無菌小鼠出現(xiàn)了肥胖（Turnbaugh et al.，2006）。隨后他們?cè)O(shè)計(jì)了一項(xiàng)符合科赫法則和病因研究模式的實(shí)驗(yàn)，來證實(shí)肥胖與腸道菌群之間的因果關(guān)系，具體方法是將一對(duì)胖瘦體型差異較大的同卵雙胞胎姐妹的糞便，分別轉(zhuǎn)移到無菌小鼠體內(nèi)，正常飲食，不久小鼠分別出現(xiàn)與糞便來源相同胖或瘦的體型。這項(xiàng)研究表明，腸道菌群攜帶了肥胖宿主的某些特征菌群，能夠?qū)е滦∈蟪霈F(xiàn)肥胖（Ridaura et al.，2013）。無菌動(dòng)物最重要的作用是把病因和結(jié)果做了直接聯(lián)系。無菌動(dòng)物制備并不簡(jiǎn)單，是該研究的關(guān)鍵限制性因素。無菌環(huán)境下，提前一天無菌剖腹產(chǎn)獲得無菌的仔鼠，構(gòu)建無菌小鼠。正因?yàn)橹苽錈o菌小鼠的條件非常苛刻，限制了它的應(yīng)用。因此，用廣譜的抗生素處理制備偽無菌小鼠模型就有了市場(chǎng)。Piewngam等（2018）發(fā)表于Nature期刊的糞菌移植和偽無菌小鼠構(gòu)建方法值得我們借鑒。

表1 運(yùn)動(dòng)與腸道菌群--腸--腦軸的實(shí)驗(yàn)證據(jù)Table 1 Experimental Evidence of Exercise and MGBAxis

近年來，F(xiàn)MT在臨床上主要是治療由腸道菌群失調(diào)引起的各種腸道疾病，該方法可以使患者的病情得到極大緩 解 或 治愈（Davidovics et al.，2019；Hibbard et al.，2019；Hvas et al.，2019；Kim et al.，2019）。一般分為人對(duì)人、人對(duì)動(dòng)物和動(dòng)物對(duì)動(dòng)物的FMT。

動(dòng)物對(duì)動(dòng)物的FMT是在糞菌移植前，首先制備糞菌移植菌液。選取健康適齡小鼠作為供體，收取新鮮排出的小鼠糞便，對(duì)新鮮糞便進(jìn)行稱重，再用生理鹽水等溶液對(duì)其稀釋，研磨后過濾糞便殘?jiān)?，將所得新鮮糞菌液混合，冷凍保存用于糞菌的移植。移植時(shí)需將每只小鼠分別轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的籠中，用灌胃針吸取過濾后新鮮菌液，以灌胃的方式注入小鼠胃內(nèi)，每只小鼠灌入實(shí)驗(yàn)所需量的新鮮菌液，灌胃后觀察一定時(shí)間，再將實(shí)驗(yàn)小鼠合籠飼養(yǎng)（楊沫，2017）。

《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》以Brief Report形式報(bào)道，在人對(duì)人的FMT中，兩例患者出現(xiàn)了嚴(yán)重的菌血癥，其中一例死亡病例（Defilipp et al.，2019）。從此以后，人對(duì)人的FMT被美國(guó)食品和藥物管理局叫停。盡管FMT治療取得了一定的臨床療效，但其中哪些菌群起有效作用尚不清楚。亟待開發(fā)更有針對(duì)性的FMT，提高療效降低風(fēng)險(xiǎn)。要指出的是，無菌動(dòng)物、偽無菌動(dòng)物模型和人對(duì)動(dòng)物的糞菌移植，都是基于科赫法則的因果推斷方法。

3.2 孟德爾隨機(jī)化

孟德爾隨機(jī)化（mendelian randomization，MR）是遵循孟德爾遺傳定律——親代等位基因隨機(jī)分配給子代，以遺傳變異作為工具變量，以此推斷觀察性研究中暴露因素與研究結(jié)局的因果關(guān)聯(lián)。該方法是因果推斷的有力工具（Emdin et al.，2017）。腸道菌群研究領(lǐng)域最具影響力的研究是證明了腸道菌群與糖尿病之間存在因果關(guān)系。Cisca Wijmenga和Mark McCarthyl對(duì)大樣本被試進(jìn)行多組學(xué)測(cè)定，再進(jìn)行雙向孟德爾隨機(jī)化分析，發(fā)現(xiàn)腸道菌群和特定代謝產(chǎn)物與人體糖尿病有因果關(guān)系。她們采用反方差加權(quán)檢驗(yàn)來確定245個(gè)微生物組特征和17個(gè)感興趣的性狀之間的因果關(guān)系，采用雙樣本雙向MR分析，用全基因組關(guān)聯(lián)分析分別對(duì)來自微生物組特征和來自代謝/人體測(cè)量性狀進(jìn)行匯總分析。在主成分分析和聚類分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行微生物組學(xué)、代謝組學(xué)和人體測(cè)量，顯著性水平采用保守的多重檢驗(yàn)調(diào)整P＜1.3×10-4。最后，在英國(guó)生物銀行（UK Biobank）驗(yàn)證這些因果關(guān)系。該研究方法和結(jié)果對(duì)腸道菌群與宿主疾病之間的研究具有重要的參考價(jià)值（Sanna et al.，2019）。該研究首次發(fā)現(xiàn)，腸道細(xì)菌與人類胰島素抵抗和2型糖尿病之間的因果關(guān)系。做為一種因果推斷方法，孟德爾隨機(jī)化也在與時(shí)俱進(jìn)。2020年5月25日，Nature Genetics報(bào)道，美國(guó)芝加哥大學(xué)賀信團(tuán)隊(duì)和統(tǒng)計(jì)遺傳學(xué)家Matthew Stephens合作，極大地降低了孟德爾隨機(jī)化假陽性率（Morrison et al.，2020）。

