洛杉磯，加利福尼亞州——在一個位於110高速公路下風口100米處、四周密布刺鐵絲網的封閉停車場內，一根鋁製軟管從一輛白色拖車上連接出來，其吸嘴正對著高架。該軟管每分鍾都會抽取上百升混有各類汽車尾氣的空氣，而這些尾氣則排放自每天隆隆行經此處的300,000多輛汽車與柴油卡車。
蜷縮在拖車內的年輕化學工程師 Afrian Saffari 打開了軟管上已經被熏黑的汽缸。這一部分屬於一個非常精密的過濾係統，該係統會根據顆粒大小對汙染物進行分類。附著在軟管內部的，是組成成分極為精細的顆粒負載物：比人類頭發直徑的1/200還細小的硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、炭黑和重金屬顆粒。
在南加州大學(USC)Constantinos Sioutas 實驗室工作的 Saffari 稱，這些顆粒物十分細小，大多數空氣汙染監測儀器都無法精確測量。而直徑小於0.2 μm的“超細”(ultrafine)顆粒物則屬於一種專門的空氣汙染物類型，即 PM2.5：這是一種對空氣中直徑小於或等於2.5 μm的固體顆粒或液滴的總稱。顆粒物的毒性與大小密切相關，Saffari 解釋道，細胞接觸的顆粒物越小，其氧化應激水平越高，即產生破壞 DNA 與其他細胞結構的化學活性分子(如過氧化物等)越多。
吸入細顆粒物與超細顆粒物可能引發的一些健康風險已經得到了確認，如哮喘、肺癌，還有最近研究發現的心髒病等。但越來越多的證據表明，暴露在這些空氣汙染物中還可能損傷大腦、加速認知老化，甚至還可能增加罹患阿爾茲海默病與其他癡呆疾病的風險。
空氣汙染可能導致癡呆的觀點仍然充滿爭議——即便支持這一觀點的人也表示，兩者的因果關係、顆粒物進入大腦的可能路徑、造成大腦功能紊亂的具體機理還有待進一步研究。然而，全球各地越來越多的流行病學研究、動物模型與人類腦成像研究，以及越來越精確的 PM2.5濃度計算模型為人們敲響了警鍾。南加州大學的研究者們於2017年1月底在《轉化精神病學》(Translational Psychiatry)上發表了一項長達11年之久的流行病學研究結果，他們公布了以下結論：如果長期暴露在高於美國環境保護署(Environmental Protection Agency，EPA)規定的12 μg/m3的 PM2.5濃度下，那麼老年女性患癡呆的幾率會增加一倍。
該論文作者、南加州大學凱克醫學院流行病學家陳居泉(Jiu-Chiuan Chen)教授表示，如果該研究結果在普通人群中也成立的話，那麼全世界21%的癡呆病例都可以歸結於空氣汙染。
不僅如此，加拿大多倫多大學的研究者們在2017年1月的《柳葉刀》(The Lancet)上發表了他們的結果：在660萬接受調查的安大略省居民中，居住在距離主路不到50米處(這些地方的細顆粒汙染物濃度比距離150米左右的高出10倍以上)的居民，罹患癡呆的幾率比生活在200米以外的高出12%。
來自印第安納大學(Indiana University)的神經科學家 Michelle Block 謹慎地表示，這還是一個“非常、非常新興”的研究領域。不過她肯定，對研究空氣汙染對大腦造成的影響而言，現在是“極其激動人心的時刻”。如果研究結果得到了確認，那將為公共衛生專家提供大幅降低患阿爾茲海默病風險的控製手段，對這種極具毀滅性且目前為止仍無有效治療手段的疾病來說，該研究無疑點亮了一絲希望。
本世紀早期，墨西哥城的瘋狗們讓研究者們第一次關注到，吸入汙染空氣會引發神經退行性疾病(neurodegeneration)。當時，一位名為 Lilian Calderón-Garcidue?as 的神經科學家(現任教於米蘇拉市的蒙大拿大學)注意到，那些居住在城市特定受汙染區域的高齡狗，經常會變得混亂不清、逐漸無法辨別方向，甚至不能識別出自己的主人。當這些狗去世後，Calderón-Garcidue?as 分析了它們的大腦，發現它們的腦組織細胞外沉積了大量的 β-澱粉樣蛋白(一種同樣出現在阿爾茲海默病病人大腦中的“斑塊”)，其數量遠大於在汙染程度較輕的城市中生活的狗。她接著研究了墨西哥城中意外死亡的兒童與青年，發現他們腦中的“斑塊”數量有類似程度的上升;同樣增多的還有炎症症狀，例如極度活躍的膠質細胞、大腦的免疫細胞等。Calderón-Garcidue?as 的研究沒有設置嚴格的對照，也沒有說明另一個事實，即 β-澱粉樣蛋白增多並不一定等於癡呆。不過，她的觀察仍為未來的研究提供了重要的支持。
