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空气污染与脑损伤：科学怎么说
流行病学研究已将污浊空气与痴呆症及其他脑部疾病联系起来。如今，研究人员正试图确定污染物是如何造成损害的，以及它们会带来多大危害。
全球范围内的研究已将污染的空气与患痴呆症、抑郁症、焦虑症和精神病风险的增加联系起来。图片来源：达米尔·萨戈尔吉/路透社
2012年，纽约罗切斯特大学的黛博拉·科里 - 斯莱希塔（Deborah Cory - Slechta）收到了 “一桶大脑”。一位同事一直在研究该校周边的空气污染如何损害小鼠的心脏和肺部，于是请科里 - 斯莱希塔检查这些动物的大脑是否受损。作为铅神经毒性方面的专家，科里 - 斯莱希塔记得自己当时心想：“空气污染？这能有多严重？” 但她在那些大脑中看到的情况 “令人震惊”，她说，这彻底改变了她的整个研究方向。
专注于空气污染如何损害大脑的研究，让科里 - 斯莱希塔置身于孤独的领域。众所周知，以颗粒物、臭氧或其他有毒气体形式存在的空气污染会导致哮喘、肺癌和其他呼吸系统疾病，尤其是颗粒物还会引发心脏病。但她表示，在当时，研究空气污染的人中很少有人对大脑感兴趣，而神经科学家对空气污染感兴趣的就更少了。她在神经科学会议上的报告几乎无人关注，以至于她不再参加这些会议。
如今，这一研究领域受到了更多关注，并在全球引发担忧。一项又一项研究表明，空气污染程度越高，患痴呆症的风险就越高，同时患抑郁症、焦虑症和精神病的几率也越高。研究人员还发现空气污染与儿童的神经发育状况（如自闭症）以及认知缺陷存在关联。
2020年，颇具影响力的《柳叶刀》痴呆症委员会认可空气污染是导致痴呆症的一个风险因素。在去年发布的后续报告中，该委员会指出，暴露于空气中的颗粒物 “如今已引发强烈的关注和担忧”。与此同时，2022年英国政府空气污染医学影响委员会的一份报告呼吁对空气污染与痴呆症之间的联系展开更多研究。同样，世界卫生组织（WHO）2021年发布的全球空气质量指南强调了研究空气污染对年轻人和老年人神经影响的重要性。
世界卫生组织估计，全球99% 的人口暴露在超过建议水平的污染中，许多低收入和中等收入国家的城市空气质量尤其糟糕。但面临风险的不只是墨西哥城和德里这样的大城市。“即使是人们认为对公众健康足够安全的低水平暴露，也会在大脑层面产生影响。” 洛杉矶南加州大学的神经科学家梅根·赫廷（Megan Herting）说。
伦敦帝国理工学院的环境毒理学家伊恩·穆德韦（Ian Mudway）是2022年英国那份报告的共同作者，他表示，研究人员现在必须设法找出这些问题背后的机制，以便采取措施缓解这些问题。对穆德韦来说，关键问题是：“空气污染中的什么成分在引发这些影响？”
建立联系
21世纪头十年后期和第二个十年初期，对墨西哥城儿童和狗的大脑进行的研究，是最早对空气污染的神经毒性发出警报的研究之一。神经成像显示，与生活在污染较轻地区的儿童相比，生活在污染严重城市的儿童中，大脑连接区域的白质束出现损伤的情况要多得多，其中前额叶皮层似乎尤为脆弱。而且，在没有其他脑部疾病风险因素的情况下，城市儿童在认知任务中的表现相对较差（更多研究结果见 “有问题的蛋白质”）。
图片来源：L. 卡尔德隆 - 加西杜埃尼亚斯等人，《国际环境研究与公共卫生杂志》，第3卷，11568页（2021年）/（知识共享署名4.0国际许可协议）
污染是气态和颗粒成分的极为复杂的混合物，其成分因污染源而异。车辆尾气和工业制造是各种大小颗粒物的主要来源，炉灶烹饪、野火和沙漠沙尘也会产生颗粒物。燃料燃烧和其他来源会释放氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳和臭氧。包括近几十年来通过监管大幅改善空气质量的国家在内，多个国家的研究都发现了污染与特定脑部疾病之间的关联。
