到 1992 年，墨西哥城人口激增、交通擁堵和工業爆炸性增長，導致聯合國將其列為世界上汙染最嚴重的城市地區。高海拔的大都市坐落在山谷中，將大氣汙垢困在永久性的有毒霧霾中，這加劇了問題。在接下來的幾年裡，其影響不僅可以從籠罩在城市上空的霧霾中看到，也可以從城市裡的狗身上看到，這些狗變得如此迷失方向，以至於有些狗不再認識它們的人類家人。在一系列嚴謹的研究中，神經病理學家莉蓮·卡爾德隆-加西杜埃納斯比較了來自被稱為“Makesicko City”（病態之城）的首都以及汙染較輕地區的犬類和兒童的大腦。她的發現令人震驚：童年時期暴露於空氣汙染會降低大腦容量，並增加成年後患幾種可怕的腦部疾病（包括帕金森病和阿爾茨海默病）的風險。
卡爾德隆-加西杜埃納斯如今是蒙大拿大學環境神經預防實驗室的負責人，她指出，透過神經影像學在她年輕的狗和人類身上記錄下來的受損大腦不僅僅在晚年具有重要意義；它們還會在終生的記憶力受損和智商降低中體現出來。其他研究發現，兒童晚期暴露於空氣汙染會改變整個大腦的神經迴路，可能影響執行功能，包括決策和注意力等能力，並增加患精神疾病的風險。
對我們所有人來說，風險都是巨大的。在中國、印度和全球南方其他地區，室內和室外空氣汙染在過去幾十年中持續飆升。根據聯合國基金會的資料，“全球近一半的人口每天呼吸有毒空氣，其中包括超過90%的兒童。” 基金會補充說，全球約有 23 億人依靠固體燃料和明火做飯，這使問題更加嚴重。世界衛生組織估計，每年約有 300 萬例過早死亡，其中大多數是婦女和兒童，是由於這種烹飪造成的空氣汙染造成的。
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與此同時，在美國，自 1970 年《清潔空氣法案》透過以來，平均空氣汙染水平已顯著下降。但關鍵詞是平均。數百萬美國人仍在呼吸著富含引發炎症的臭氧和細顆粒物的室外空氣。這些被稱為 PM2.5（直徑小於 2.5 微米的顆粒物）的顆粒物可以影響肺部和心臟，並且與腦損傷密切相關。野火——就像去年夏天席捲加拿大的野火一樣——是 PM2.5 的主要來源。最近的一項研究表明，殺蟲劑、油漆、清潔劑和其他個人護理產品是 PM2.5 的另一個主要且未被充分認識的來源，並且可能增加包括損害大腦的中風在內的多種健康問題的風險。
理清空氣汙染與大腦之間的關係非常複雜。在現代工業世界中，我們都暴露在數千種汙染物中。並非每個暴露於特定汙染物的人都會出現相同的一系列症狀、損傷或疾病——部分原因是他們的基因，部分原因是每次暴露可能發生在發育的不同階段或影響身體或大腦的不同區域。更重要的是，社會差距也在起作用：較貧困的人口幾乎總是居住在離工廠、毒素和汙染物更近的地方。
弄清真相併進行干預的努力催生了一個新的研究領域：環境暴露組學，即環境暴露及其對健康、疾病和發育影響的科學。環境暴露組學借鑑了關於環境毒素分佈、基因和細胞反應以及人類行為模式的大量資料集。有大量資訊需要解析，因此該領域的研究人員正在轉向另一門新興科學——人工智慧，以理解這一切。
“從我們的外部環境——我們呼吸的空氣、我們吃的食物、我們喝的水、我們每天面臨的情緒壓力——所有這些都會轉化為我們的生物學，”紐約西奈山伊坎醫學院兒科教授兼環境暴露組學研究所聯合主任羅莎琳德·賴特說。“所有這些因素加上基因本身就解釋了我們看到的風險模式。” 當暴露是持續和累積的，或者當它超過了我們的適應能力，或者“當您是子宮內的胎兒、當您是嬰兒或在幼兒期或在生長的關鍵時期時”，它會對終生的認知清晰度和大腦健康產生特別強大的影響。
