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最近，科学界对于身体和健康，回归了一种新的认识，并得出截然不同的结论。这一观点解释了身体系统的复杂性、交流性和相互关联性，也阐明了在过去75年里以惊人速度出现的那么多看似不相干的疾病是如何相互联系的。
我将这种新的整体观看作是对以往思维方式的回归。身体各系统之间相互联系的概念可以在5 000年前印度阿育吠陀医学文献中找到。这个概念也被中国传统中医和欧洲的希波克拉底医学（基于希腊自然哲学）所接受。在古代，人们认识到，我们的健康是由思想、器官、精神、环境甚至宇宙之间的复杂关系所决定的
。更简明地说，正如希腊哲学家亚里士多德在2 000多年前所写的那样：“整体大于部分之和。”
然而，这种信念在17世纪开始改变，当时法国哲学家勒内·笛卡尔在他的哲学和自传体论文《谈谈能够正确引导自身理性以及在各门学科中探求真理的方法》
中引入了还原论的原则。这就是他的“我思故我在”这句名言的由来。笛卡尔在还原论中提出，对于复杂的局面我们应该通过解剖的方法来分析，先把它们分成可控制的几个部分，然后再根据各个部分的表现对整体进行重新评估
。
后来，当笛卡尔提出身心二元论（将身体和大脑视为完全独立的实体）时，他把还原论应用于人的身体上了
。为了调和身心冲突，他建议医生和科学家只关注身体，而大脑和心灵则应该归属教会管辖。笛卡尔的观点不仅改变了哲学，也改变了生物学。医学界采用了还原论和二元论，医生开始以人体是由离散的各个部分组成的，每个部分都单独发挥着作用为前提对人的身体进行诊断和治疗。医生开始相信，每一种生物都是如同钟表齿轮一样的机械装置组成，其运转是有规律、可预测的。尽管走了几百年漫长的弯路，科学（不仅仅是医学）正在慢慢回归于古代智慧的传统观念，那就是人体不仅仅由各个相互关联的系统构成，还包含着这些系统之间复杂的相互作用。
当然，现在我们对支撑这些关联的生理机制有了更深入的理解。将网络科学引入生物学，是将我们的视角从孤立转向统一最重要的原因之一，同时也通过科学的佐证向统一推进
。网络科学利用图论
、统计力学和数据挖掘
等方法，研究复杂网络中单个要素之间的相互作用，用以创建预测模型。网络科学自20世纪30年代开发以来，从社会科学到生态学再到全球经济，在各个科学领域迅速发展并扩展。因此，我们现在将许多看似无关的因素，视为紧密相连的部分组成的系统集合，这些部分具有可预测的方式，但往往不可预测整体的结果。
“思考一下，个人、股市、基因、神经元和细胞中的分子，这些要素的互动才是最重要的。”我的朋友兼同事、印第安纳大学心理学和脑科学教务长、印第安纳大学网络科学研究所的联合所长奥拉夫·斯波恩斯说：“我们需要一门科学来处理这类复杂的系统，并将其转化为数学形式，与计算方法相结合。这就是网络科学。”
虽然网络科学几十年来一直应用于自然、社会和技术系统，但近年来它也开始被应用于复杂的生物学系统，使我们能够将人体视为通过数学排序设计的、相互联系的，并且错综复杂的地图。
与此同时，一种被称为系统生物学的方法也受到关注，这种方法最初是在20世纪50年代发展起来，大约在20年前完全适用于现代生物学。最初，这种方法与绘制人类基因组图谱有关，许多人相信，这一努力将很快给医学带来革命性的变化。当时，比尔·克林顿将人类遗传密码称为“上帝创造生命的语言”。遗憾的是，在耗资数十亿美元之后，人类基因组计划还没有为最常见的疾病提供实用的诊断和治疗方法。不过，系统生物学在医学领域获得了发展，尤其是在微生物组学中，它提供了一种更复杂的理论和计算方法，能够利用超级计算机的指数级增长来处理巨大的生物数据集。因此，科学家试图通过将不同类型的细胞、分子和微生物视为一个完整的系统来理解身体和大脑之间的相互作用。