2023年对英国生物银行中超过38.9万名参与者的分析表明，长期暴露于空气中的颗粒物、一氧化氮和二氧化氮与更高水平的抑郁和焦虑相关。该研究的第一作者、中国北京大学的环境毒理学家李国星强调，即使是极低的暴露水平也会增加患这些疾病的风险。
上个月，一项对苏格兰20多万居民进行的为期16年的研究发现，累积暴露于二氧化氮的程度越高，因心理健康和行为障碍而住院的人数就越多。
与此同时，法国、美国和中国的研究表明，在空气质量有所改善的地区，老年人群中痴呆症、认知能力下降和抑郁症的发病率有所降低。
观察性研究还将空气污染与大脑结构变化联系起来，例如海马体体积减小，这与老年人患痴呆症风险增加的情况相符。赫廷对美国数千名年轻人发育中的大脑进行神经成像数据研究后发现，空气污染会干扰白质束的发育。去年，她的团队报告称，空气污染暴露的增加似乎会改变大脑区域之间的交流。
但赫廷说，这类研究尚未形成明确的损伤模式。她怀疑，在发育过程中接触污染的时机可能会影响易感性。
尽管有大量证据表明空气污染与大脑损伤之间存在联系，但研究人员表示，仅靠观察性研究很难确定明确的病因。例如，与高收入地区的人相比，贫困社区的居民往往呼吸着质量最差的空气，他们患脑部疾病、压力、低教育程度和肥胖症等风险因素可能更多。而且，许多现有研究都是根据居住地址来估计暴露程度，并未考虑人们的职业和生活方式对其暴露的影响。
研究人员表示，人们吸入的污染物的具体类型几乎肯定会产生影响。标准的空气质量测量基于主要气态成分以及直径小于10微米（PM10）或2.5微米（PM2.5）的颗粒物的水平。但是，空气中的颗粒物携带一系列化学物质，从简单的盐类到无数剧毒化合物，因地点而异。“所有颗粒物都被视为具有同等毒性，” 穆德韦说，“然而，它们是空气中各种化学物质 —— 数十万种化学物质 —— 的大杂烩。”
此外，科里 - 斯莱希塔指出，超细颗粒物并未得到常规监测。然而，她说，直径小于100纳米的颗粒物是化学反应性最强的空气颗粒物，最有可能穿透身体和大脑。
穆德韦说，即使监测数据不存在这一缺口，对吸入多种污染物的人群进行的观察性研究也无法确定究竟是哪些化学物质在起作用，从而难以从机理上理解。心血管疾病是已知的痴呆症风险因素。因此，空气污染对心脏和血管造成的损害是另一个混杂因素。“解开这个谜团的唯一方法，” 穆德韦说，“就是通过实验。”
走进实验室
例如，实验室研究可以表明，在受控条件下，现实世界中的空气污染物混合物会损害大脑。这就是科里 - 斯莱希塔在2012年所看到的，当时她将呼吸校园周边空气的小鼠的大脑与呼吸过滤后空气的小鼠的大脑进行了比较。她的实验室随后进行的研究报告称，在发育过程中（包括在子宫内通过母亲呼吸）接触超细颗粒物的小鼠，其白质束和脑室增大。在发育过程中接触污染的小鼠随后表现出更强的冲动性和短期记忆缺陷。
大脑的这些物理变化部分与患有自闭症和精神分裂症等神经发育疾病的人的大脑变化重叠。在老年动物中，空气污染似乎会加速与阿尔茨海默病相关的淀粉样蛋白和tau蛋白的沉积。其他动物研究在解剖学、细胞和分子层面也发现了损伤。
脑部扫描显示，在出生第一年接触较高水平交通污染的儿童，其大脑皮层厚度变薄的区域（彩色区域）。图片来源：T. 贝克威思等人/《公共科学图书馆·综合》（知识共享署名4.0国际许可协议）
尽管各项研究中出现的损伤迹象不尽相同，但南加州大学研究衰老问题的迦勒·芬奇（Caleb Finch）表示，有一个共同特征：“这是一种炎症反应。” 他说。他的实验室及其他实验室的研究表明，介导炎症反应的基因被激活；与炎症相关的信使物质变得更加丰富；出现氧化应激迹象；感知损伤并保护神经元的小胶质细胞被激活。芬奇说，每一类主要的脑细胞都会受到影响。
