在过去几年中微生物-肠-脑（microbiome-gut-brain,MGB）轴的概念已经得到了广泛的研究和证实。肠道微生物及其代谢产物可以通过自主神经系统（如:肠神经系统和迷走神经）、神经内分泌系统、免疫系统或直接通过循环系统来影响脑。此外,关于MGB轴的科学研究提供了大量肠道微生物影响人类行为活动的证据,特别是在认知功能方面。然而,肠道微生物如何通过MGB轴来影响认知,其潜在的神经机制我们还知之甚少。在本研究中,我们收集了157例健康年轻人的粪便样本以及脑结构、功能、灌注和扩散张量成像的MRI数据。使用16S r RNA扩增测序对肠道微生物的多样性和复杂性进行了评估,并通过物种注释和功能预测量化了肠道菌群及代谢通路的相对丰度。此外,所有参与者还进行了3-back、Go/No-Go和数字广度任务以评估其包括工作记忆、行为抑制和注意力在内的认知功能。基于这些数据,我们开展了以下三项研究,以探究肠道微生物与认识关联的潜在的神经机制。一、肠道微生物-脑-认知关联的性别依赖性先前的研究表明肠道微生物和脑都具有性别二型性,然而性别如何影响肠道微生物-脑-认知的关联至今还不清楚。本研究通过脑结构、灌注、功能和扩散加权像测量了脑的灰质体积（gray matter volume,GMV）、脑血流（cerebral blood flow,CBF）、脑功能连接强度（functional connectivity strength,FCS）及脑白质完整性。之后,对肠道微生物、脑影像指标及认知表现进行了综合分析。通过相关性分析探索了肠道微生物多样性与GMV、CBF、FCS及脑白质完整性相关的性别差异,并通过中介分析进一步研究了肠道微生物-脑-认知潜在的关联。结果发现在健康男性中肠道微生物的多样性与右侧小脑Ⅵ区GMV、双侧距状沟周围皮层CBF、双侧中央旁小叶FCS呈正相关,而与左侧额上回CBF以及广泛区域的脑白质扩散率呈负相关,并且这些影像学参数介导了肠道微生物与行为抑制之间的关系。然而,在健康女性中并未发现显著的相关性。这些发现进一步证明了性别可作为肠道微生物-脑-认知关联的潜在的影响因素,揭示了以肠道菌群驱动的生物标志物及性别敏感性的干预靶点,可用于具有异常行为抑制的精神障碍患者的个性化诊疗。二、脑网络拓扑属性和脑结构-功能连接耦合介导肠道微生物-认知的关联神经影像学研究证实,脑网络在肠道微生物调节认知的过程中起到了关键的作用。然而,关于脑网络拓扑属性以及脑结构-功能连接（structural-functional connectivity,SC-FC）耦合如何影响肠道微生物-认知的关系,我们还知之甚少。本研究通过扩散张量成像和静息态f MRI数据获取了大脑的结构网络和功能网络的拓扑属性,并进一步计算了SC-FC耦合。联合肠道微生物数据和反应认知功能的3-back、Go/No-Go及数字广度任务表现,分析了肠道微生物-复杂脑网络-认知之间潜在的关联。结果表明,肠道菌群不仅可以影响脑结构网络的全局和区域拓扑属性而且还可以调节脑功能网络的节点属性。因果性中介分析进一步发现,肠道微生物多样性和肠型可以通过结构网络的小世界属性（Gamma和Sigma）以及一些功能网络的节点属性（主要分布于扣带回和颞叶）间接的影响认知表现。此外,肠道微生物还可以通过影响枕下回、梭状回和内侧额上回SC-FC耦合的程度,从而来影响认知功能。研究结果为理解认知功能障碍患者的复杂脑网络机制提供了基础,特别是关于脑网络连接如何参与肠道微生物群与认知之间的复杂交流。三、肠道拟杆菌与认知关联的代谢和神经机制微生物代谢产物为肠道和脑之间的信息交流提供了分子基础。先前广泛的研究已经建立了肠道拟杆菌与认知之间的联系,但其背后的代谢和神经机制在很大程度上仍然未知。本研究基于肠道微生物16S r RNA基因组测序,通过物种注释和功能预测量化了肠道拟杆菌及代谢通路的相对丰度,并使用独立成分分析的方法测量了大尺度脑网络内及网络间的功能连接,结合反应认知功能的行为学测评数据,来探究肠道拟杆菌-相关代谢通路-大尺度功能网络-认知之间的关系。结果显示,肠道拟杆菌与多种代谢通路有关,而相关代谢通路又与广泛的脑功能网络连接有关。因果性中介分析显示,大尺度功能网络连接介导了肠道拟杆菌相关的代谢通路和认知之间的关系。更重要的是,我们发现精氨酸和脯氨酸代谢、苯丙氨酸代谢以及不饱和脂肪酸的生物合成是肠道拟杆菌影响脑网络的关键代谢通路,而在神经网络水平上,与执行控制和感觉运动有关的一些网络内及网络间功能连接介导了认知功能的改变。研究揭示了肠道拟杆菌与认知之间存在复杂的多通路、多网络的过程,肠道拟杆菌作为靶点有可能成为认知障碍个体干预的新策略。