初探肠道菌群对导盲犬筛选及培训的影响

许 尧 张利龙 胡雨奇 龙尚琴

孙露丹 王靖宇 李 明 董建一

导盲犬是辅助视障人士出行的工作犬。目前，我国的导盲犬培训成功率低、成本高、周期长，因此，如何更有效地辅助导盲犬筛选及培训是科研工作者一直在探索的问题。导盲犬培训成功与否主要是通过动物行为学对犬的兴奋性、焦虑、应激反应和认知功能等行为和情绪进行评判。近年来的研究显示，肠道菌群是人体重要的“微生态器官”，可通过神经递质途径影响哺乳动物的行为和情绪，但目前这方面的研究较少。导盲犬肠道菌群的分析研究及干预手段可能有助于辅助导盲犬的筛选和培训。

导盲犬是一种为视障人士提供帮助的工作犬。目前主要通过动物行为学测试对犬的神经类型（如应激反应、焦虑、抑郁和认知功能等行为和情绪）进行评判达到筛选的目的，但其具有较强的主观性。肠道菌群参与了人类及哺乳动物体内多种生理过程，越来越多的研究证明，人体内存在的脑-肠轴（brain-gut axis）可能是大脑与胃肠道之间的关键调控通路，大脑可能通过免疫系统、神经系统、内分泌系统等多种途径调控胃肠功能，而肠道菌群则可能通过迷走神经、神经递质（如5-羟色胺、多巴胺）、神经营养因子（如脑源性神经营养因子）等途径影响大脑功能。有研究表明，肠道菌群可能影响人类及哺乳动物的大脑发育，肠道菌群失调可产生情感障碍、自闭症谱系障碍等疾病。因此对于导盲犬肠道菌群的研究及干预可能有助于提高导盲犬培训成功率。

一、导盲犬的应用情况和研究进展

目前，导盲犬培训成功率低（30%～40%）、培训成本高（约15万元/头）、培训周期长（约18个月）等问题导致每年培训合格的导盲犬数量稀少，难以满足我国1691万视障人士的需求。导盲犬的筛选与培训可能受到多种因素的影响，其中，犬的神经类型是影响导盲犬筛选的关键因素。同一犬种一般分为4种神经类型，即兴奋型、活泼型、安静型、弱型。合格的工作犬必须具备平和的心态、稳定的性情以及抗外界干扰能力，同时也不具有攻击性，因此安静型犬是导盲犬筛选和培训工作中的重要考察指标。Harvey N D等的数据调查和其他研究成果表明犬神经类型筛选工作中的重要参考指标应包括犬注意力分散性（distractibility）、兴奋性（excitability）、一般焦虑（general anxiety）、敏感性（sensitivity）等方面特征。

动物行为学测试是指在标准的实验条件下，利用特定刺激来引起动物的行为反应，通过对行为反应进行统计、分析、对比，评估动物的主要行为类型或特征。犬的动物行为学测试是导盲犬行为学研究中的重要工具，有利于神经类型的早期分析和筛选。广泛的实践证明，由于缺乏统一的测试标准和方法，动物行为学测试仍存在一定的主观性、局限性和未知性，其不仅受到犬的品种、性别、年龄、生理状况等诸多内在因素的作用，还会受到犬所处的生活环境、训练人员的经验、培训方法等外在因素的影响。因此，寻找客观有效的导盲犬筛选方法是世界各国导盲犬机构一直在探索的问题。

二、肠道菌群对哺乳动物行为和情绪的影响

肠道菌群与哺乳动物的中枢神经系统功能密切相关，可直接调控其行为和情绪。脑源性神经营养因子（Brain-Derived Neurotropic Factor，BDNF）是一种能刺激神经发生、调节突触形成的可塑性蛋白质，还可参与机体认知、行为和情绪等多方面的活动，在一项研究中发现，与正常小鼠相比，无菌小鼠大脑皮层和海马中BDNF表达量明显降低；而Bercik P等在研究中给肠道慢性炎症小鼠喂食双歧杆菌后，其BDNF的mRNA水平可恢复正常。利用TNBS（2,4,6-三硝基苯磺酸）诱导的结肠炎小鼠肠道菌群组的实验发现小鼠大肠杆菌（Escherichia coli，EC）丰度增加和约氏乳杆菌（Lactobacillus johnsonii，LJ）丰度减少，并伴有明显的记忆障碍。同时，研究还发现EC可损害小鼠的学习能力并导致记忆障碍，而LJ可减轻TNBS或EC处理小鼠的结肠炎和记忆障碍症状，表明肠道菌群可对哺乳动物的学习和记忆能力产生重要影响。Stilling等发现与正常小鼠相比，无菌小鼠许多重要脑生理过程如神经传递、神经元可塑性、代谢和形态发育的基因表达具有显著差异，而这些基因的表达与认知、情绪和社会行为密切相关。

另外，肠道菌群与哺乳动物精神、神经系统功能障碍关系密切，Kelly等的研究结果表明抑郁症小鼠肠道菌群在组成或多样性方面发生了明显变化；研究显示小鼠在幼年时期受到母子分离刺激，成年后其表现出的过度应激行为可能与其肠道菌群的长期改变有关；Crumeyrolle-Arias等研究发现在开放区域测试中，无菌大鼠相比于SPF（Specific pathogen Free）大鼠具有更多焦虑行为，包括潜伏时间延长、在中央区域活动的次数减少及在周边区域活动的时间增加等。研究表明服用益生菌可明显改善小鼠由慢性应激刺激引起的焦虑行为，具有积极而明确的治疗作用。

