腸腦軸功能改變參與多種胃腸道疾病的發生，比如腸易激綜合徵以及相關的功能性胃腸道疾病；最近的研究也發現，腸腦軸功能紊亂也參與許多腦部疾病的發生，包括自閉症、帕金森、情緒和情感障礙以及慢性疼痛等等。腸道微生物及其代謝產物能夠通過影響腸道通透性、黏膜免疫功能、胃腸道運動以及腸道神經系統活性參與調節胃腸道功能；腸道微生物及其代謝產物也參與調節行為和大腦過程，包括應激反應、情緒行為、疼痛調節、攝食行為和大腦生物化學等等。下丘腦-垂體-腎上腺軸（HPA）是大腦影響腸道菌群組成的另一重要機制。
腸道細菌與腸道免疫，腸道通過機械屏障和免疫屏障抑制致病菌。機械屏障由單層腸上皮細胞、黏液和腸細胞形成。另一方面，免疫屏障由腸上皮內淋巴細胞、巨噬細胞、自然殺傷細胞、派伊爾淋巴集結和腸系膜淋巴結形成。腸道共生菌可以調節腸道屏障的完整性，通過抵禦病原體的入侵和幫助宿主免疫系統的發育來促進腸道防禦體系。腸道細菌通過競爭結腸黏膜表面的營養物質和附着位點來維持對致病菌定殖的抵抗。腸道共生菌代謝產生的短鏈脂肪酸也可以降低腸道pH值，以避免致病菌的攻擊。
腸道細菌不僅對宿主防禦體系的建立做出貢獻，也有助於維持腸道正常功能。腸道細菌通過調節腸道蠕動、產生維生素、轉化膽汁酸和類固醇、代謝外源性物質、吸收礦物質以及破壞毒素、基因毒素和誘變劑等方式對宿主產生有益影響。結腸近端可產生大量的短鏈脂肪酸，比如乙酸、丙酸和丁酸等。這些脂肪酸是結腸黏膜和外周組織的能量來源，是腸道細菌發酵不可消化的複雜碳水化合物的產物。反過來，這些脂肪酸通過影響結腸吸水和降低糞便pH值來影響結腸細菌的生長。
腸道細菌是轉化天然化合物以發揮其生物活性的關鍵。腸道菌群也可以影響宿主生理學，對宿主的生理過程具有刺激或抑制作用。腸道菌群通過促進腸道相關淋巴組織成熟、增加組織再生（特別是腸絨毛）和腸道運動以及降低腸道上皮通透性，對宿主的腸道功能產生有益影響，從而增強腸道屏障的完整性。
腸道細菌的定植受生活環境、飲食等多種因素的影響。此外，宿主的生理過程、消化道的解剖結構和生理學也是影響腸道細菌定植的重要因素。飲食在腸道生態系統微生物多樣性的產生、成熟和保護中發揮重要作用。
益生元可以影響腸道細菌的組成，選擇性的促進腸道有益細菌的生長，使宿主受益。益生元是一種類似於碳水化合物的化合物，比如乳果糖和抗性澱粉。近年來，益生元已被廣泛用於食品工業，以幫助改變腸道菌群組成，造福人類健康。益生菌是攝入一定數量能夠對宿主健康產生有益影響的活性微生物，主要包括乳酸菌、雙歧桿菌和酵母菌，比如釀酒酵母。此外，益生菌在肝性腦病、炎症性腸病、感染、高血壓、癌症和兒童特應性皮炎的治療中有表現出一定的益處。
有微生物學家提出了一條從腸道菌群到大腦神經遞質，乃至最終影響到行為表現的完整通路。他們這篇題為KDM5 基因功能失常對腸道微生態的干擾以及對自閉症的影響的研究，主要研究了組蛋白去甲基化酶“KDM5”如何調節腸道微生物組穩態以及免疫系統，從而影響果蠅社會性行為的內在機制，為自閉症、智力障礙等精神疾病的治療提供了新思路。一位研究員給親戚的自閉症孩子吃了益生菌15 分鐘後，孩子就主動開始說話，明顯改善自閉症狀，惟一的缺點就是必須一直吃。
總而言之，腸道微生物可以通過多種機制影響腸道和神經系統之間的相互作用。腸道菌群的改變都可能影響腸道和大腦之間的雙向溝通。腸道菌群似乎會影響情緒行為、壓力調節系統、疼痛調節系統以及大腦神經遞質系統。如果這些影響發生在生命早期，可能影響神經系統的發育、大腦與腸道的相互作用以及HPA軸；如果發生在成年期，則可能影響已經發育成熟的神經迴路。在腸道上皮屏障功能完整的情況下，這些影響可能通過迷走神經信號發生；而在應激或黏膜炎症引起的腸道通透性增加的情況下，這些影響可能進一步增強。
腸道和大腦，一榮俱榮，一損俱損。腸道功能破壞會通過導致大腦炎症而影響大腦功能，大腦功能紊亂又反過來導致腸道功能紊亂，這又進一步惡化大腦功能的紊亂，久而久之，形成惡性循環而無法自拔，嚴重影響身心健康。健康的腸道塑造健康的大腦，健康的大腦造就健康的腸道。
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