2012年，罗切斯特大学的Deborah Cory-Slechta站在一桶小鼠大脑前。她的一位同事研究了校园周围空气污染对动物心脏和肺部的影响。作为铅神经毒性作用专家，她将这些大脑送到环境医学专家那里，请对方也检查可能的损伤。Cory-Slechta并未期待特别戏剧性的结果。但她在分析中看到的，用她的话说，是如此"压倒性"，以至于她重新调整了研究方向。从此，她致力于研究空气中的细颗粒物和其他有毒物质如何影响思维器官。
虽然空气污染会引发哮喘或肺癌等呼吸道疾病，这一点已有充分证据。特别是细颗粒物被认为是心血管疾病的共同诱因。但在环境医学领域，很少有人关注大脑——神经科学家对空气污染的关注更少。Cory-Slechta在神经生物学会议上做报告时，几乎无人感兴趣，以至于她最终决定不再参加这些会议。
如今，她的研究获得了广泛关注——空气污染已成为国际健康问题。一项又一项研究表明：空气污染与痴呆症风险增加以及抑郁症、焦虑症和精神疾病发病率上升相关。在高污染地区，自闭症等神经发育障碍和儿童认知障碍似乎也更为常见。
2020年，有影响力的柳叶刀痴呆症预防委员会正式将空气污染认定为痴呆症风险因素。在其2024年后续报告中提到，细颗粒物污染现已引起极大担忧和日益增长的兴趣。在2022年的一份报告中，英国政府独立咨询机构空气污染物医学效应委员会呼吁加强对空气质量与痴呆症之间关系的研究。世界卫生组织(WHO)早在2021年的空气质量指南中就强调，研究空气污染对大脑的影响非常重要——无论对老年人还是年轻人。
"即使是被认为对健康无害的低水平污染，也会对大脑产生影响"
Megan Herting, 神经科学家
WHO估计，全球99%的人口暴露在超过推荐限值的空气污染物中。大城市，尤其是较贫穷和经济快速发展国家的大城市，受影响尤为严重。但这个问题绝不仅限于大都市。"即使是被认为对健康无害的低水平污染，也会对大脑产生影响，"南加州大学洛杉矶分校的神经科学家Megan Herting说。从研究角度看，现在的问题是了解背后的生物学机制。对伦敦帝国理工学院环境毒理学家Ian Mudway（2022年英国报告的合著者）来说，关键问题是："污染空气中究竟什么成分导致了如此严重的后果？"
城市儿童的大脑损伤
2000年代末至2010年代初对墨西哥城儿童和狗大脑的研究是最早引起人们对空气污染神经毒性作用关注的研究之一。蒙大拿大学的Lilian Calderón-Garcidueñas领导的团队通过成像技术显示：来自严重污染城市的儿童比来自空气质量较好地区的儿童更频繁地出现大脑白质组织损伤。前额叶皮层似乎特别容易受到影响。而且，没有其他脑部疾病风险因素的城市儿童在认知任务中表现相对较差。
受污染的空气是气态和固态成分的复杂混合物——根据来源不同，其组成也大不相同。各种尺寸颗粒物的主要来源是车辆排放和工业排放。但烹饪炉灶、森林火灾和沙漠尘埃也污染空气。燃烧化石燃料还会产生氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳和臭氧。来自不同国家的研究表明，这些污染物与神经系统疾病有关——即使在空气质量在过去几十年通过法规得到显著改善的地方也是如此。
一项基于英国UK Biobank超过389,000名参与者数据的2023年大型分析得出结论：长期暴露于较高水平的细颗粒物、一氧化氮和二氧化氮的人，患抑郁症和焦虑症的风险更高。北京大学环境毒理学家Guoxing Li（该研究的负责人）确信，即使是非常低的污染水平也可能造成伤害。
随着废气量增加也心理问题增加
2024年底，圣安德鲁斯大学Mary Abed Al Ahad团队进行的一项持续16年、涉及苏格兰超过200,000人的研究显示：长期暴露于较高水平二氧化氮的人，因心理或行为障碍住院的频率更高。法国、美国和中国的研究也发现，空气质量改善与老年人痴呆症、认知衰退和抑郁症病例减少相关。
空气污染还与大脑结构变化相关——例如海马体体积减小，这被视为痴呆症的风险因素。Megan Herting对美国数千名青少年进行的成像研究表明，污染物可能影响白质发育。而且就在2025年，她的团队报告称，空气污染增加似乎也会干扰大脑不同区域之间的通信。然而，Herting解释说，到目前为止，研究并未显示出损伤形成的统一模式。她推测，暴露发生的时间点可能很重要。
因此，有大量证据表明空气污染与大脑损伤之间存在关联。但仅基于观察性研究，无法明确证明这两个因素是否以及如何相互作用。它们可能都源于共同原因。例如，生活在贫困地区的人们通常吸入污染更严重的空气，与居住在较富裕社区的人相比，他们还面临其他压力因素——如慢性压力、教育机会较少或超重倾向。许多研究还仅根据居住地址评估暴露程度，而未考虑职业和生活方式如何影响一个人的实际暴露程度。
"所有颗粒物都被视为具有相同的毒性"
Ian Mudway, 环境毒理学家
哪些污染物对人体有害也绝非无关紧要——而且很难确定。常规空气质量测量仅检测气态主要成分的浓度以及直径小于10微米(PM10)或小于2.5微米(PM2.5)的细颗粒物。但在这些颗粒物上附着着从简单盐类到高毒性化合物的多种化学物质。其组成在不同地区差异很大。Mudway说："所有颗粒物都被视为具有相同的毒性，但实际上它们是空气中存在的成千上万种物质的混合物。"
