到 1992 年，墨西哥城人口激增、交通拥堵和工业爆炸性增长，导致联合国将其列为世界上污染最严重的城市地区。高海拔的大都市坐落在山谷中，将大气污垢困在永久性的有毒雾霾中，这加剧了问题。在接下来的几年里，其影响不仅可以从笼罩在城市上空的雾霾中看到，也可以从城市里的狗身上看到，这些狗变得如此迷失方向，以至于有些狗不再认识它们的人类家人。在一系列严谨的研究中，神经病理学家莉莲·卡尔德隆-加西杜埃纳斯比较了来自被称为“Makesicko City”（病态之城）的首都以及污染较轻地区的犬类和儿童的大脑。她的发现令人震惊：童年时期暴露于空气污染会降低大脑容量，并增加成年后患几种可怕的脑部疾病（包括帕金森病和阿尔茨海默病）的风险。
卡尔德隆-加西杜埃纳斯如今是蒙大拿大学环境神经预防实验室的负责人，她指出，通过神经影像学在她年轻的狗和人类身上记录下来的受损大脑不仅仅在晚年具有重要意义；它们还会在终生的记忆力受损和智商降低中体现出来。其他研究发现，儿童晚期暴露于空气污染会改变整个大脑的神经回路，可能影响执行功能，包括决策和注意力等能力，并增加患精神疾病的风险。
对我们所有人来说，风险都是巨大的。在中国、印度和全球南方其他地区，室内和室外空气污染在过去几十年中持续飙升。根据联合国基金会的数据，“全球近一半的人口每天呼吸有毒空气，其中包括超过90%的儿童。” 基金会补充说，全球约有 23 亿人依靠固体燃料和明火做饭，这使问题更加严重。世界卫生组织估计，每年约有 300 万例过早死亡，其中大多数是妇女和儿童，是由于这种烹饪造成的空气污染造成的。
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与此同时，在美国，自 1970 年《清洁空气法案》通过以来，平均空气污染水平已显著下降。但关键词是平均。数百万美国人仍在呼吸着富含引发炎症的臭氧和细颗粒物的室外空气。这些被称为 PM2.5（直径小于 2.5 微米的颗粒物）的颗粒物可以影响肺部和心脏，并且与脑损伤密切相关。野火——就像去年夏天席卷加拿大的野火一样——是 PM2.5 的主要来源。最近的一项研究表明，杀虫剂、油漆、清洁剂和其他个人护理产品是 PM2.5 的另一个主要且未被充分认识的来源，并且可能增加包括损害大脑的中风在内的多种健康问题的风险。
理清空气污染与大脑之间的关系非常复杂。在现代工业世界中，我们都暴露在数千种污染物中。并非每个暴露于特定污染物的人都会出现相同的一系列症状、损伤或疾病——部分原因是他们的基因，部分原因是每次暴露可能发生在发育的不同阶段或影响身体或大脑的不同区域。更重要的是，社会差距也在起作用：较贫困的人口几乎总是居住在离工厂、毒素和污染物更近的地方。
弄清真相并进行干预的努力催生了一个新的研究领域：环境暴露组学，即环境暴露及其对健康、疾病和发育影响的科学。环境暴露组学借鉴了关于环境毒素分布、基因和细胞反应以及人类行为模式的大量数据集。有大量信息需要解析，因此该领域的研究人员正在转向另一门新兴科学——人工智能，以理解这一切。
“从我们的外部环境——我们呼吸的空气、我们吃的食物、我们喝的水、我们每天面临的情绪压力——所有这些都会转化为我们的生物学，”纽约西奈山伊坎医学院儿科教授兼环境暴露组学研究所联合主任罗莎琳德·赖特说。“所有这些因素加上基因本身就解释了我们看到的风险模式。” 当暴露是持续和累积的，或者当它超过了我们的适应能力，或者“当您是子宫内的胎儿、当您是婴儿或在幼儿期或在生长的关键时期时”，它会对终生的认知清晰度和大脑健康产生特别强大的影响。
南加州大学 (USC) 的神经科学家 梅根·赫廷一直在研究空气污染对发育中大脑的影响。“在过去的几年里，我们发现较高水平的 PM2.5 暴露与发育中大脑的形状、神经结构和功能组织的许多差异有关，包括皮质厚度模式的改变以及灰质和白质微观结构的不同，”她说。根据对暴露的年轻人进行的神经影像学研究，赫廷和她的研究人员怀疑，与空气污染相关的广泛的大脑结构和功能差异可能是日后生活中出现的认知和情绪问题的早期生物标志物。