南加州大學 (USC) 的神經科學家 梅根·赫廷一直在研究空氣汙染對發育中大腦的影響。“在過去的幾年裡，我們發現較高水平的 PM2.5 暴露與發育中大腦的形狀、神經結構和功能組織的許多差異有關，包括皮質厚度模式的改變以及灰質和白質微觀結構的不同，”她說。根據對暴露的年輕人進行的神經影像學研究，赫廷和她的研究人員懷疑，與空氣汙染相關的廣泛的大腦結構和功能差異可能是日後生活中出現的認知和情緒問題的早期生物標誌物。
一項國際薈萃分析（對其他研究的研究）為這一懷疑提供了支援，該分析於 2023 年發表，將兒童和青少年大腦發育關鍵時期暴露於空氣汙染與抑鬱症和自殺行為的風險聯絡起來。這些研究的影像學部分顯示，大腦結構發生了變化，包括可能與帕金森病等運動障礙有關的神經迴路，以及負責執行決策、注意力和自我控制的前額葉白質。
在 2023 年的一項研究中，赫廷和同事追蹤了正在過渡到青春期的兒童，青春期是大腦發育的敏感時期，因此特別容易受到毒素的長期損害。赫廷說，在前額葉皮層等青春期發育的大腦區域中，前額葉皮層有助於認知控制、自我調節、決策、注意力和解決問題。“你的情緒獎勵系統也仍在完善中，”她補充道。
研究人員查看了 9000 多名 9 歲至 10 歲暴露於空氣汙染的青少年在未來幾年的掃描資料，發現大腦區域之間的連線發生了變化，一些區域的連線較少，而另一些區域的連線比正常情況更多。赫廷解釋說，這些結構和功能連線使我們能夠在日常生活中發揮作用，但研究人員尚不清楚這些迴路的變化會產生什麼影響，甚至是否會產生影響。
參與非典型大腦回路的特定汙染物似乎是二氧化氮、臭氧和 PM2.5——許多研究人員最擔心的小顆粒物。赫廷解釋說：美國對細顆粒物設定的限制比大多數其他國家更嚴格，但仍然不夠充分。美國環境保護署目前將該汙染物的年平均水平限制為每立方米 12 微克，並允許每日峰值達到每立方米 35 微克。另一方面，衛生組織呼籲該機構將水平分別降低至每立方米 8 微克和 25 微克。因此，即使按照 EPA 標準可能是“安全的”，“美國各地的空氣質量正在導致兒童關鍵時期大腦網路發生變化，”赫廷說。這可能預示著“日後認知和情緒問題風險增加”。她計劃跟蹤她的青少年群體進入成年期，屆時科學的進步和時間的推移應該會揭示更多關於青春期暴露於空氣汙染的影響。
其他研究表明，隨著時間的推移，空氣汙染會增加患精神疾病的風險。在芝加哥大學計算生物學家安德烈·日茨基和同事基於美國和丹麥大型資料集的研究中，他們發現，在兩國，惡劣的空氣質量都與躁鬱症和抑鬱症發病率的增加有關，尤其是在早期暴露發生時。日茨基和他的團隊使用了兩個主要來源：在丹麥，是國家健康登記處，其中包含每位公民從搖籃到墳墓的健康資料；在美國，是保險索賠，其中包含醫療史以及居住縣、年齡、性別等詳細資訊，重要的是，還包含與家庭的聯絡——這些細節有助於揭示在生命的前 10 年中發生精神疾病的遺傳傾向。
“可能是相同的環境會在一個人身上引起疾病，但在另一個人身上不會，因為不同的人具有不同的易感基因變異，”日茨基說。“不同的遺傳易感性是謎題的一部分。另一部分是不同的環境。”