三、肠道菌群调节宿主行为和情绪的作用途径

脑-肠轴通路 脑-肠轴是大脑和胃肠道之间紧密连接的双向通路，在调节胃肠运动功能、机体应激反应及认知等方面起到了重要作用。现有的大量研究证明了肠道菌群可通过脑-肠轴如神经递质途径、免疫途径、短链脂肪酸代谢途径、microRNA代谢途径等调节哺乳动物的行为和情绪，其中神经递质途径是研究的焦点。

5-羟色胺通路 5-羟色胺（5-HT）又称血清素，是一种在哺乳动物中广泛存在的神经递质，可调节宿主认知、情绪等生理活动。已有研究证明梭菌（Clostridiales）可以调节胃肠道中的5-HT代谢，最新的研究发现自闭症谱系障碍（Autism Spectrum Disorder，ASD）小鼠肠道5-HT水平与Blautia菌属的相对丰度呈明显正相关，研究者认为Blautia菌属丰度的降低可能是ASD小鼠肠道中5-HT合成减少的主要原因。因此，5-HT通路可能是肠道菌群调节宿主行为和情绪的重要途径之一。

多巴胺通路 多巴胺是一种可由肠道菌群调控的神经递质。经卒中抑郁患者粪菌移植的大鼠普雷沃菌属（Prevotella）、颤克杆菌属（Humicola）丰度相比于正常大鼠明显降低，单胺类神经递质测定结果显示经粪菌移植的大鼠多巴胺、5-HT含量相比于正常大鼠也明显降低，表明单胺类神经递质可能参与大鼠卒中抑郁的发生发展。另有学者研究发现，三生合欢饮具有良好的抗抑郁作用，并能调节抑郁模型小鼠肠道菌群，其多巴胺含量也相应提高，提示肠道菌群可能通过多巴胺通路调节宿主的行为。

γ-氨基丁酸通路 γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）是哺乳动物中枢神经系统中的抑制性神经递质。已有研究发现，口服GABA具有缓解焦虑、改善睡眠质量、减少应激等积极作用，由此可见，GABA对脑功能和神经活动具有重要的调节作用。已知乳酸杆菌、双歧杆菌都能够参与内源性GABA的合成，肠道菌群可能通过调节GABA的产生直接作用于脑-肠轴。

四、肠道菌群分析用于导盲犬研究的潜在可能性

肠道菌群研究深入各个领域。事实上，当前对哺乳动物肠道菌群的研究主要基于无菌大鼠和小鼠模型的实验，另有学者在猪、犬等其他动物的肠道菌群研究领域也取得了一定的成果，较为准确地揭示了肠道菌群通过复杂的神经递质途径对哺乳动物的行为和情绪等方面的积极影响。然而，关于导盲犬的肠道菌群研究目前在国内外未见报道。犬的行为和情绪与其神经类型密切相关，肠道菌群可能通过神经递质途径对犬神经类型产生影响。因此，我们能够以筛选导盲犬的关键因素（神经类型）为切入点，初探肠道菌群对导盲犬筛选及培训的影响。

犬肠道菌群分析。一方面，通过DGGE、高通量测序等实验分析导盲犬与淘汰犬的肠道菌群，寻找出两组差异明显的特定菌种，可能作为神经类型筛选的微生物学指标；另一方面，通过生化检测实验分析两组5-HT、多巴胺、GABA等神经递质，若其差异与菌种差异明显相一致，则能在很大程度上证明肠道菌群对培训成功率的影响，后续实验可深入探究其具体机制和作用途径。

通过调节肠道菌群改善犬的神经类型。目前学界普遍认为膳食中合理补充益生菌和益生元是最广泛地用以辅助调节肠道微生物群的方式，益生菌治疗在改善哺乳动物焦虑、抑郁等异常行为和情绪方面具有显而易见的积极作用，因此益生菌治疗用于幼犬可能改善其肠道菌群结构和组成，调节肠道菌群失衡引起的各类胃肠道疾病与神经系统功能异常，最终使幼犬的神经类型向着有利于导盲犬培训的预期方向发展，从而有助于提高培训成功率。值得注意的是，有研究人员发现，无菌小鼠在生命早期接触肠道菌群后将与正常小鼠具有相似的行为及基因表达，而当无菌小鼠成年后再重建肠道菌群则无法改变其行为，这意味着利用调节肠道菌群的方法治疗小鼠功能障碍可能存在一段最适时间段，此结论在导盲犬中可能同样适用。

五、总结与展望

我国的导盲犬事业经历十余年的发展，现已取得了骄人的成果。但不可否认的是，相比于实际需要的巨大缺口，如何解决我国当前导盲犬培训成功率低的问题显得至关重要。虽然目前尚未有研究报道直接证明肠道菌群对导盲犬培训成功率的影响，但是基于目前的哺乳动物模型研究和临床研究结果，其结论的正确性具备有力的理论依据的支持。将肠道菌群或神经递质产物作为预测导盲犬培训成功率的双重指标，不仅操作简单易行，还可大大减少培训成本，提早淘汰有不可矫正性格和行为的犬；与此同时，利用益生菌治疗有利于维持幼犬肠道微生态平衡，改善其抑郁、焦虑、狂躁、过度兴奋等异常行为和情绪，进而有助于提高导盲犬的培训成功率，为我国广大的视障人士带去福音。目前本课题组正在开展这方面的研究。随着研究的不断深入，我们坚信未来可以寻找到更多科学严谨、实际可行的方法来帮助导盲犬事业的发展与进步。