一项国际荟萃分析（对其他研究的研究）为这一怀疑提供了支持，该分析于 2023 年发表，将儿童和青少年大脑发育关键时期暴露于空气污染与抑郁症和自杀行为的风险联系起来。这些研究的影像学部分显示，大脑结构发生了变化，包括可能与帕金森病等运动障碍有关的神经回路，以及负责执行决策、注意力和自我控制的前额叶白质。
在 2023 年的一项研究中，赫廷和同事追踪了正在过渡到青春期的儿童，青春期是大脑发育的敏感时期，因此特别容易受到毒素的长期损害。赫廷说，在前额叶皮层等青春期发育的大脑区域中，前额叶皮层有助于认知控制、自我调节、决策、注意力和解决问题。“你的情绪奖励系统也仍在完善中，”她补充道。
研究人员查看了 9000 多名 9 岁至 10 岁暴露于空气污染的青少年在未来几年的扫描数据，发现大脑区域之间的连接发生了变化，一些区域的连接较少，而另一些区域的连接比正常情况更多。赫廷解释说，这些结构和功能连接使我们能够在日常生活中发挥作用，但研究人员尚不清楚这些回路的变化会产生什么影响，甚至是否会产生影响。
参与非典型大脑回路的特定污染物似乎是二氧化氮、臭氧和 PM2.5——许多研究人员最担心的小颗粒物。赫廷解释说：美国对细颗粒物设定的限制比大多数其他国家更严格，但仍然不够充分。美国环境保护署目前将该污染物的年平均水平限制为每立方米 12 微克，并允许每日峰值达到每立方米 35 微克。另一方面，卫生组织呼吁该机构将水平分别降低至每立方米 8 微克和 25 微克。因此，即使按照 EPA 标准可能是“安全的”，“美国各地的空气质量正在导致儿童关键时期大脑网络发生变化，”赫廷说。这可能预示着“日后认知和情绪问题风险增加”。她计划跟踪她的青少年群体进入成年期，届时科学的进步和时间的推移应该会揭示更多关于青春期暴露于空气污染的影响。
其他研究表明，随着时间的推移，空气污染会增加患精神疾病的风险。在芝加哥大学计算生物学家安德烈·日茨基和同事基于美国和丹麦大型数据集的研究中，他们发现，在两国，恶劣的空气质量都与躁郁症和抑郁症发病率的增加有关，尤其是在早期暴露发生时。日茨基和他的团队使用了两个主要来源：在丹麦，是国家健康登记处，其中包含每位公民从摇篮到坟墓的健康数据；在美国，是保险索赔，其中包含医疗史以及居住县、年龄、性别等详细信息，重要的是，还包含与家庭的联系——这些细节有助于揭示在生命的前 10 年中发生精神疾病的遗传倾向。
“可能是相同的环境会在一个人身上引起疾病，但在另一个人身上不会，因为不同的人具有不同的易感基因变异，”日茨基说。“不同的遗传易感性是谜题的一部分。另一部分是不同的环境。”
的确，这些复杂疾病的蔓延速度远超基因本身似乎可以解释的速度。“我们当然不确定哪种污染物是致病原因。我们真的无法 pinpoint 确切的罪魁祸首，”日茨基说。但一个顽固的罪魁祸首继续被证明在统计学上具有显著意义：“看起来 PM2.5 是那些强烈信号之一。” 为了具体弄清楚，我们需要更多的数据，而环境暴露组学将发挥至关重要的作用。
“这是一个警钟，”弗朗西斯·詹森在 2022 年 10 月美国神经病学学会关于神经系统黑暗物质的研讨会上对她的同事医生们说。这次会议是对环境暴露组——一个人一生中接触到的外部因素的总和——驱动神经退行性疾病的探索。会议的重点在很大程度上是空气污染。詹森是宾夕法尼亚大学的神经学家，也是美国神经病学协会的主席，她认为研究人员需要更多地关注污染物，因为帕金森病诊断数量的急剧上升不能仅用人口老龄化来解释。“环境暴露潜伏在幕后，并且正在上升，”她说。
帕金森病已经是继阿尔茨海默病之后第二常见的神经退行性疾病。症状通常在60 岁及以上的人群中出现，包括不受控制的运动、平衡困难和记忆问题，但也可能发生在 20 岁左右的年轻人身上，尽管这种情况很少见。空气中的某些物质能否解释帕金森病在全球范围内日益流行？研究人员尚未确定一种具体原因，但他们知道帕金森病症状是由于黑质中神经细胞退化造成的，黑质是大脑中产生多巴胺和其他信号传递化学物质的部分，这些物质对运动和协调至关重要。