的確，這些複雜疾病的蔓延速度遠超基因本身似乎可以解釋的速度。“我們當然不確定哪種汙染物是致病原因。我們真的無法 pinpoint 確切的罪魁禍首，”日茨基說。但一個頑固的罪魁禍首繼續被證明在統計學上具有顯著意義：“看起來 PM2.5 是那些強烈訊號之一。” 為了具體弄清楚，我們需要更多的資料，而環境暴露組學將發揮至關重要的作用。
“這是一個警鐘，”弗朗西斯·詹森在 2022 年 10 月美國神經病學學會關於神經系統黑暗物質的研討會上對她的同事醫生們說。這次會議是對環境暴露組——一個人一生中接觸到的外部因素的總和——驅動神經退行性疾病的探索。會議的重點在很大程度上是空氣汙染。詹森是賓夕法尼亞大學的神經學家，也是美國神經病學協會的主席，她認為研究人員需要更多地關注汙染物，因為帕金森病診斷數量的急劇上升不能僅用人口老齡化來解釋。“環境暴露潛伏在幕後，並且正在上升，”她說。
帕金森病已經是繼阿爾茨海默病之後第二常見的神經退行性疾病。症狀通常在60 歲及以上的人群中出現，包括不受控制的運動、平衡困難和記憶問題，但也可能發生在 20 歲左右的年輕人身上，儘管這種情況很少見。空氣中的某些物質能否解釋帕金森病在全球範圍內日益流行？研究人員尚未確定一種具體原因，但他們知道帕金森病症狀是由於黑質中神經細胞退化造成的，黑質是大腦中產生多巴胺和其他訊號傳遞化學物質的部分，這些物質對運動和協調至關重要。
埃默裡大學環境健康科學家 W·邁克爾·考德爾使用質譜分析法來識別我們體內的化學物質，他認為現在有許多空氣汙染物嫌疑與多巴胺生成細胞的損失有關。他正在關注的一個嫌疑是脂多糖，這種化合物通常存在於空氣汙染和細菌毒素中。雖然脂多糖不能直接進入大腦，但它們會使肝臟發炎。然後，肝臟將炎症分子釋放到血液中，這些分子與血腦屏障中的血管相互作用。“然後大腦中的炎症反應會導致多巴胺神經元的損失，就像在帕金森病中看到的那樣，”考德爾說。
更多證據來自位於鳳凰城的巴羅神經學研究所的神經流行病學家 布列塔尼·剋日扎諾夫斯基。剋日扎諾夫斯基在看到一張突出顯示密西西比河-俄亥俄河谷（包括田納西州和肯塔基州地區）帕金森病高風險的地圖時，有了“啊哈！”時刻。起初，她懷疑帕金森病熱點是否是由於該地區農藥的使用造成的。但後來她突然意識到：該地區也有高密度道路網路，這表明空氣汙染可能與此有關。“這些地區的汙染可能含有更多來自交通的燃燒顆粒和來自制造業的重金屬，這些物質與大腦中參與帕金森病的部分的細胞死亡有關，”她說。
在 2023 年 10 月發表在《神經病學》雜誌上的一項研究中，剋日扎諾夫斯基和同事使用複雜的地理空間分析技術進一步表明，與居住在空氣汙染水平最低地區的人相比，空氣汙染水平中等的人患帕金森病的風險高出 56%。除了密西西比河-俄亥俄河谷外，其他熱點地區還包括北達科他州中部、得克薩斯州部分地區、堪薩斯州、密歇根州東部和佛羅里達州尖端地區。與美國其他地區相比，居住在美國西部地區的人患帕金森病的風險較低。
至於密西西比河-俄亥俄河谷的熱點地區，那裡的帕金森病發病率比空氣顆粒物含量最低的地區高出 25%。除此之外，剋日扎諾夫斯基和她的研究團隊還注意到一些特別奇怪的事情：該疾病的頻率隨著汙染水平的升高而上升，但即使空氣汙染持續飆升，該疾病的頻率也趨於平穩。原因之一可能是其他與空氣汙染相關的疾病，包括阿爾茨海默病，正在掩蓋帕金森病的出現；另一個原因可能是 PM2.5 的一種不尋常形式。“帕金森病的區域差異可能反映了顆粒物成分的區域差異，與與其他地區相比，某些地區的顆粒物可能含有更多有毒成分，”剋日扎諾夫斯基說。她希望利用環境暴露組學的原則，在未來幾個月和幾年內探索這些問題。
