（1）调节海马神经元数目：根据功能分工不同，海马沿长轴分为腹侧和背侧，前者主要调控焦虑和应激反应，后者参与空间学习和记忆过程。近年研究表明，海马不同部位的神经发育过程可受到不同因素的调节^[11]。Ogbonnaya等^[12]研究发现无菌小鼠背侧海马神经元的增殖水平比正常菌群定植的对照组小鼠升高，提示肠道菌群对神经元细胞的形成及神经发生育过程存在一定的调控作用。当无菌小鼠断奶后使其肠道菌群与对照组相同时，其神经元数目并未减少，提示小鼠生后至断奶前（生后3周内）是肠道菌群影响脑发育的关键时期，如错过该时期可能对神经发育过程产生不可逆的影响。（2）调节杏仁核神经元形态：杏仁核结构和功能改变与一系列神经心理疾病相关，包括ASD和焦虑症等^[13]。Luczynski等^[13]研究发现无菌小鼠杏仁核整体体积较对照组增大，基底外侧杏仁核中神经元突触的形态改变，树突变肥大，细树突棘、短粗树突棘和伞状树突棘的数量及密度增加，提示肠道正常菌群对杏仁核形态的发育必不可少。（3）调节白质发育：白质发育如前额皮质（prefrontal cortex，PFC）髓鞘形成也受肠道菌群的调节。PFC在恐惧和焦虑等情绪过程中发挥着重要作用，参与调节下丘脑-垂体-肾上腺（hypothalamus- pituitary-adrenal，HPA）轴功能，并与杏仁核共同构成情绪调控的神经回路^[14]。脑发育关键时期PFC髓鞘形成的可塑性极强，易受外界因素影响。Hoban等^[14]研究发现无菌小鼠PFC中出现过度髓鞘化现象，髓鞘厚度增加，与髓鞘形成相关的基因表达也出现了上调。这种现象只局限于PFC中而未见于其他区域，提示肠道菌群对不同脑区域发育的影响可能不尽相同。（4）调节血脑屏障发育：Braniste等^[15]研究显示无菌小鼠血脑屏障的发育从胚胎早期即开始，生后早期发育成熟，为神经发育和分化提供了适宜而稳定的微环境。与正常菌群母鼠的后代相比，无菌母鼠的后代胎儿期血脑屏障通透性增加，并且生后乃至成年期仍无改善，可能与闭锁蛋白及密封蛋白5等紧密连接蛋白表达水平降低有关。

（1）调节神经营养因子表达：神经营养因子在神经发生、脑区域关联、维持神经元可塑性及突触完整性中起重要作用，对神经元生长和生存尤为重要，其中脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是哺乳动物中枢神经系统中最主要的神经营养因子^[16]。Sudo等^[17]研究发现BDNF在无菌小鼠脑组织中的表达水平较对照组降低。而另一项研究显示，植物乳杆菌、瑞士乳杆菌、长双歧杆菌和丁酸梭菌等益生菌可增加小鼠下丘脑及其他脑组织中BDNF的表达水平^[10]。（2）调节脑脂肪酸含量：脑花生四烯酸和二十二碳六烯酸等多不饱和脂肪酸在脑发育过程中也发挥着重要作用，可促进神经发生、调节神经传递、减轻氧化应激反应，并影响情绪、学习和记忆功能^[1]。Wall等^[18]研究发现短双歧杆菌可增加小鼠脑花生四烯酸和二十二碳六烯酸的含量，但这种作用仅限于短双歧杆菌NCIMB 702258株，未见于短双歧杆菌菌株DPC 6330株，提示该作用依赖于特定的菌株。

正常的HPA轴对压力调节能力、情绪稳定性、学习和记忆能力等形成与提高至关重要。胎儿期或生后早期的慢性应激可能会影响HPA轴的建立和功能调节，从而导致糖皮质激素的过度分泌。过多的糖皮质激素影响神经元、髓鞘、神经胶质细胞的成熟，抑制突触形成，对脑发育造成不良影响^[19]。

Sudo等^[17]研究无菌小鼠暴露于一定的约束应激（活动范围限制于50 ml锥形筒中）时较正常菌群小鼠产生了更强烈的应激反应，促肾上腺素水平及糖皮质激素水平均显著升高，提示无菌小鼠HPA轴的调节能力受到影响。将对照组小鼠的粪便移植到无菌小鼠肠道后，其应激反应强度有所减轻，说明以益生菌为主的肠道菌群参与了HPA轴的调控作用，并且移植时间越早，应激反应越接近对照组水平。