在110高速公路取完樣後，那些附著了細顆粒物的管子就要發揮關鍵作用了。在南加州大學的一處地下實驗室中，Sioutas 和他的團隊通過醫用霧化器霧化這些汙染物，然後把汙濁的空氣通入關有實驗小鼠的籠子，這些小鼠體內已經轉入了人類的β-澱粉樣蛋白基因;對照組生活在同一房間內，但呼吸經過過濾的純淨空氣。在最近的一次實驗中，經過一段特定的時間，即曆時數周、共計220小時後，該團隊的研究人員將這些齧齒動物遞交給南加州大學的同事。接手的研究人員會殺死小鼠，然後觀察它們大腦中神經退行性疾病的征兆。
研究人員讓一組小鼠呼吸受汙染的空氣，而讓另一組小鼠呼吸純淨的空氣。數周之後，他們將觀察兩組小鼠的大腦。
南加州大學的神經科學家 Caleb Finch 和 Todd Morgan 是本次研究的主要負責人，他們一直都在研究衰老對大腦的影響。他們發現在呼吸汙濁空氣的小鼠體內，大腦的小膠質細胞(microglia)釋放了大量的炎症分子，其中包括腫瘤壞死因子α(身患阿爾茲海默病的人體內該因子水平同樣會升高，而且該因子與健忘密切相關)。暴露在汙染環境中的小鼠還表現出其他大腦受損的症狀，該研究團隊在最近的幾篇論文中發表了這些結果：與對照組相比，實驗組小鼠體內含有更多的 β-澱粉樣蛋白，神經突縮短、衰退，細胞衰老過程從神經元擴展到了其他細胞。
隨空氣漂浮的細顆粒物究竟是如何從齧齒動物的鼻腔進入大腦的?這其中的具體過程仍不明了。但由紐約羅切斯特大學 Günter Oberd?rster 領導的研究團隊使用含碳同位素的顆粒示蹤，證明小於200nm 的顆粒物吸入齧齒動物的鼻腔後，的確能夠通過精巧的組織結構，一路進到神經元，甚至散布至小腦(位於大腦後方)，並觸發炎症反應。
為了厘清動物研究可能惠及人類的部分，科學家們仍需通過人類大腦成像技術和嚴格的認知實驗，進一步探究空氣汙染程度與這些結果的相關性。
這並不是一項輕而易舉的研究。美國國家環境健康科學研究所(National Institute of Environmental Health Sciences)的項目管理人 Kimberly Gray 稱，關於環境汙染程度，美國缺乏長期的曆史數據，其他國家亦是如此。但在2016年9月發表的一份報告中，來自中國大陸和台灣地區、瑞典、德國、英國、美國等地的18項流行病學研究，除一項外，其餘全部指出暴露在重空氣汙染(至少其中一項空氣汙染組成濃度超標)環境中與表現出癡呆跡象的相關性。這份發表在《神經毒理學》(Neurotoxicology)的報告中，包括一項2012年針對美國19,000名退休護士開展的調查。該調查表明，這些護士所處環境的細顆粒物濃度越高(根據他們住所附近的監測數據)，他們在認知測驗中的表現水準就下降得越快。這項調查的主要負責人、來自波士頓大學的流行病學家 Jennifer Weuve 提到，每增加10 μg /m3的汙染物濃度，他們在記憶力和注意力測試中的表現水準就會有相當於衰老兩歲的下降。
影像學研究也表明，空氣汙染會損害人類的大腦。在2015年的一項研究中，通過對參與弗雷明漢心髒研究項目(新英格蘭地區的一項長期心血管研究項目)的成員進行腦部核磁共振成像(MRI)，哈佛大學醫學院的研究人員發現，住得離主機動車道越近(因而更可能暴露在高PM2.5濃度下)，這些居民的大腦腦容量就越小。即使根據受教育程度、吸煙與否、肥胖程度以及心血管疾病等影響因素作出適當調整後，這種相關性仍然成立。
上述研究發布不久，陳居良教授便報告了另一例腦容量縮減的研究案例。在被測的1403名老年女性中，所處環境的 PM2.5濃度每增加3.5 μg /m3，其大腦中的白質(一種連接大腦不同部位的絕緣神經纖維)總體積就會縮減6 cm3。而此處用到的 PM2.5濃度變化，來自被測者接受腦部掃描前，其住所周圍6~7年以來的空氣質量監測數據。Block 解釋道，陳教授對白質的研究發現與人工培養的神經元研究結果一致，這表明暴露在高濃度 PM2.5環境中會導致髓磷脂(myelin，一種發揮“絕緣體”功效的脂質，包覆在軸突外層)“最終脫落，就好像創可貼一樣”。