對環境因素與阿爾茨海默病之間聯絡的探索也在進行中。南加州大學的神經老年病學家卡萊布·芬奇多年來一直致力於研究痴呆症，尤其是阿爾茨海默病，這種疾病影響了超過 600 萬美國人。與帕金森病一樣，阿爾茨海默病在美國和世界大部分地區的發病人數也在上升。神經元退行性變化在 60 歲以後變得越來越頻繁，但活到 100 歲的人中有一半不會患上痴呆症。許多因素可以解釋這些差異。芬奇說，空氣汙染可能是一個重要因素。
芬奇和他的南加州大學同事 陳九川等研究人員正在聯合起來，探索環境神經毒素與大腦健康下降之間的聯絡。這是一個具有挑戰性的專案，因為空氣汙染水平和特定汙染物在精細尺度上變化，並且在全球許多地區可能會每小時都在變化。根據對不同地理區域數百人的腦部掃描，我們已經知道： “居住在空氣汙染水平高的地區，並在三大洲接受研究的人們表現出動脈疾病、心臟病和中風加速，以及認知能力下降更快，”芬奇說。
當然，並非每個人在暴露於汙染物時都會做出相同的反應。阿爾茨海默病的最大風險似乎會襲擊攜帶一種稱為載脂蛋白 E (APOE4) 的基因變異的人，這種變異參與制造有助於在血液中攜帶膽固醇和其他型別脂肪的蛋白質。大約 25% 的人攜帶該基因的一個副本，2% 到 3% 的人攜帶兩個副本。但僅繼承該基因並不能決定一個人患阿爾茨海默病的風險。環境暴露也很重要。
陳、芬奇和同事最近在《阿爾茨海默病雜誌》上發表的一項研究調查了空氣汙染暴露與 1100 名男性（研究開始時年齡都在 56 歲左右）的阿爾茨海默病早期跡象之間的關聯。到 68 歲時，PM2.5 暴露量高的受試者在語言流暢性方面得分最差。暴露於高濃度二氧化氮 (NO2) 空氣汙染的人也與情景記憶惡化有關。攜帶 APOE4 基因的男性在執行功能方面得分最差。證據表明，空氣汙染與基因風險相互作用導致晚年患阿爾茨海默病的過程可能至少在男性中年時期就開始了。
南加州大學的另一項研究對 2000 多名女性進行了研究，發現當空氣質量改善時，老年女性的認知能力下降速度減慢。當 PM2.5 和 NO2 等汙染物的暴露量在六年內每年下降幾個微克/立方英尺時，研究中的女性的測試結果顯示比她們的實際年齡年輕一歲左右。這表明，當空氣汙染暴露降低時，痴呆症風險可能會降低。
與此同時，柳葉刀委員會的一項國際研究得出結論，透過改變或避免 12 個風險因素可以降低痴呆症（包括阿爾茨海默病）的風險：高血壓、聽力障礙、吸菸、肥胖、抑鬱症、低社交接觸、低教育水平、缺乏體育鍛煉、糖尿病、過量飲酒、創傷性腦損傷和空氣汙染。總共，這 12 個可改變的風險因素約佔全球痴呆症的 40%，理論上可以預防或延緩。
