卡罗林斯卡研究团队检查了小鼠们的脑部，他们发现，在无菌鼠的纹状体脑区，传递与焦虑行为有关的神经化学物质更少，包括神经递质羟色胺（serotonin）。研究还显示，把成年无菌鼠放到平常环境中，它们的行为无法恢复正常，但经过“平常化”后，它们的后代能恢复正常行为。这表明在微生物产生最强影响的过程中，有一个关键窗口期。
越来越多的证据吸引了更多的研究人员，但大部分研究成果却不是来自神经科学领域。美国加利福尼亚大学生理学家梅兰妮·伽里奥说：“这个领域的研究主要是研究肠道的团队在做，还有些集中于生理学方面的人在合作，因此得出的结果倾向于描述周边神经和行为的变化，而不是中枢神经系统的变化。”
但皮特森和迪亚兹·海杰茨的研究刺激了这一领域，他们建议研究人员应超越所看到的现象，深入到影响脑部的机制。NIMH拨款审阅项目办公室的南希·戴斯蒙德说，他们的研究论文在2013年发表后，激发了资助机构的兴趣，NIMH专门成立了一个研究部以推动神经科学的研究，目标是揭示其中的功能机制，开发治疗神经性紊乱的药物或非侵入性疗法。
美国俄勒冈大学的神经学家朱迪斯·埃森已经获得了一笔资助，研究无菌斑马鱼。斑马鱼有着透明的胚胎，让人能很容易地看到它们的脑部发育情况。埃森说：“虽然‘无菌’是一种很不自然的情况，但它提供了学习微生物功能的机会，让人们知道对于某个器官或某种细胞类型的发育来说，哪些微生物功能很重要。”
脑部化学反应
与此同时，研究人员也开始揭示一些信号路径，肠道菌可能是通过这些路径获得脑部信号的。据皮特森和其他研究人员说，微生物的代谢产物会影响成年小鼠血脑屏障的基本生理活动。肠道微生物把复杂的碳水化合物分解成短链脂肪酸，同时伴随着一系列效应：比如脂肪酸丁酸盐，会通过强化细胞间的连接来加固血脑屏障。
最近的研究也表明，肠道微生物能直接改变神经递质浓度，这样可让它们能与神经元沟通。今年，加利福尼亚大学洛杉矶分校的生物学家伊莲妮·肖发表了她们的研究，检验某些肠道微生物的代谢产物是怎样促进结肠内壁细胞产生羟色胺。有趣的是，一些抗抑郁药物发挥效用靠的就是增加神经连接处的羟色胺。在小鼠体内，周边细胞贡献的羟色胺占60%，而在人体内，这一比例超过90%。
同卡罗林斯卡研究所团队一样，肖的团队也发现无菌鼠血液中的羟色胺浓度明显降低。但她还指出，如果向无菌鼠肠道引入芽孢细菌（由梭状芽胞杆菌控制，能分解短链脂肪酸），它们的羟色胺血液浓度还能恢复正常。反过来，如果给带有自然菌群的小鼠使用抗生素，它们产生的羟色胺浓度也会降低。“至少在这些实验操作下，因果关系非常明显。”肖说。