汙染物顆粒可能會直抵大腦並對其造成損害，或者會通過誘發炎症分子而進行“遠程攻擊”。
目前何地風險最大尚未明了。燃燒石油和天然氣、木柴、植被等任何東西都會產生 PM2.5。全球各地對 PM2.5的監測數據都有不足，以美國為例，隻有不到三分之一的郡縣擁有臭氧或顆粒物汙染監測器，偏遠農村地區的覆蓋程度更是稀疏。Gray 表示，在過去的幾年中，新建立起來的計算模型可以協助填補監測數據中的缺口。
華盛頓大學的生物統計學家 Lianne Sheppard 表示，她將以華盛頓州西雅圖市為駐地展開研究，檢測參與者一生中暴露在PM2.5汙染中的時間與癡呆發病率之間的相關性。
Sheppard 和她的同事將充分利用他們之前為研究空氣汙染與動脈粥樣硬化之間聯係開發的計算模型。Sheppard 表示，該模型 “建立在大量的幕後工作之上”。首先，他們需要編譯十多年以來，來自美國600000多個分布點的 PM2.5以及其他汙染物濃度的監測數據。針對每一個分布點，他們計算了800個不同的地理信息變量，比如該地點與港口、工廠、精煉廠、渣油和道路之間的距離。然後，他們設計了一個25 m × 25 m 的網格，測量每一網格中的 PM2.5濃度，再通過計算模型擬合得到這些數據。以該模型為分析基礎，Sheppard 和同事們將撰寫一份更加細致的報告，評估就西雅圖及周邊地區過去十幾年的空氣汙染程度。
為了調查該地區的癡呆患者比例，他們將利用未來成人變化研究項目(Adult Changes in Thought)的數據，該項目監測了20年來西雅圖地區5000名老年人的健康狀態變化。盡管在加入該研究項目之初，所有參與者的認知狀態都很正常，但隨著年齡的增長，約1000名老人在65歲左右出現了癡呆的症狀，其中包括859名阿爾茲海默病患者。去世後，很多參與者都將自己的大腦捐獻給了科學研究(目前已有600多名捐獻者)，病理學家便可以據此檢查他們腦組織中異常的蛋白組成、腦血管損傷，以及其他的細胞應激反應。Sheppard 表示，這類分析結合基因研究，不僅能使她的團隊深入探測“空氣汙染與認知能力之間的流行病學關係，更能就具體的作用機製開展深度探討”，如此，他們才能更好地解釋空氣汙染物對人類大腦的影響。
有些研究者則比其他人更謹慎。在《轉化精神病學》上發表的研究中，陳居良教授的團隊發現，攜帶阿爾茲海默病致病基因 APOE4的女性，在空氣汙染條件下更容易患病。最近，Finch 開始考察 PM2.5與香煙煙霧之間的重複作用以及潛在的協同效用。香煙煙霧本身就含有大量的超細顆粒物，在小鼠實驗中，可以誘發澱粉樣蛋白斑的生成以及神經炎症。Finch 表示，盡管人們一度認為抽煙能預防阿爾茲海默病，但後續研究表明，煙草煙霧其實是該病的一大誘因。例如，在2014年世界衛生組織發布的報告中，全世界 14%的阿爾茲海默病都被歸因於抽煙。
空氣汙染可能會對窮人的認知能力造成更大的損害，因為從某種程度而言，他們更可能居住在高 PM2.5濃度的環境中，譬如主機動車道旁或港口。Jennifer Ailshire 是一名南加州大學的社會學家，她表示，與貧窮等相關的應激源可能會加劇有毒顆粒物對人體的損害。她近期的一項研究表明，參與認知測驗的老年人如果生活在垃圾遍地、犯罪率高的髒亂環境中，其測試表現會比居住在空氣汙染程度相當、但所處社區更加宜居的測試者更差。Jennifer 說道：“住在洛杉磯，我們都會暴露在各種各樣的汙染之中，但其中一些人並不會受到太大的影響。”她還表示，當我們試圖降低空氣汙染對人體健康的損害時，“可能需要著重關注某些特定社區的空氣汙染程度，因為那裏的居民更容易受到影響。”
如果 PM2.5的確是造成上述這些損害的主因，那麼，研究人員們認為，全世界的政策製定者都應該盡可能地大幅度降低其濃度。縱覽相關的所有研究，Finch表達了自己的憂慮：“我認為空氣汙染最終可能會和煙草一樣——並不存在什麼安全閾值。”
原始出處：
Emily Underwood.Air pollution, particularly in major cities such as Los Angeles, California, may promote brain inflammation and disease.ChemistryHealth
DOI: 10.1126/science.aal0656
