腦機(jī)接口技術(shù)正快速走向臨床，但其長期穩(wěn)定性仍面臨挑戰(zhàn)。已有研究指出，微電極植入后引發(fā)的神經(jīng)炎癥反應(yīng)可能由血腦屏障受損引起，而腸道菌群是否會(huì)通過這一通路“入侵”大腦，尚未有明確證據(jù)。近日，美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》上發(fā)表題為“Bacteria invade the brain following intracortical microelectrode implantation,inducing gut-brain axis disruption and contributing to reduced microelectrode performance”的研究，首次利用16S擴(kuò)增子測(cè)序結(jié)合空間蛋白組和電極性能評(píng)估，發(fā)現(xiàn)腸道細(xì)菌DNA可在植入后短期內(nèi)進(jìn)入腦組織，誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)并影響電極記錄信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)為理解腦機(jī)接口的失效機(jī)制提供了新的“微生物–炎癥”通路視角。

研究結(jié)果

1、微電極植入導(dǎo)致細(xì)菌DNA入侵腦組織，且群落結(jié)構(gòu)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化16S擴(kuò)增子測(cè)序顯示，未植入腦組織中幾乎無細(xì)菌序列（16S/污染序列比值極低），而4周后腦組織中該比值顯著升高，提示細(xì)菌DNA明顯增多。12周時(shí)該比值下降，說明細(xì)菌入侵具有階段性（見Fig.1C）。同時(shí)，植入組中可檢測(cè)到189個(gè)新的菌屬特征，其中101個(gè)也在糞便樣本中出現(xiàn)，提示部分細(xì)菌來源于腸道（見Fig.1D,1E）。

2、抗生素處理可降低植入相關(guān)菌群特征豐度并影響多樣性抗生素處理后腦組織中植入相關(guān)細(xì)菌顯著減少，尤其是來自腸道的序列在第4周降低27.8%。Shannon多樣性指數(shù)與ASV數(shù)量在植入早期顯著高于對(duì)照組，抗生素可有效降低其多樣性（見Fig.2B,2C）。PCoA分析中，抗生素組的腦組織樣本與背景組重疊更大，表明抗生素在一定程度上抑制了植入后細(xì)菌群落的獨(dú)特性（見Fig.2E）。

3、抗生素短期提升微電極性能，長期效果反轉(zhuǎn)電生理記錄顯示，抗生素組在急性期（0–5周）電極活性位點(diǎn)比例（AEY）顯著高于對(duì)照組（80%vs 67%，見Fig.3A–B），Vpp和spike rate指標(biāo)也顯著提高（Fig.3C–E）。但在慢性期（第12周），抗生素組AEY下降至42%，低于對(duì)照組（56%），提示長期使用或影響腦組織狀態(tài)。

4、抗生素減少炎癥相關(guān)蛋白表達(dá)，緩解早期神經(jīng)炎癥反應(yīng)空間蛋白組顯示，抗生素組在植入第4周腦組織中有28個(gè)蛋白顯著下調(diào)，涉及微膠質(zhì)細(xì)胞（如CD40、CD68）、自噬（ATG5、ULK1）及神經(jīng)健康標(biāo)志物（MAP2、NeuN）（見Fig.4）。12周時(shí)炎癥相關(guān)蛋白表達(dá)差異大幅減少，僅CD163在抗生素組中上調(diào)，提示免疫表型由促炎M1向抗炎M2轉(zhuǎn)變。

研究結(jié)論

本研究首次通過16S擴(kuò)增子測(cè)序證實(shí)，在小鼠腦內(nèi)植入微電極可導(dǎo)致大量非背景細(xì)菌DNA進(jìn)入腦組織，其中部分來源于腸道。植入相關(guān)菌群組成隨時(shí)間演變，植入初期呈現(xiàn)高豐度多樣性，長期則趨于恢復(fù)?？股靥幚盹@著削弱了這種植入誘導(dǎo)的菌群特征，短期內(nèi)有效緩解神經(jīng)炎癥反應(yīng)并提高電極記錄信號(hào)質(zhì)量，但長期則可能誘發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)功能下降。空間蛋白組與轉(zhuǎn)錄組結(jié)果揭示了抗生素通過調(diào)控炎癥信號(hào)通路、微膠質(zhì)細(xì)胞活化與神經(jīng)保護(hù)標(biāo)志物表達(dá)，影響微電極與腦組織界面的整合狀態(tài)。本研究首次從微生物–腸–腦軸視角揭示腦機(jī)接口性能下降的潛在機(jī)制，為提升植入設(shè)備長期可靠性提供了全新研究方向。