4 結(jié)論與展望

4.1 運(yùn)動(dòng)與腸道菌群-腸-腦軸研究亟需多學(xué)科結(jié)合應(yīng)用和腸道菌群結(jié)構(gòu)深入分析的突破

腸道菌群作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，MGB軸是外周與中樞的交互雙向交流，需要利用多組學(xué)、納米技術(shù)、成像學(xué)、人工智能等復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的諸多前沿方法結(jié)合開展研究。比如活體腦成像技術(shù)可用于研究腦、腸和腸道菌群之間的相互作用；正電子發(fā)射斷層成像、核磁共振成像等技術(shù)的發(fā)展加深了對(duì)腦區(qū)和腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、功能和代謝特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)（Mayer et al.，2019）。楊朝勇和譚蔚泓研發(fā)出一種新腸道菌群活體成像方法，對(duì)于腸道菌群測(cè)定有了實(shí)時(shí)性的突破。基于近紅外光譜的代謝標(biāo)記方法為觀察體內(nèi)深部組織中的微生物提供了一條途徑（Wang et al.，2020）。另外，也要深入研究腸道菌群的結(jié)構(gòu)變化與人體健康之間的關(guān)系。以色列魏茨曼科學(xué)研究所科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，腸道菌群結(jié)構(gòu)的變化與宿主的健康有關(guān)，同一菌株之間的一些關(guān)鍵表型變化可能是由某些基因的差異引起的。他們提出并鑒定了微生物基因組結(jié)構(gòu)變異（structural variants，SVs）這一概念，發(fā)現(xiàn)SVs存在于人類的腸道菌群的門級(jí)水平。同時(shí)發(fā)現(xiàn)SVs與宿主疾病之間存在聯(lián)系（Zeevi et al.，2019）。這項(xiàng)研究為將來的運(yùn)動(dòng)與MGB軸研究從相關(guān)到因果關(guān)系提供了新的方向。

4.2 運(yùn)動(dòng)與腸道菌群-腸-腦軸的因果性研究亟需因果推斷方法學(xué)的突破

運(yùn)動(dòng)與MGB軸因果論證離不開人類科研方法學(xué)的突破。目前這個(gè)研究領(lǐng)域已經(jīng)具有因果推斷能力的方法分別是基于時(shí)間的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)、橫斷面研究的孟德爾隨機(jī)化和基于科赫法則的（偽）無菌動(dòng)物和FMT因果推斷。具有因果推斷科研方法的突破最有可能的領(lǐng)域是人工智能領(lǐng)域。Pearl等（2018）認(rèn)為，人工智能從誕生伊始，只是進(jìn)行概率推理的研究方向，而因果推理將對(duì)人工智能產(chǎn)生革命性的躍遷。話音剛落，2019年10月，華裔科學(xué)家李飛飛首次實(shí)現(xiàn)了人工智能領(lǐng)域的因果推斷（Nair et al.，2019）。人工智能方法已經(jīng)深入菌群研究，比如2020年2月20日，頂級(jí)期刊Cell封面報(bào)道，用人工智能迅速挖掘出了一個(gè)全新的抗生素，短短幾天內(nèi)從超過1億個(gè)分子的庫中篩選出強(qiáng)大的新型抗生素（以前需要十幾年）（Stokes et al.，2020）。不久，2020年5月28日，Cell又封面報(bào)道，利用縱向多組學(xué)（血代謝組、脂質(zhì)組、免疫組、蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄組和腸道微生物組）對(duì)急性運(yùn)動(dòng)分析，通過機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建了對(duì)最大攝氧量預(yù)測(cè)的人工智能模型。其中預(yù)測(cè)模型指標(biāo)包括丁酸弧菌屬（Butyricimonas）（屬級(jí)水平的腸道細(xì)菌）（Contrepois et al.，2020）?；谶@些研究，人工智能領(lǐng)域的因果推斷這一重大突破，可能將在未來為運(yùn)動(dòng)與MGB軸的研究提供因果方法學(xué)的新工具。