儿童认知功能无创监测新突破：呼气代谢组学揭示肠-脑轴调控机制

（编辑推荐）本研究创新性采用呼气代谢组学（breathomics）技术，通过质子转移反应-质谱（PTR-MS）分析儿童呼气中的挥发性有机化合物（VOCs），发现甲烷、丁酸等肠道菌群代谢物与执行功能正相关，而乙烯等炎症标志物与认知控制负相关，为肠-脑轴（GBA）机制研究提供非侵入性监测新策略。

　　

1 引言

儿童期是执行功能发展的关键阶段，涉及选择性注意和抑制控制等核心认知能力。近年研究发现，肠道菌群通过代谢产物如短链脂肪酸（SCFAs）与大脑形成双向通讯（肠-脑轴，GBA），而传统监测方法如血液或粪便采样存在侵入性或准确性局限。本研究首次探索呼气代谢组学技术，通过分析呼气中的挥发性有机化合物（VOCs）来评估儿童执行功能与肠道菌群的关联。

2 材料与方法

2.1 研究设计
招募31名8-10岁健康儿童，最终26例完成埃里克森侧抑制任务（Eriksen flanker task）和呼气采样。呼气样本通过Loccioni^?
采样器收集于Tedlar^?
袋，采用质子转移反应-质谱（PTR-MS）进行非靶向分析，并结合激光光声光谱检测乙烯和甲烷。

2.2 执行功能评估
侧抑制任务中，儿童需判断中央鱼群方向（与周围鱼群方向一致为 congruent，相反为 incongruent）。通过反应时和错误率计算兼容性效应（compatibility effect），反映执行功能水平。

2.3 数据分析
采用偏最小二乘回归（PLS）和显著性多变量相关（sMC）筛选关键代谢物，验证模型通过置换检验（p<0.05）。

3 结果与讨论

3.1 执行功能表现
儿童在incongruent任务中错误率（p<0.001）和反应时（p<0.001）显著高于congruent任务，符合经典侧抑制效应。

3.2 呼气VOCs的预测价值

• 正向关联代谢物：甲烷（CH₄
  ）、丁酸（butyric acid）和乙醇与执行功能改善相关，其中丁酸作为SCFAs可通过抗炎作用促进认知（β=-0.32）。
• 负向关联代谢物：异戊二烯（isoprene）与压力反应相关，乙烯（C₂
  H₄
  ）和乙醛（acetaldehyde）作为炎症标志物，其水平升高对应更高错误率（β=+0.41）。
• 菌群关联：甲烷产生菌（如Bacteroidetes）与抑制控制相关，而Enterobacteriaceae可能通过脂多糖（LPS）诱导炎症并增加乙烯释放。

3.3 营养摄入影响
蛋白质摄入与错误率兼容性效应负相关（p<0.05），支持蛋白质对认知的潜在益处，但其他宏量营养素未显示显著关联。

4 结论

本研究证实呼气VOCs可作为儿童执行功能的非侵入性生物标志物，初步揭示肠道菌群代谢物（如SCFAs）与认知功能的关联。未来需扩大样本并整合菌群测序以验证因果机制，为肠-脑轴研究提供新视角。