埃默里大学环境健康科学家 W·迈克尔·考德尔使用质谱分析法来识别我们体内的化学物质，他认为现在有许多空气污染物嫌疑与多巴胺生成细胞的损失有关。他正在关注的一个嫌疑是脂多糖，这种化合物通常存在于空气污染和细菌毒素中。虽然脂多糖不能直接进入大脑，但它们会使肝脏发炎。然后，肝脏将炎症分子释放到血液中，这些分子与血脑屏障中的血管相互作用。“然后大脑中的炎症反应会导致多巴胺神经元的损失，就像在帕金森病中看到的那样，”考德尔说。
更多证据来自位于凤凰城的巴罗神经学研究所的神经流行病学家 布列塔尼·克日扎诺夫斯基。克日扎诺夫斯基在看到一张突出显示密西西比河-俄亥俄河谷（包括田纳西州和肯塔基州地区）帕金森病高风险的地图时，有了“啊哈！”时刻。起初，她怀疑帕金森病热点是否是由于该地区农药的使用造成的。但后来她突然意识到：该地区也有高密度道路网络，这表明空气污染可能与此有关。“这些地区的污染可能含有更多来自交通的燃烧颗粒和来自制造业的重金属，这些物质与大脑中参与帕金森病的部分的细胞死亡有关，”她说。
在 2023 年 10 月发表在《神经病学》杂志上的一项研究中，克日扎诺夫斯基和同事使用复杂的地理空间分析技术进一步表明，与居住在空气污染水平最低地区的人相比，空气污染水平中等的人患帕金森病的风险高出 56%。除了密西西比河-俄亥俄河谷外，其他热点地区还包括北达科他州中部、得克萨斯州部分地区、堪萨斯州、密歇根州东部和佛罗里达州尖端地区。与美国其他地区相比，居住在美国西部地区的人患帕金森病的风险较低。
至于密西西比河-俄亥俄河谷的热点地区，那里的帕金森病发病率比空气颗粒物含量最低的地区高出 25%。除此之外，克日扎诺夫斯基和她的研究团队还注意到一些特别奇怪的事情：该疾病的频率随着污染水平的升高而上升，但即使空气污染持续飙升，该疾病的频率也趋于平稳。原因之一可能是其他与空气污染相关的疾病，包括阿尔茨海默病，正在掩盖帕金森病的出现；另一个原因可能是 PM2.5 的一种不寻常形式。“帕金森病的区域差异可能反映了颗粒物成分的区域差异，与与其他地区相比，某些地区的颗粒物可能含有更多有毒成分，”克日扎诺夫斯基说。她希望利用环境暴露组学的原则，在未来几个月和几年内探索这些问题。
对环境因素与阿尔茨海默病之间联系的探索也在进行中。南加州大学的神经老年病学家卡莱布·芬奇多年来一直致力于研究痴呆症，尤其是阿尔茨海默病，这种疾病影响了超过 600 万美国人。与帕金森病一样，阿尔茨海默病在美国和世界大部分地区的发病人数也在上升。神经元退行性变化在 60 岁以后变得越来越频繁，但活到 100 岁的人中有一半不会患上痴呆症。许多因素可以解释这些差异。芬奇说，空气污染可能是一个重要因素。
芬奇和他的南加州大学同事 陈九川等研究人员正在联合起来，探索环境神经毒素与大脑健康下降之间的联系。这是一个具有挑战性的项目，因为空气污染水平和特定污染物在精细尺度上变化，并且在全球许多地区可能会每小时都在变化。根据对不同地理区域数百人的脑部扫描，我们已经知道： “居住在空气污染水平高的地区，并在三大洲接受研究的人们表现出动脉疾病、心脏病和中风加速，以及认知能力下降更快，”芬奇说。
当然，并非每个人在暴露于污染物时都会做出相同的反应。阿尔茨海默病的最大风险似乎会袭击携带一种称为载脂蛋白 E (APOE4) 的基因变异的人，这种变异参与制造有助于在血液中携带胆固醇和其他类型脂肪的蛋白质。大约 25% 的人携带该基因的一个副本，2% 到 3% 的人携带两个副本。但仅继承该基因并不能决定一个人患阿尔茨海默病的风险。环境暴露也很重要。
陈、芬奇和同事最近在《阿尔茨海默病杂志》上发表的一项研究调查了空气污染暴露与 1100 名男性（研究开始时年龄都在 56 岁左右）的阿尔茨海默病早期迹象之间的关联。到 68 岁时，PM2.5 暴露量高的受试者在语言流畅性方面得分最差。暴露于高浓度二氧化氮 (NO2) 空气污染的人也与情景记忆恶化有关。携带 APOE4 基因的男性在执行功能方面得分最差。证据表明，空气污染与基因风险相互作用导致晚年患阿尔茨海默病的过程可能至少在男性中年时期就开始了。
南加州大学的另一项研究对 2000 多名女性进行了研究，发现当空气质量改善时，老年女性的认知能力下降速度减慢。当 PM2.5 和 NO2 等污染物的暴露量在六年内每年下降几个微克/立方英尺时，研究中的女性的测试结果显示比她们的实际年龄年轻一岁左右。这表明，当空气污染暴露降低时，痴呆症风险可能会降低。
