《Gut Microbes》：Glycodeoxycholic and deoxycholic bile acids impair recognition and spatial memory in adult mice, and reduce central CREB-BDNF signaling and cytokine expression with neuroanatomical specificity
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越来越多的证据表明，胆汁酸（bile acids）传统上被认为参与消化过程，同时也影响大脑功能和记忆。本研究探讨了两种微生物来源的二级胆汁酸——脱氧胆酸（deoxycholic acid, DCA）和甘氨脱氧胆酸（glycodeoxycholic acid,
越来越多的证据表明，胆汁酸（bile acids）传统上被认为参与消化过程，同时也影响大脑功能和记忆。本研究探讨了两种微生物来源的二级胆汁酸——脱氧胆酸（deoxycholic acid, DCA）和甘氨脱氧胆酸（glycodeoxycholic acid, GDCA）对小鼠记忆的影响及其相关分子机制。研究人员每日给雄性和雌性小鼠灌胃给予DCA、GDCA或空白对照，并评估了它们的空间工作记忆和参考记忆（Y迷宫实验）以及识别记忆（新物体识别任务）。测试结束后，测定了前额叶皮层和海马体中的基因表达和信号传导活性。给药10天后，GDCA破坏了识别记忆；而摄入DCA 12天则损害了空间参考记忆。两种胆汁酸给药5天均未影响空间工作记忆。GDCA降低了前额叶皮层中NMDA受体亚基（GluN1、GluN2A）的信使核糖核酸（mRNA）及其编码蛋白的表达，以及脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）的mRNA表达，并减弱了cAMP反应元件结合蛋白（cAMP response element-binding protein, CREB）信号传导，这与观察到的识别记忆缺陷相一致。GDCA未改变编码胆汁酸受体（法尼醇X受体 farnesoid X receptor, FXR 或 Takeda G蛋白偶联受体5 Takeda G protein-coupled receptor 5, TGR5）的转录本丰度或其相应的蛋白水平。相比之下，DCA以区域特异性的方式改变了FXR和TGR5的mRNA和蛋白质，并降低了海马体中的CREB信号传导，这可能促成了空间记忆缺陷。在前额叶皮层中，DCA增加了GluA1的磷酸化，并降低了白细胞介素-1β（interleukin-1β, IL-1β）和白细胞介素-6（interleukin-6, IL-6）的表达，这可能有助于维持识别记忆。粪便样本的探索性宏基因组分析显示微生物群落无显著差异，尽管细微的非显著功能基因变化暗示了早期的适应性改变。这些发现揭示了DCA和GDCA对认知具有独特的受体和区域特异性效应，确定了胆汁酸作为微生物群-肠道-大脑通讯的调节因子。
研究背景与意义
近年来，微生物群-肠道-大脑轴（gut-brain axis）在神经退行性疾病中的作用日益受到关注。二级胆汁酸是肠道微生物通过化学修饰初级胆汁酸产生的代谢物。已有临床观察表明，循环系统中脱氧胆酸（DCA）和甘氨脱氧胆酸（GDCA）浓度的升高与阿尔茨海默病（AD）及相关认知障碍的病理生理有关。例如，血清GDCA水平与脑脊液tau蛋白浓度增加以及脑内淀粉样蛋白-β（Aβ）和tau沉积的纵向变化呈正相关。然而，DCA和GDCA导致认知损害的潜在直接神经生物学机制仍不清楚。特别是，这些胆汁酸浓度的升高是否通过直接激活大脑中的法尼醇X受体（FXR）和Takeda G蛋白偶联受体5（TGR5）而对健康的神经过程产生固有危害，目前尚无定论。此外，胆汁酸可能通过调节谷氨酸能信号传导（如NMDA受体和AMPA受体）及下游的CREB-BDNF通路来影响认知。鉴于此，英国牛津大学的研究人员开展了此项研究，旨在探讨这两种特定的二级胆汁酸如何直接影响小鼠的认知功能及相关的中枢分子机制，该研究成果发表在国际知名期刊《Gut Microbes》上。
主要关键技术方法
本研究采用了7周龄的雄性及雌性C57Bl/6小鼠作为实验对象。研究人员将小鼠随机分为三组，分别每日接受碱性水（对照组）、DCA（30 mg/kg）或GDCA（30 mg/kg）的灌胃处理。在给药期间及之后，研究人员利用新物体识别（NOR）任务评估识别记忆，利用Y迷宫实验评估空间工作记忆（自发交替）和空间参考记忆。行为学测试结束后，采集小鼠的前额叶皮层和海马体组织。随后，应用定量聚合酶链式反应（qPCR）检测组织中FXR、TGR5、NMDA受体亚基（GluN1, GluN2A, GluN2B）、脑源性神经营养因子（BDNF）及炎性细胞因子（IL-1β, IL-6, TNFα）的mRNA表达水平。同时，采用蛋白质印迹法（Western blotting）定量分析NMDA受体亚基蛋白、磷酸化CREB（pCREB）、总CREB、磷酸化GluA1（pGluA1）及总GluA1的蛋白水平。此外，利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术靶向定量血浆和脑组织中的胆汁酸浓度，并对粪便样本进行宏基因组测序以评估肠道微生物组成的变化。
研究结果
