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Dantas_2022_Effects_Probiotics_Risk_Time

更新于 2026/7/5

The effects of probiotics on risk and time preferences

Dantas et al. (2022), Scientific Reports

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摘要

Animal models, human neuroimaging and lesion studies revealed that the gut microbiota can influence the interaction between the central and the enteric nervous systems via the gut–brain axis (GBA) and can affect brain regions linked to basic emotional and cognitive processes. The role of the gut microbiota in decision-making in healthy humans thus far remains largely unknown. Our study establishes a functional relationship between the gut microbiota and healthy humans’ decisions that involve risk and time. We conducted a between subjects’ placebo-controlled double-blinded design, with two groups and two sessions separated by 28 days, during which participants received daily doses of probiotics or a placebo. We investigated whether the prolonged and controlled intake of probiotics affects risk-taking behavior and intertemporal choices using incentivized economic tasks. We found a significant decrease in risk-taking behavior and an increase in future-oriented choices in the probiotics group as compared to the placebo group. These findings provide the first direct experimental evidence suggesting a potential functional role on the part of the microbiota-gut-brain axis in decision-making, creating a path for potential clinical applications and allowing for a better understanding of the underlying neural mechanisms of risk-taking behavior and intertemporal choices.

一句话总结

本研究通过双盲安慰剂对照实验，首次证明健康人群连续28天服用益生菌可显著降低风险承担行为并增加未来导向的跨期选择，为微生物-肠-脑轴影响经济决策提供了直接因果证据。

研究问题

肠道微生物群的变化（通过益生菌干预）是否会因果性地影响健康人类的风险偏好和时间偏好？

核心贡献

  1. 首次建立因果关系：此前研究仅在动物模型或fMRI层面探讨肠-脑轴与认知的关联，本文是首个用激励相容的经济任务直接检验益生菌对人类风险和跨期决策影响的实验。
  2. 方法论创新：开发了Maastricht Gambling Task (MGT) 和 Maastricht Choice Game (MCG) 两个激励相容任务，分别测量风险态度和跨期偏好。
  3. 临床启示：为益生菌在ADHD、成瘾、抑郁等异常风险行为人群中的治疗应用开辟了方向。

维度1：实验设计分析

实验总体架构

  • 设计类型：被试间（between-subjects）、安慰剂对照、双盲实验
  • 两组：益生菌组（n=29）vs. 安慰剂组（n=28），性别均衡
  • 两个实验Session，间隔28天（±1天）

被试完整体验时间线

招募与筛选阶段：

  • 通过校园海报和社交媒体招募72名被试
  • 筛选条件：健康成年人、右利手、无心理/精神/胃肠疾病、无药物使用（避孕药除外）、视力正常
  • 最终57人完成实验（12人因COVID-19退出，3人未遵守协议被排除）
  • 平均年龄23.4岁（SD=4），29名女性

Session 1（第1天）：

  1. 来到实验室，签署知情同意书
  2. 通过Qualtrics填写问卷：
    • 饮食、唤醒度（arousal）、自控力、情绪检查
    • Global Preference Survey (GPS)——估计风险和时间偏好基线
    • Brief Self-Control Scale (BSCS)
    • Self-Assessment Manikin (SAM)
    • 简短饮食评估
  3. 完成两个计算机任务（顺序随机化）：
    • Maastricht Gambling Task (MGT)——测量风险承担行为（250个试次）
    • Maastricht Choice Game (MCG)——测量跨期选择（240个试次，5个block×48试次）
  4. 每个任务前有10个练习试次
  5. 任务完成后，用在线随机数生成器各选一个试次确定支付
  6. 领取第一剂益生菌/安慰剂 + 装有29剂的盒子（独立小袋装）
  7. 被告知：每天服用一剂，不改变饮食习惯，不服用其他益生菌或抗生素

干预期（第2-29天）：

  • 每天服用一剂益生菌（Ecologic®Barrier，含2g冻干粉，含多种双歧杆菌和乳酸菌菌株）或安慰剂（玉米淀粉基，外观和味道与益生菌相同）
  • 每天收到邮件提醒服药
  • 限制：实验前一天和实验期间每天不超过两单位酒精，不使用任何药物

Session 2（第30天±1天）：

  1. 在实验室服用最后一剂（第30剂）
  2. 完成依从性检查（报告是否漏服，漏服≥3次者被排除）
  3. 填写问卷（与Session 1相同，但不再做GPS）
  4. 完成MGT和MCG任务（与Session 1相同程序）
  5. 汇报实验（Debriefing）