系统生物学推动了科学研究的范式转变，从专业化转向相互联系。系统生物学中的每个领域都加有组（-ome）和组学（-omics）这两个词根后缀，基因组学是第一个带着这种后缀的新领域。从那时起，被我称之为“组学革命”的各种新领域层出不穷。表观基因组学研究环境对我们所有基因的影响，以改变遗传基因的表达（表观遗传学则研究环境对特定基因的影响）
；转录组学研究的是对分子合成很重要的有关基因表达的一组RNA分子；代谢组学研究基因表达产生的大量信号分子
；蛋白质组学分析由特定细胞或有机体表达的整套蛋白质
；微生物组学研究生活在肠道中的一整套微生物及其基因组成
。古代传统智慧基于几百年敏锐观察所理解的内容，被后来的系统生物学通过数据计算重新发现了。这些领域中的每一个都与其他领域存在互动并且相互调整，在人体内创建了一个庞大的、相互依存的、多重尺度的网络系统。
最近，系统生物学已经应用于我们身体中两个最复杂的系统，即大脑连接组
和肠道连接组。奥拉夫·斯波恩斯在大脑连接组学这个领域做出了巨大贡献，他绘制了大脑内的整套连接网络
，这是一个由数十亿神经元和数万亿突触相互连接组成的错综复杂网络，这些突触如果按照纤维结点首尾相连，长度可以达到地月距离
的一半。通过对这些系统进行数学分析，斯波恩斯能够绘制出大脑内部的连接图，从而对大脑结构和功能产生完全不同的理解，对脑部疾病的特征进行描述。在脑—肠轴的肠道端，杜克大学肠道神经生物学家、医学教授罗杰·利德尔于2015年提出了“肠道连接组”的概念
。
利德尔提出的网络系统主要是由肠道神经系统的神经细胞所组成，它可以独立于中枢神经系统之外，直接控制一系列胃肠道进程，因此通常被称为肠道中的“第二大脑”。这其中还包括其他类型的神经细胞、支持细胞（统称为神经胶质细胞）和含有激素的细胞。我建议扩大这个网络系统，目的在于涵盖肠道免疫系统与肠道中各种其他细胞之间复杂的相互作用，以及这种互动交流在健康中发挥的关键作用。因此，肠道连接组（或者简称为肠道，我会在本文中交替提及）不仅包括肠道的神经系统，还包括它的内分泌和免疫系统，这些系统共同调节新陈代谢和食物摄入，保护身体免受病原体的侵袭。请注意，当我提到“肠道连接组”或“肠道”时，我指的是具体的器官；而当我提到“肠道微生物组”时，我指的是生活在肠道中数万亿的微生物。
从系统生物学的角度来看，肠道及肠道菌群是理解当前公共健康危机中那些疾病的关键，因为科学证据表明，肠道是连接人体各种器官系统网络交流的中心环节。为了解释肠道是如何作为这一关键环节而发挥作用的，让我退一步更详细地描述一下网络科学。在这门学科的术语中，复杂网络是根据节点（网络中的单个元素）和边（节点之间的连接或路径）来描述的。
我们可以用一个更简单的比喻来理解：有一句俗语是“条条大路通罗马”。在古罗马帝国，所有的道路（边）最终都通向罗马，罗马是这个特定网络中最重要的节点。与现代大城市一样，罗马的独特之处不仅在于它的物理联系，还在于其对整个国家的影响，或者用网络科学家的话说，就是它的中心性。对中心性的判定标准表明了节点对大型网络中通信和信息流影响的重要性。另外两个术语描述了每个节点最基本的属性：节点度，指的是与该节点连接的边数；节点强度，指的是节点在网络中的总参与度。罗马在古代帝国中扮演着如此关键的角色，它与其他节点（城市）之间有如此之多的连接，这也意味着罗马是这个网络中的枢纽
。