鑑於所有這些，芬奇和杜克大學的社會科學家亞歷山大·庫爾明斯基提出了“阿爾茨海默病環境暴露組”來評估與基因相互作用導致痴呆症的環境因素。在藥物治療失敗的地方，環境暴露組學或許可以提供幫助。對瑞典雙胞胎的研究表明，阿爾茨海默病風險個體差異的一半可能是環境因素造成的，因此是可以改變的；雖然大量研究資金已投入到該疾病的遺傳根源中，但改變環境暴露組可能會比迄今為止所有正在進行的藥物試驗提供更好的預防效果。研究人員指出，環境毒素廣泛破壞大腦中的細胞修復和保護機制。肥胖和壓力等因素會導致慢性炎症，這可能會損害神經元的功能和交流能力。阿爾茨海默病環境暴露組的研究框架為阿爾茨海默病風險的環境基礎提供了全面、系統的方法，涵蓋了個人的整個生命週期——從受精前的配子到子宮內的胎兒時期，再到童年及以後。
三十年來，西奈山的羅莎琳德·賴特一直希望將神經發育和神經退行性疾病中的關鍵問題追溯到汙染物——從高速公路排放物到重金屬，再到特定的家用化學品和許多其他因素——但大量資料令人應接不暇。隨著人工智慧 (AI) 和先進的神經影像技術的出現，使用龐大的基因組資料庫進行高精度研究終於成為可能。“我知道我們需要問這些型別的問題，但我沒有工具來做到這一點。現在我們有了，這非常令人興奮，”賴特說。
賴特使用機器學習——一種用於資料分析的人工智慧方法——檢視包含個人住所的精確位置以及他或她遇到的無數汙染物的大型資料集。“它與我們使用的其他統計模型在根本上沒有什麼不同，”她說。“只是這個模型被開發出來，能夠接收越來越大的資料，以及越來越多的暴露型別。” 結果資料分解應該告訴我們哪些因素驅動了哪些型別的人的哪些型別的風險。這些資訊將幫助人們瞭解他們應該將精力集中在哪裡，以減少暴露於高風險汙染物，並最終降低損傷和疾病（無論是大腦疾病還是其他疾病）的風險。
賴特及其同事使用的工具正在針對阿爾茨海默病等疾病進行訓練。賴特說，如果將基因和環境結合在一起，“你就會開始看到誰可能處於更高風險之中，以及潛在的機制可能以不同的方式在不同人群中驅動它”。環境暴露組還可以解釋汙染可能產生的更微妙的認知影響，這些影響可能會在很長一段時間內顯現出來，例如對注意力、智力和表現的損害。
為了應對環境大腦風險，重要的是要知道存在哪些汙染物——這也是環境暴露組學研究的另一個目標。在美國，EPA 在我們主要城市的所有地方都設定了固定的環境監測器，每天測量來自交通和工業的細顆粒物，以及由此產生的二級化學物質。全球各地還有數千顆衛星在校準熱浪，熱浪會改變汙染物相互反應的方式。
像賴特這樣的先驅者才剛剛開始繪製影響大腦的環境暴露地形。“隨著我們越來越多地測量環境暴露組，我們或許能夠定製預防和干預策略。新武器包括我們在實驗室中使用的一種矽膠手環。您佩戴它，它會告訴我們您暴露於哪些汙染物，”賴特說。她還在探索更多方法來收集人們已經遇到的毒素的資料：“用一根頭髮，我們可以告訴您您接觸過什麼。頭髮每月生長約一釐米，因此如果我們從一位懷孕婦女那裡獲得九釐米的頭髮，我們可以追溯到整整九個月前，追溯到胎兒的整個生命週期。或者，當孩子在六歲時掉牙時，我們可以建立一個終生的環境暴露組歷史。”
“我們天生就具有很強的適應能力，”賴特補充道。問題在於，當暴露是慢性的和累積的，並且超過了我們的適應能力時。我們不可能解決所有問題，“但如果我比以前更瞭解自己，這會讓我有能力思考，‘我正在最佳化平衡，並且我正在盡我所能進行干預。’”
其他報道和編輯工作由瑪格麗特·海瑟曼完成。
這個故事是OpenMind系列文章、播客和影片的一部分，該系列文章、播客和影片由普利策中心“真理衰退”倡議的慷慨資助支援。
這個故事最初發表在數字雜誌《開放思維》上，該雜誌致力於解決科學爭議和欺騙行為。