支付方式：

  • 每次Session后分两部分支付：
    • MGT：随机选择一个试次，以代金券形式在Session 2结束时发放
    • MCG：随机选择一个试次，按该试次指定日期通过银行转账支付（可能是即时或35天后）
  • 参与费：€7.5/小时

维度2：理论模型

风险偏好测量（MGT）

  • 基于Risk Task / Cambridge Gambling Task改良
  • 6个彩色盒子（粉色1-5个，其余蓝色），被试猜测代币藏在哪种颜色的盒子中
  • 关键设计特点：只赢不亏（正分或零分），控制了损失厌恶；独立试次，控制了记忆效应；所有概率和支付组合完全透明

跨期偏好测量（MCG）

  • 基于Andreoni & Sprenger (2012) 的凸时间预算法（Convex Time Budget, CTB）
  • 每个试次：被试获得100个代币，在较早日期（t）和较晚日期（t+k）之间分配
  • 较早日期：即时（0天）或35天后
  • 延迟k：35、72或90天
  • 折扣因子：20个水平（0.50-0.99）
  • 120种独特组合 × 2 = 240个试次

效用函数

Max_{x_t} U(x_t) = x_t^{\alpha} + \beta \delta^k (x_{t+k})^{\alpha}
  • α：风险态度参数（0 < α ≤ 1，α=1为风险中性）
  • β：现在偏误参数（β < 1为现在偏误，β > 1为未来偏误）
  • δ：时间折扣参数（0 < δ ≤ 1）
  • 采用双限Tobit极大似然回归估计α、β、δ

统计分析

  • 线性混合模型（LMM），REML估计
  • 固定效应：group、time、group×time交互项
  • 随机效应：被试和试次
  • 核心关注：group×time交互项（益生菌干预的因果效应）

维度3：核心发现

风险承担行为

  • group×time交互效应显著为负：beta = −0.42, SE = 0.16, t(14,118) = −2.67, p = 0.008
  • 益生菌组在Session 2的风险承担显著低于安慰剂组
  • 效应量为中等（beta = −0.50, SE = 0.16, p < 0.01）
  • 两组在Session 1无显著差异（p = 0.922）
  • 两组从Session 1到Session 2均有风险承担增加的趋势（beta = 0.42, p < 0.001），但益生菌组增幅显著更小
  • 控制被试间支付差异（MCG即时支付和参与费）后，结果依然稳健

跨期选择——现在偏误（β）

  • group×time交互效应显著为正：t(13,216) = 12.028, p < 0.001
  • 益生菌组的β值显著增加至>1（未来偏误），即更倾向于未来导向的选择
  • 有趣的是，两组基线β均已>1（平均β ≈ 1.01），表现出未来偏误而非现在偏误

跨期选择——时间折扣（δ）

  • group×time交互效应显著为负：beta = −0.01, SE = 0.01, t(13,261) = −4.911, p < 0.001
  • 益生菌组的时间折扣显著减少（更耐心）
  • Session效应显著（beta = 0.03, p < 0.001），两组δ均从Session 1到Session 2增加

控制变量

  • 情绪（p = 0.17）、自控力（p = 0.49）、唤醒度（p = 0.72）、饮食（p = 0.48）均无显著的group×time效应
  • 饮食在两个时间点间无显著变化（p = 0.92）
  • GPS与任务测量存在小但显著的相关性

维度4：变量概览

观测变量（因变量）

变量 测量工具 说明
风险承担行为 MGT (250试次/session) 选择风险选项的程度
现在偏误 β MCG + Tobit MLE β<1现在偏误，β>1未来偏误
时间折扣 δ MCG + Tobit MLE δ越小折扣越大（越不耐心）
风险态度 α MCG + Tobit MLE α<1风险厌恶，α=1风险中性

Treatment变量

变量 操纵方式
Group 益生菌 vs. 安慰剂（被试间，双盲随机分配）
Time Session 1 vs. Session 2（被试内，间隔28天）

控制变量

变量 测量工具
情绪 问卷
唤醒度 Self-Assessment Manikin (SAM)
自控力 Brief Self-Control Scale (BSCS)
饮食变化 简短饮食评估
风险与时间偏好基线 Global Preference Survey (GPS)
支付金额 MCG即时支付 + 参与费（作为house money效应控制）