现在试想一下你的身体，作为一个网络，所有的器官都是网络中的节点。对于整体功能而言，有些器官比其他器官更重要，那这些器官就是枢纽。这些连接节点的路径或边是生物系统相互交流的不同方式。其中一些路径是硬连接的，如神经束和血管系统；而另一些则是高度动态的交流系统，包括循环免疫细胞，无数循环分子（激素、炎症分子、代谢物），甚至血液细胞。
网络科学最引人注目的一个观念就是系统的可扩展性，这意味着即使网络由基因、分子、细胞、器官甚至是人体等不同的独立实体组成，但网络的基本属性、行为和反应也是由相同的数学规则所决定的。从基因和分子网络到人的社会网络，所有这些都是以相互关联的方式进行运作的。从最基本的生物交换到最复杂的社会系统，再从最复杂的社会系统交换到最基本的生物交换，相互作用在不同层次上来回发生。例如，饮食引起肠道菌群网络的改变可以影响到大脑网络，导致在社交互动中的行为改变，然后再次影响大脑网络，最终导致肠道菌群中基因表达水平发生更多变化。
随之而来的是，我们身体的各个系统，从小到大，从肠道连接组到大脑连接组再到脑—体网络，不仅相互之间保持着持续的交流，而且还在不断地相互影响。与其他器官有着更多联系的器官则成了枢纽，每个枢纽都由一个“小世界网络”组成，直接连接这些器官和所有其他器官。器官网络的结构（节点的连通性和边的数量）受到不同规模的其他网络的影响，比如我们个体的基因网络。
尽管这种新的人体整体观的研究仍然在发展之中，但是在我看来，大脑和肠道毫无疑问是人体器官网络中最重要的枢纽，这是两个可以双向传输信息的器官，是用粗壮的神经电缆和血管中循环的无数细胞信号分子连接起来的。这两个主要枢纽发生的变化会造成全身的连锁反应。这里有一个在外部世界网络如何运作的例子：芝加哥的暴风雪扰乱了作为网络枢纽的奥黑尔机场。国际航班被取消，然后国内航班被取消，最终人们被困。枢纽中断造成的连锁反应最终会中断甚至关闭整个网络。
今天，我们已经看到“现代生活方式”这场“暴风雪”所造成的影响，它破坏了我们的脑—体网络的中心枢纽，同样中断或关闭了必不可少的互动。根据越来越多的科学证据，我认为脑—体网络的改变就是导致我们健康危机中那些疾病的病因。这些改变之所以会发生，是因为自工业化开始以来，我们的身体系统一直在面临挑战，并且在过去的75年里，这些挑战还在大幅度加剧。这些挑战包括污染的空气、土壤和水，接触有毒化学物品，城市化，滥用抗生素和其他药物，慢性应激，最重要的是越来越不健康的饮食。所有这些都会影响我们的肠道菌群，从而影响到我们的整体健康。
这些干扰深刻地改变了肠道菌群和肠道连接组之间那古老且有益的关系
。通常，这两者之间的相互作用允许有一定程度的不匹配和中断。也就是说，两者可以合作应对一系列挑战，如轻度感染、短期使用抗生素、饮食的逐步改变。对于周围不断变化的环境，肠道菌群比身体其他部分更能灵活地适应，但是现代生活方式带来的持续压力使得肠道菌群无法与肠道的生理变化保持同步。这种日益严重的不匹配已经对肠道及其菌群之间长期存在的共生关系造成了威胁
。
这些长期干扰也改变了“边”，也就是连接器官或节点的路径。它们改变了人体复杂的分子语言，以及肠道菌群的代谢产物。器官之间相互交流的改变，尤其是大脑、肝脏、心脏和肠道之间的串扰，严重损害了这些器官的功能。其结果是整个脑—体网络在结构和功能上的重塑
，在我看来，这解释了近几十年来各种疾病发病率的同时升高。如果我们要在最紧急的公共卫生问题上取得进展，就必须首先解决肠道、免疫系统、肠道菌群之间的关键相互作用出现日益严重的不匹配问题。