Cory-Slechta认为特别有问题的是：超细颗粒物目前尚未系统监测。然而，直径小于100纳米的颗粒物被认为特别活跃——而且它们很容易进入大脑。
寻找污染物"鸡尾酒"中最有毒的成分
即使填补了这些测量数据的空白，仅通过观察性研究也很难识别出负责的物质，Mudway提醒道——因为太多污染物同时作用于人体。因此，难以把握潜在的生物学机制。使情况复杂化的另一个因素是：心血管疾病也被视为痴呆症的风险因素。空气污染对心脏和血管造成的损害是另一个影响因素。Mudway说："要了解更多，唯一的方法是进行有针对性的实验。"
在受控条件下进行的动物实验表明，日常生活中的典型污染物混合物可能具有神经毒性。Cory-Slechta在她早期研究中也观察到了这一点。吸入大学周围未过滤室外空气的小鼠大脑看起来比吸入过滤空气的动物更受损。她实验室后续研究表明：如果小鼠在子宫内和发育期间暴露于超细颗粒物，其大脑结构会发生变化。神经纤维束和脑室会增大。此外，啮齿动物表现出更冲动的行为，短期记忆也减弱。
这些大脑变化部分类似于自闭症等神经发育障碍或精神分裂症等精神疾病患者中出现的变化。在老年小鼠中，空气污染似乎会加速淀粉样蛋白和Tau蛋白的沉积——这些蛋白质与阿尔茨海默病相关。其他动物研究显示在解剖学、细胞和分子水平上的异常。
尽管研究之间的损伤有所不同，南加州大学的老年病学专家Caleb Finch看到了一个共同模式："这是一种炎症反应，"他强调。他和其他研究团队的研究表明，受污染的空气会激活控制炎症反应的基因。随后，促炎信使物质增加。有证据表明存在氧化应激和被激活的小胶质细胞，它们识别损伤并保护神经元。Finch说，大脑中的每种重要细胞类型都受到影响。
"炎症使系统功能稍微变差"
Megan Herting, 神经科学家
这种免疫反应可以解释为什么空气污染是如此多不同疾病的危险因素。炎症与精神疾病和年龄相关衰退有关，也可能干扰发育。Herting说："炎症使系统功能稍微变差。然后其他因素可能将平衡推向某种疾病。"
目前，专家们正在更仔细地研究这些众多空气污染物中哪些主要负责炎症反应以及它们如何引发这些反应。对尸检人脑的研究提供了直接证据，证明各种污染物在脑组织中积累，包括纳米颗粒和有毒金属。超细颗粒物和吸入的细颗粒物中的化学物质通过肺部进入血液，然后穿过血脑屏障。Cory-Slechta说，它们可能部分通过直接途径到达大脑：通过鼻腔沿嗅觉神经——可能也通过其他神经通路。
头部金属过多
Cory-Slechta推测，过多的金属会干扰大脑工作。她指出，几十年来，病理学家一直报告神经退行性疾病患者大脑中的金属水平升高。她现在正在研究特定金属如何影响脑化学——例如，通过给小鼠注射只含一种相关物质的纳米颗粒。
有害颗粒和化学物质可能不需要直接进入大脑就能产生影响。血液中的污染物可能刺激血脑屏障，导致其后区域也引发炎症过程。或者肺部的炎症促使细胞释放内源性信使物质。这些物质可能反过来影响屏障和大脑，牛津郡Didcot的Rosalind Franklin Institute临床神经科学家Paul Matthews解释道。
Matthews和Mudway正在合作研究空气污染如何影响大脑。他们在模拟血脑屏障的细胞培养物中测试他们的假设。此外，他们与痴呆风险因遗传而增加的志愿者合作。在实验室中，受试者吸入各种污染物——例如汽车尾气或木烟。认知测试将显示这是否影响思维能力。研究团队还分析他们的血液中促进炎症的分子以及在大脑炎症中释放的物质。
此外，了解谁对污染空气特别敏感也很重要。有关风险群体的数据有助于更好地评估个人风险潜力。它们还可能提供有关潜在机制的线索。Finch说，对于具有已知阿尔茨海默病风险因素（APOE4基因变体）的人，空气污染可能更强烈地增加疾病风险。对小鼠和人类的研究还表明，男性和女性对空气污染的反应不同。Cory-Slechta补充说，反应还取决于暴露发生的生命周期阶段。
需要更多关于空气污染的神经生物学研究
专家们认为需要进一步研究空气污染的健康影响。同时，他们指出进行此类研究的困难。当研究不是单一污染物而是不同颗粒物和化学物质的混合物时，工作量明显更大。对于旨在模拟人类真实暴露的动物实验，需要昂贵的空气控制系统。这类设备通常不存在于神经生物学实验室中。
但正是这些努力可以帮助识别对大脑最危险的污染物——从而实现更针对性的空气质量改善措施。到目前为止，空气质量法规通常集中在最常见和最容易测量的物质上。但Mudway说，这些不一定是最有害的。
美国马里兰州贝塞斯达国立神经疾病和中风研究所(NINDS)项目负责人David Jett认为，最需要的是更多研究这一主题的神经科学家。该机构于2021年启动了一个中心资助计划，支持研究环境因素如何导致神经系统疾病的工作组。Jett估计，在2024年参加最大国际神经科学会议的22,000多名专业人士中，不到20人研究空气污染。他亲自到场，旨在引起人们对现有发现的关注——并鼓励同行申请相关研究的资助。"慢慢但肯定地见效，"他说。"但不如我希望的那么快。"
【全文结束】