维度5：局限性

  1. 无肠道微生物组直接测量：未采集粪便样本验证益生菌是否确实改变了肠道菌群组成，因果链中"益生菌→菌群变化"这一环节未被直接验证
  2. 无代谢指标测量：未评估益生菌摄入后可能的代谢变化
  3. 依从性依赖自我报告：被试口头确认是否遵守协议，并在Session 2完成检查，但缺乏客观测量
  4. 样本量有限：最终n=57（每组约28-29人），统计功效可能不足以检测较小的效应
  5. 未来偏误的解释：被试基线即表现出未来偏误（β>1），可能与支付金额较小有关，使得"等待"的心理成本较低
  6. house money效应：Session间的支付可能影响了Session 2的风险行为，尽管作者控制了这一因素
  7. 机制不明：无法区分迷走神经通路与神经递质产生通路的相对贡献

维度6：与其他文献的关系

肠-脑轴基础研究

  • O'Mahony_2015_Serotonin_Tryptophan_Microbiome：色氨酸代谢与肠-脑-微生物轴
  • Carabotti_2015_Gut_Brain_Axis：肠道-大脑轴的交互作用
  • Dinan_2015_Collective_Unconscious_Microbes：肠道微生物如何塑造人类行为

动物模型

  • Bercik_2011_Intestinal_Microbiota_Brain：肠道微生物影响小鼠大脑神经营养因子和行为
  • Tillmann_2019_Probiotics_Risk_Taking：益生菌降低大鼠高架十字迷宫中的风险承担行为
  • Bravo_2011_Lactobacillus_GABA_Vagus：乳酸菌通过迷走神经调节情绪行为和GABA受体表达

人类益生菌研究

  • Bagga_2019_Probiotic_Functional_Connectivity：4周多菌株益生菌改变健康人静息态功能连接
  • Messaoudi_2011_Probiotic_Psychological_Effects：益生菌对健康人心理效应
  • Bagga_2018_Probiotics_Gut_Microbiome_Signatures：益生菌驱动肠道微生物组的情绪脑特征变化

决策神经科学

  • Andreoni_2012_Convex_Time_Budgets：凸时间预算法（MCG的理论基础）
  • Falk_2018_Global_Preferences_Survey：全球偏好调查（GPS，本文用于基线测量）
  • Rudorf_2014_DLPFC_VMPFC_Goal_Directed：DLPFC和VMPFC在目标导向选择中的作用
  • Clark_2017_Insular_Ventromedial_Prefrontal_Risk：岛叶和腹内侧前额叶损伤对风险决策的差异效应

临床相关

  • Roman_2018_Probiotics_Cognitive_Emotional_Fibromyalgia：益生菌对纤维肌痛患者认知和情绪的影响
  • Pollak_2019_Risk_Taking_ADHD：ADHD中的风险承担行为综述

维度7：可拓展的研究方向

  1. 加入肠道菌群测序：在干预前后采集粪便样本，通过16S rRNA或宏基因组测序验证菌群变化，建立完整因果链
  2. 脑成像结合：在Session 1和Session 2加入fMRI扫描，直接观察益生菌干预后DLPFC、VMPFC、岛叶等决策相关脑区的活动变化
  3. 临床人群推广：将实验范式应用于ADHD、成瘾、抑郁等表现异常风险行为的临床人群
  4. 剂量-效应关系：探索不同益生菌剂量或不同菌株组合对决策的差异效应
  5. 长期效应追踪：停止服用益生菌后效应是否持续？加入Session 3（如停药后4周）
  6. 营养-决策交互：结合饮食质量变量，研究饮食贫乏人群（如低收入群体）中益生菌对财务决策的影响（与Mani_2013_Poverty_Cognitive_Function的联系）
  7. 机制区分：通过迷走神经切断术对照（动物模型）或迷走神经刺激（人类），区分迷走神经通路与神经递质通路的贡献
  8. 社会偏好维度：益生菌是否也影响信任、合作、利他等社会决策？

关键结论

本研究提供了首个直接实验证据，表明通过益生菌改变肠道微生物组成可以因果性地影响健康人的经济决策：（1）显著降低风险承担行为（更风险厌恶）；（2）显著增加未来导向的跨期选择（更高的未来偏误和更低的时间折扣）。这些发现揭示了微生物-肠-脑轴在人类决策中的功能性角色，突破了传统神经经济学模型仅关注中枢神经系统的局限，为理解风险和跨期决策的生物学基础开辟了全新视角，也为益生菌在异常决策行为人群中的临床应用提供了理论依据。