与此同时，柳叶刀委员会的一项国际研究得出结论，通过改变或避免 12 个风险因素可以降低痴呆症（包括阿尔茨海默病）的风险：高血压、听力障碍、吸烟、肥胖、抑郁症、低社交接触、低教育水平、缺乏体育锻炼、糖尿病、过量饮酒、创伤性脑损伤和空气污染。总共，这 12 个可改变的风险因素约占全球痴呆症的 40%，理论上可以预防或延缓。
鉴于所有这些，芬奇和杜克大学的社会科学家亚历山大·库尔明斯基提出了“阿尔茨海默病环境暴露组”来评估与基因相互作用导致痴呆症的环境因素。在药物治疗失败的地方，环境暴露组学或许可以提供帮助。对瑞典双胞胎的研究表明，阿尔茨海默病风险个体差异的一半可能是环境因素造成的，因此是可以改变的；虽然大量研究资金已投入到该疾病的遗传根源中，但改变环境暴露组可能会比迄今为止所有正在进行的药物试验提供更好的预防效果。研究人员指出，环境毒素广泛破坏大脑中的细胞修复和保护机制。肥胖和压力等因素会导致慢性炎症，这可能会损害神经元的功能和交流能力。阿尔茨海默病环境暴露组的研究框架为阿尔茨海默病风险的环境基础提供了全面、系统的方法，涵盖了个人的整个生命周期——从受精前的配子到子宫内的胎儿时期，再到童年及以后。
三十年来，西奈山的罗莎琳德·赖特一直希望将神经发育和神经退行性疾病中的关键问题追溯到污染物——从高速公路排放物到重金属，再到特定的家用化学品和许多其他因素——但大量数据令人应接不暇。随着人工智能 (AI) 和先进的神经影像技术的出现，使用庞大的基因组数据库进行高精度研究终于成为可能。“我知道我们需要问这些类型的问题，但我没有工具来做到这一点。现在我们有了，这非常令人兴奋，”赖特说。
赖特使用机器学习——一种用于数据分析的人工智能方法——查看包含个人住所的精确位置以及他或她遇到的无数污染物的大型数据集。“它与我们使用的其他统计模型在根本上没有什么不同，”她说。“只是这个模型被开发出来，能够接收越来越大的数据，以及越来越多的暴露类型。” 结果数据分解应该告诉我们哪些因素驱动了哪些类型的人的哪些类型的风险。这些信息将帮助人们了解他们应该将精力集中在哪里，以减少暴露于高风险污染物，并最终降低损伤和疾病（无论是大脑疾病还是其他疾病）的风险。
赖特及其同事使用的工具正在针对阿尔茨海默病等疾病进行训练。赖特说，如果将基因和环境结合在一起，“你就会开始看到谁可能处于更高风险之中，以及潜在的机制可能以不同的方式在不同人群中驱动它”。环境暴露组还可以解释污染可能产生的更微妙的认知影响，这些影响可能会在很长一段时间内显现出来，例如对注意力、智力和表现的损害。
为了应对环境大脑风险，重要的是要知道存在哪些污染物——这也是环境暴露组学研究的另一个目标。在美国，EPA 在我们主要城市的所有地方都设置了固定的环境监测器，每天测量来自交通和工业的细颗粒物，以及由此产生的二级化学物质。全球各地还有数千颗卫星在校准热浪，热浪会改变污染物相互反应的方式。
像赖特这样的先驱者才刚刚开始绘制影响大脑的环境暴露地形。“随着我们越来越多地测量环境暴露组，我们或许能够定制预防和干预策略。新武器包括我们在实验室中使用的一种硅胶手环。您佩戴它，它会告诉我们您暴露于哪些污染物，”赖特说。她还在探索更多方法来收集人们已经遇到的毒素的数据：“用一根头发，我们可以告诉您您接触过什么。头发每月生长约一厘米，因此如果我们从一位怀孕妇女那里获得九厘米的头发，我们可以追溯到整整九个月前，追溯到胎儿的整个生命周期。或者，当孩子在六岁时掉牙时，我们可以创建一个终生的环境暴露组历史。”
“我们天生就具有很强的适应能力，”赖特补充道。问题在于，当暴露是慢性的和累积的，并且超过了我们的适应能力时。我们不可能解决所有问题，“但如果我比以前更了解自己，这会让我有能力思考，‘我正在优化平衡，并且我正在尽我所能进行干预。’”
其他报道和编辑工作由玛格丽特·海瑟曼完成。
这个故事是OpenMind系列文章、播客和视频的一部分，该系列文章、播客和视频由普利策中心“真理衰退”倡议的慷慨资助支持。
这个故事最初发表在数字杂志《开放思维》上，该杂志致力于解决科学争议和欺骗行为。