GDCA impairs recognition memory without altering locomotor activity（GDCA损害识别记忆但不改变运动活动）
通过旷场实验（Open field test）评估小鼠的运动能力，结果显示DCA或GDCA的灌胃处理并未改变小鼠在内圈或外圈的停留时间，排除了胆汁酸对小鼠基础运动能力的干扰。在新物体识别（NOR）任务中，研究人员观察到GDCA组小鼠的辨别能力（Discrimination）和辨别指数（Discrimination Index）显著低于对照组，而DCA组无显著影响。这表明GDCA特异性地损害了小鼠的识别记忆。
DCA selectively disrupts spatial reference memory in the Y-maze（DCA选择性破坏Y迷宫中的空间参考记忆）
在Y迷宫的自发交替测试中，三组小鼠的交替百分比无显著差异，说明短期（5天）的胆汁酸暴露未影响空间工作记忆。然而，在空间参考记忆测试中，DCA组小鼠在新臂（Novel arm）停留的时间百分比显著低于对照组，而GDCA组无此现象。这证明DCA特异性地损害了小鼠的空间参考记忆，且这种损害并非由于对新环境的探索次数减少所致。
DCA and GDCA reduce FXR, TGR5, NMDA receptor mRNAs and protein, and BDNF mRNA expression with regional specificity（DCA和GDCA以区域特异性方式降低FXR、TGR5、NMDA受体mRNA和蛋白质及BDNF mRNA表达）
分子生物学检测揭示了显著的脑区特异性差异。在前额叶皮层中，DCA降低了FXR的mRNA和蛋白水平，但不影响TGR5；而在海马体中，DCA显著降低了TGR5的mRNA和蛋白水平，但不影响FXR。GDCA则对这两个脑区的FXR和TGR5表达均无显著影响。在NMDA受体亚基方面，GDCA显著降低了前额叶皮层中GluN1和GluN2A的mRNA及蛋白表达，而DCA也降低了前额叶皮层中GluN2A的表达。在海马体中，两种胆汁酸均未改变NMDA受体亚基的表达。此外，GDCA降低了前额叶皮层的BDNF mRNA表达，而DCA降低了海马体的BDNF mRNA表达。
DCA and GDCA differentially affect cortical CREB and GluA1 phosphorylation（DCA和GDCA差异性地影响皮层CREB和GluA1磷酸化）
信号通路分析显示，在前额叶皮层中，GDCA显著降低了pCREB与总CREB的比值，表明CREB信号被抑制；而DCA显著增加了pGluA1与总GluA1的比值，表明AMPA受体的GluA1亚基激活增强。在海马体中，DCA显著降低了pCREB与总CREB的比值，而GDCA对此无影响。两组处理均未改变海马体中的GluA1磷酸化水平。这些结果表明，GDCA通过抑制前额叶皮层的CREB信号损害识别记忆，而DCA则可能通过增强前额叶皮层的GluA1活性来抵消其对识别记忆的负面影响。
DCA and GDCA elevate circulating bile acid levels but are undetectable in the brain（DCA和GDCA升高循环胆汁酸水平但在脑中未检测到）
靶向代谢组学分析证实，给药2小时后，小鼠血浆中的DCA和GDCA浓度显著升高。然而，在脑组织中，这两种胆汁酸的水平极低，接近检测下限。这说明虽然循环系统中的胆汁酸水平升高，但其直接进入大脑的量非常有限，暗示其认知损害作用可能是通过间接途径介导的。
Fecal microbiota composition remains stable after DCA and GDCA exposure（暴露于DCA和GDCA后粪便微生物群组成保持稳定）
宏基因组分析显示，DCA和GDCA的处理并未引起小鼠肠道微生物α多样性（如Shannon指数、Simpson指数）的显著改变，β多样性分析（PCoA）也未显示组间存在显著差异。虽然火山图分析显示某些微生物属的丰度存在名义上的差异，但这些差异在错误发现率（FDR）校正后均不显著。这表明短期胆汁酸暴露未导致肠道微生物群落结构的剧烈重组，但也观察到胆汁盐水解酶（BSH）基因丰度有变化的趋势，提示可能存在细微的功能调整。
讨论与结论
讨论部分指出，本研究首次证明了GDCA特异性损害识别记忆，且该损害与前额叶皮层中NMDA受体亚基（GluN1, GluN2A）表达下调及CREB-BDNF信号传导受损密切相关。尽管GDCA未改变FXR或TGR5的表达，但其可能直接与NMDA受体相互作用或通过下游信号间接影响受体功能。相反，DCA特异性损害空间参考记忆，这与海马体中TGR5的下调及随后的CREB信号抑制有关。值得注意的是，DCA在前额叶皮层中增强了GluA1磷酸化并降低了炎性细胞因子（IL-1β, IL-6）的表达，这可能是其未损害识别记忆的原因，体现了复杂的代偿机制。
综上所述，该研究揭示了DCA和GDCA通过不同的脑区和受体特异性机制损害认知功能。GDCA主要干扰前额叶皮层的NMDA-CREB-BDNF通路从而损害识别记忆；DCA则主要通过下调海马体TGR5-CREB信号从而损害空间参考记忆。尽管脑内直接检测到的胆汁酸浓度较低，且肠道微生物结构未发生显著改变，但这些发现仍将胆汁酸确立为微生物群-肠道-大脑通讯中的关键调节因子，为理解外周代谢紊乱如何促进年龄相关的认知衰退及神经退行性过程提供了重要的机制性见解。
