肠道细菌Lactiplantibacillus plantarum通过直接接触调控神经元功能的体外神经-细菌界面研究

这项研究通过建立体外神经-细菌共培养模型，首次揭示了肠道细菌Lactiplantibacillus plantarum（L. plantarum）与皮质神经元直接接触的分子机制。研究人员发现L. plantarum能特异性黏附神经元表面而不侵入胞内，通过钙离子（Ca2+）信号通路激活神经元，同步调控突触素I（SYN I）和磷酸化CREB（pCREB）等神经可塑性相关蛋白的表达。RNA-seq分析显示该过程涉及生物电信号（Bioelectricity）相关基因网络的显著改变。该研究为阐明肠道菌群-脑轴（gut-brain axis）的直接通讯机制提供了全新实验范式。

　　

在探索生命奥秘的进程中，科学家们逐渐认识到生物体间的"跨界对话"远比想象中复杂。特别是肠道微生物与大脑之间错综复杂的相互作用，已成为神经科学和微生物学交叉领域的研究热点。传统观点认为，肠道菌群主要通过代谢产物、免疫调节等间接途径影响神经系统，但越来越多的证据暗示可能存在更直接的"对话"方式。这种微生物与神经元之间的即时通讯如何实现？其分子机制是什么？这些问题成为解开肠脑轴奥秘的关键。

马德里康普顿斯大学（Complutense University of Madrid）的研究团队在《Scientific Reports》发表的研究中，创新性地构建了体外神经-细菌界面模型。他们选择具有益生潜力的食物源菌株Lactiplantibacillus plantarum O2T60C与大鼠皮质神经元共培养，通过多学科方法系统研究了细菌直接接触对神经元的影响。这项研究首次证实肠道细菌能在不侵入细胞的情况下，通过表面黏附直接调控神经元的功能状态。

研究人员主要采用四大关键技术：1）建立14天体外皮质神经元培养体系，通过免疫荧光确认神经元（MAP2+）和胶质细胞（GFAP+）组成；2）细菌黏附定量分析结合共聚焦显微镜三维重建技术，明确L. plantarum的空间分布特征；3）Fluo-4钙成像实时监测神经元Ca²⁺动态变化，并建立剂量效应曲线；4）全转录组测序（RNA-seq）分析差异表达基因（DEGs），采用PANTHER进行基因本体（GO）富集分析。

在"神经元-细菌相互作用平台"部分，共聚焦显微镜三维重建显示L. plantarum特异性黏附在神经元表面，30分钟黏附率达1.987±0.256%，抗生素处理证实细菌仅存在于胞外空间。正交投影和360°旋转可视化（

）均未发现细菌侵入现象。

"钙信号动态调控"研究发现，活菌（MOI=10）处理使神经元钙信号比率变化（RCa²⁺）显著提升至1.086±0.009（p=0.028），相当于0.03μM谷氨酸（Glu）的生理刺激强度。热灭活细菌（HKB）同样诱导反应但强度减弱（RCa²⁺=1.0309±0.0459），表明膜接触与代谢活性共同参与信号激活。

"神经可塑性蛋白表达改变"部分显示，30分钟共培养使pCREB阳性核比例从27.33%降至12.58%（p<0.0001），而突触素I（SYN I）斑点数量从24.12增至66.61个/核（p<0.0001）。MTT实验和凋亡标记CC3检测证实这些变化非细胞毒性所致（凋亡率<3.623%）。

转录组分析鉴定出384个差异表达基因（|logFC|≥0.25），其中生物电相关基因占3.08%。值得注意的是，Adm（肾上腺髓质素）基因显著上调，而电压门控钾通道Kcnal¹和氯通道Clcn¹等下调。GSVA分析显示细菌处理组钙跨膜转运通路显著激活（

）。

该研究突破性地证实了肠道细菌与中枢神经元直接互作的可行性，建立了标准化的体外研究平台。发现细菌通过双重机制（膜接触与代谢活性）调控神经元Ca²⁺信号和转录重编程，其中生物电相关基因网络的改变尤为突出。这些发现为理解微生物-神经互作提供了新视角：1）证实肠道菌群可能通过直接接触方式参与中枢调控；2）揭示生物电信号可能是跨物种通讯的"通用语言"；3）为开发基于菌株特异性的神经调控策略奠定基础。研究也存在一定局限，如使用胚胎神经元而非肠神经元，单菌株研究等，未来可通过类器官共培养、单细胞测序等技术进一步拓展。这项成果为解析肠脑轴直接通讯机制开辟了新途径，对神经退行性疾病、精神障碍等与菌群失调相关疾病的机制研究具有重要启示。