肠道菌群主要通过肠-脑轴这条双向通信通路，从神经、代谢、免疫三个不同途径直接或间接影响大脑的功能、情绪甚至认知状态。
1 借助迷走神经直接传递信号。肠道内壁分布着大量神经末梢，肠道菌群代谢食物产生的各类物质，能直接刺激这些神经末梢，信号顺着连接肠道与大脑的迷走神经，直接传到大脑负责调控情绪、认知的区域，比如海马体、杏仁核。一旦菌群失衡，错误紊乱的信号不断传到大脑，就会直接引发情绪、记忆力方面的异常。
2 通过代谢产物影响大脑状态。肠道菌群能参与合成人体必需的很多活性物质，光是调控情绪的关键神经递质5-羟色胺，就有90%以上是在肠道菌群的辅助下合成的，这类物质能进入血液循环，透过血脑屏障直接影响大脑的神经活动。还有菌群代谢产生的短链脂肪酸，既能给大脑神经细胞供能，还能维持血脑屏障的完整性，避免有害物质侵入大脑损伤神经。
3 通过免疫炎症间接改变大脑功能。健康的肠道菌群能帮着维持肠黏膜屏障的完整性，一旦菌群失衡，有害菌大量繁殖会破坏肠黏膜，让细菌产生的内毒素等有害物质漏进血液，引发全身性的慢性低炎症。炎症因子可以随着血液循环进入大脑，激活大脑中的免疫细胞小胶质细胞，过度活化的小胶质细胞会误伤正常的神经细胞，长期下来不仅会引发持续的情绪低落、乏力，还会增加神经退行性疾病的发病风险。