我之所以将肠道放在脑—体网络中比其他重要器官（如肾脏、心脏和肺部）更突出的位置，除了作为一名胃肠学家，我职业生涯的大部分时间都用于研究和治疗与肠道有关的疾病外，还有很多其他原因。大脑和肠道之间的双向交流，乍一看似乎是违反直觉的，但是实际上在进化史中已经奠定了深厚的基础，而且证据也越来越充分。这种双向交流可以追溯到大约6亿年前，当时地球的海洋中出现了最早的多细胞生物。这些被称为水螅的微小动物，似乎只不过是漂浮的消化管，周围包裹着神经网。它们早期的肠道神经系统，在专业上可以被认为是第一大脑，唯一功能是确保原始肠道的正常运作，食物从一端（口腔）通过管道输送，再提取营养物质并分配到身体的其他部位（主要是触须），然后在另一端排出残渣。令人惊讶的是，这条最早的肠道结构，由于神经细胞和平滑肌细胞之间的紧密联系，在数亿年的进化过程中一直得以保留，几乎地球上所有动物都共享这种结构，从蜜蜂到鱼到大象，再到人类。
大约在5亿年前，当一些来自海洋的微生物决定在这些原始肠道内定居并与第一个大脑的神经细胞形成了密切的交流互动之后，肠道内的交流变得更加复杂了。随着进化的发展，这种原始的肠道连接组的独特设计在很大程度上被保存了下来，而动物逐渐发展出第二个大脑——我们今天称之为大脑或中枢神经系统（CNS）。第一个大脑开发的信号分子随后被整合到这个新的大脑之中，在大脑、肠道及其微生物之间创造了一种共同的语言。这成了肠—脑网络中独特互动的基础，这种互动至今仍在发挥作用。其中一些相互作用在肠道连接组内形成了一个小世界网络，主要与肠道的最佳功能有关（包括肠蠕动、分泌、血液流动、感知食物）。但是现在，这个小世界网络也通过远程连接与大脑相连，通过这种连接，中枢神经系统密切监控肠道连接组的活动，并将其与身体的整体需求进行协调。这种双向交流告诉我们什么时候饥饿或饱足，并且在调节我们的情绪和幸福感方面起重要作用。
最早的肠道和神经系统是如此紧密地交织在水螅的体内，就好像是一个整体，在后来的动物进化过程中，两者一直保留着这种深刻的联系，即使随着进化它们在体内相距得越来越远。我们的其他器官直到后来才发育起来，因此无法建立同样亲密的联系，这进一步加强了肠道和大脑是器官网络中两个主要枢纽的观点。
此外，研究表明，除了大脑以外，肠道是人体中最复杂的器官
。它有自己的神经系统（有时被称为第二大脑
，尽管它实际上是我们的第一大脑），还有自己的免疫系统和产生激素的内分泌系统。事实上，这些肠道内分泌细胞可以算是体内最大的内分泌器官，它们制造了调节食物摄入量和健康状况的化学信号分子。这些细胞都是肠道连接组的一部分，可以将数百种不同的信号分子释放到血液和肠腔（基本上是肠道内部，肠道菌群生存和食物经过之处），以及肠壁内的神经末梢。这些神经末梢中的大多数是迷走神经
的传感器，它在肠道和大脑之间传递信息。
也许最重要的是，我们70%以上的免疫细胞都位于肠壁。从那里，这些免疫细胞可以自行前往身体的其他部位，也可以通过被释放到血液中的炎症分子与身体的其他部位进行交流。免疫细胞、内分泌细胞和神经细胞被夹在组成肠壁的各层结构
之间，它们只被一层薄薄的黏液与组成肠道菌群的数万亿微生物隔开
。某些被称为树突状细胞的免疫细胞，将它们的触角伸向这一薄层的黏液，使其与微生物更加靠近。因此，黏液层的任何变化，无论是化学成分还是物理厚度的改变，都会对肠道（菌群）接触这些免疫系统的“哨兵”产生重大影响。
尽管对肠道中的神经、内分泌和免疫系统的特定功能已经进行了非常详细的研究，但是我们直到最近才清楚，只有将所有这些元素被视为一个相互关联的整体（一个系统）的一部分时，才能得到最好的了解它们之间以及与大脑、肠道微生物和我们所吃食物的相互作用。当这些相互作用以和谐的方式同步时，肠道是健康的，但当沟通不畅时，就会影响肠道的正常功能。正如我们通过系统生物学所了解到的那样，这个影响可能会波及全身。