现有研究发现应用益生菌可降低小鼠血清糖皮质激素和（或）促肾上腺皮质激素的水平，如Liu等^[20]将实验组小鼠于生后第2~14天与母亲每天隔离3 h，建立小鼠的早期应激模型，并于小鼠生后29 d起连续4周灌胃给予植物乳杆菌。结果显示，与对照组小鼠相比，实验组小鼠血清中基础糖皮质激素水平显著升高，但此效应可一定程度被植物乳杆菌逆转，使其糖皮质激素水平降低至接近非应激小鼠的水平。目前研究发现能够降低小鼠血清糖皮质激素水平的益生菌还包括瑞士乳杆菌、发酵乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和干酪乳杆菌代田株^[10]。除了对糖皮质激素的影响，瑞士乳杆菌还可降低小鼠血清促肾上腺皮质激素的水平^[10]。不仅如此，研究还发现发酵乳杆菌可增加小鼠下丘脑内盐皮质激素受体的数目，改善小鼠情绪并提升空间记忆能力^[10]。

5-羟色胺（5-hydroxy-tryptamine，5-HT）系统参与神经发生、细胞迁移、轴突导向、树突形成及突触形成等脑发育过程，其在生后脑发育关键时期表达与调节紊乱可能增加成年后焦虑、抑郁等相关疾病的患病风险^[21]。Clarke等^[22]研究发现无菌小鼠海马中5-HT及其代谢产物，以及前体物质色氨酸水平均较正常菌群定植的对照组小鼠升高，提示肠道菌群可能通过调节5-HT代谢影响脑发育。小鼠断奶后正常菌群的恢复虽然可使外周色氨酸降至对照组水平，脑组织内5-HT水平却无法恢复，提示已产生不可逆的神经化学效应。但上述无菌环境对神经化学环境的改变仅见于雄性小鼠，更加证明肠道菌群对于脑发育的影响机制十分复杂并受多种因素的影响。

γ-氨基丁酸（gamma-Aminobutyric acid，GABA）是中枢神经系统主要的抑制性神经递质，参与调节多种生理、心理过程，其受体表达失衡可能导致焦虑和抑郁^[23]。Bravo等^[24]研究发现鼠李糖乳杆菌可调节小鼠GABAA和GABAB受体的表达，并于不同脑区域呈现不同的变化趋势和水平，饮食中加入鼠李糖乳杆菌的小鼠较对照组焦虑或抑郁情绪减轻。但这些抗焦虑和抗抑郁作用在切除迷走神经之后即消失，提示鼠李糖乳杆菌对于中枢神经系统的影响依赖于迷走神经的传导。表现出迷走神经依赖性的益生菌还有长双歧杆菌，为了进一步明确长双歧杆菌是否通过肠神经系统参与肠-脑轴的调节，Bercik等^[25]将小鼠的肠神经浸润于长双歧杆菌的发酵产物之中，发现肠神经元受到刺激后的动作电位较对照组出现显著改变，提示长双歧杆菌的代谢产物可能直接改变肠神经元的激动性，参与肠-脑轴的调节。该实验并未观察到脑组织中BDNF水平的变化，提示上述长双歧杆菌增加BDNF表达水平的机制可能不直接依赖于其代谢产物的作用，而与细菌本身作用相关。

在另一项应用早期应激小鼠模型的研究中，Desbonnet等^[26]发现生后早期与母亲隔离的小鼠成年（2~4月龄）后表现出情绪和行为异常，同时伴有血白细胞介素6水平升高，而白细胞介素6已被证实在抑郁症的发病中起一定作用^[27]。但在50日龄时持续予以婴儿双歧杆菌口服的小鼠则没有出现明显的情绪行为异常和白细胞介素6水平的变化，提示对于该因子的调节作用可能是益生菌影响情绪行为的机制之一。

益生菌不仅可以对外周的免疫反应进行调控，Thion等^[28]最近的一项研究还发现肠道菌群可以影响脑中小胶质细胞的数量及形态。小胶质细胞在中枢神经系统中起着类似于巨噬细胞的作用，是脑中的重要免疫防线，并在脑发育和脑功能维持中发挥着重要作用。Thion等^[28]研究发现无菌小鼠胚胎期脑内的小胶质细胞数量较对照组增加，细胞形态上也出现了更多的分枝。研究还发现，肠道菌群对于小胶质细胞的影响与发育不同阶段和性别均有关系。雄性无菌小鼠在胚胎期脑内小胶质细胞数目增加较雌性小鼠更为明显，而雌性无菌小鼠成年后脑内小胶质细胞较雄性小鼠增殖更为显著。但不论性别或发育阶段，无菌小鼠小胶质细胞的免疫相关基因表达水平均与对照组有所不同，提示肠道菌群对脑内正常免疫功能的建立起重要作用。