如果罪魁祸首是炎症，那就可以解释为什么空气污染是多种疾病的风险因素。炎症与情绪障碍和年龄相关的衰退有关，并且有可能干扰发育。赫廷说，炎症 “会让身体系统的运作稍有失常”。“然后，日常生活中其他的环境和发育因素，可能会促使这种失衡朝着某种疾病的方向发展。”
研究人员现在开始探究，在众多空气污染物中，究竟是哪些污染物引发了炎症，以及它们是如何引发炎症的。对人类大脑进行的尸检研究提供了直接证据，表明包括纳米颗粒和有毒金属在内的大量污染物会在脑组织中积累。来自吸入的PM2.5和PM10中的超细颗粒和化学物质，可能会从肺部进入血液，然后穿过血脑屏障进入大脑。但科里 - 斯莱希塔说，这些颗粒也可以通过鼻腔沿嗅神经，甚至有可能通过其他神经直接到达大脑。
科里 - 斯莱希塔怀疑大脑无法应对由此产生的金属浓度，她指出，几十年来，病理学家在患有神经退行性疾病的人的大脑中，发现了各种金属含量升高的情况。她目前正在研究这些金属是如何扰乱大脑化学物质的，具体做法是给小鼠喂食各种每次仅含一种金属的纳米颗粒制剂。
但是，污染物或许无需进入大脑就能造成损害。血液中的污染物可能会以某种方式使血脑屏障发炎，从而引发整个大脑的炎症。英国迪德科特罗莎琳德·富兰克林研究所的临床神经科学家保罗·马修斯（Paul Matthews）说，或者，肺部炎症可能会释放内源性信号分子，进而影响血脑屏障和大脑本身。
这些机制的合理性让研究神经系统疾病数十年的马修斯，在2021年与穆德韦联手研究空气污染问题。两人目前正在以细胞培养系统作为血脑屏障模型进行测试，同时也对有痴呆家族病史的人类志愿者进行测试。志愿者们在实验室中吸入各种空气污染物，如交通尾气或木烟。认知测试将确定这些污染是否会影响大脑功能，血液样本则会被检测是否存在引发炎症的循环分子，以及大脑发炎时释放的化学物质。
研究人员表示，了解哪些人最容易受到空气污染的危害，对于理解风险至关重要，并且可能有助于揭示相关机制。芬奇说，空气污染可能会使携带APOE4基因变异（一种已知的阿尔茨海默病风险因素）的人患阿尔茨海默病的风险大幅增加。科里 - 斯莱希塔说，其他针对小鼠和人类的研究表明，在对空气污染的易感性方面，可能存在性别差异，这可能取决于接触污染时所处的生命阶段。
挑战犹存
尽管研究人员呼吁对空气污染如何影响健康展开进一步研究，但他们也认识到其中的挑战。这项研究比研究单一毒物的影响更为复杂。而且，要在动物研究中模拟人类接触污染物的情况，需要昂贵的空气控制设备，而神经科学实验室通常不会配备此类设备。
不过，研究人员表示，如果研究取得成功，就可以确定哪些污染物问题最为严重，从而为旨在改善空气质量的监管措施提供依据。穆德韦说，空气质量测量通常侧重于减少含量最多的污染物，但这些污染物可能并非神经毒性最强的。
美国马里兰州贝塞斯达的国立神经疾病和中风研究所（NINDS）的项目主任大卫·杰特（David Jett）表示，目前这个领域仍然需要更多的神经科学家。2021年，该研究所启动了一项重要的资助计划，研究包括空气污染在内的环境暴露如何导致神经系统疾病。杰特估计，在2024年于伊利诺伊州芝加哥举行的神经科学学会会议的22000多名与会代表中，从事空气污染研究的不到20人。他参加会议是为了宣传现有的证据，并敦促神经科学家申请资金来研究空气污染。“虽然进展缓慢，但确实在起作用，” 杰特说，“但没有达到我期望的速度。”
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