“暴露组学”的新科学揭示了空气污染如何导致阿尔茨海默病、帕金森病、双相情感障碍和其他脑部疾病。

到1992年，不断膨胀的人口、拥堵的交通和爆炸性的工业增长使墨西哥城被联合国列为世界上污染最严重的城市地区。问题因这座高海拔大都市坐落在一个山谷中而加剧，该山谷将大气污染物困在 perpetually 有毒的雾霾中。在接下来的几年里，影响不仅体现在头顶的烟雾层中，也体现在该市的狗身上，它们变得如此迷失方向，以至于有些狗再也认不出它们的人类家庭。

在一系列精妙的研究中，神经病理学家Lilian Calderón-Garcidueñas比较了来自“病态墨西哥城”（该首都的绰号）的犬类和儿童与来自污染较少地区的大脑。她的发现令人恐惧：儿童时期暴露于空气污染会降低脑容量，并增加成年后患上包括帕金森病和阿尔茨海默病在内的多种可怕脑部疾病的风险。

对所有人的巨大风险

对我们所有人来说，风险是巨大的。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 steadily 飙升。根据联合国基金会的说法，“世界上近一半的人口每天呼吸着有毒空气，包括超过90%的儿童。”世界卫生组织估计，每年约有300万人过早死亡（主要是妇女和儿童）是由这种烹饪产生的空气污染造成的。

与此同时，在美国，自1970年《清洁空气法》通过以来，平均空气污染水平已显著下降。但关键词是“平均”。数百万美国人仍然呼吸着含有引发炎症的臭氧和细颗粒物的室外空气。这些被称为PM2.5的颗粒物可以影响肺和心脏，并与脑损伤密切相关。最近的一项研究表明，农药、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——来源，并可能增加许多健康问题的风险，包括损害大脑的中风。

暴露组学：解决复杂问题的新科学

理清空气污染与大脑之间的关系是复杂的。在现代工业世界，我们都暴露于 literally 数千种污染物中。而且，并非每个暴露于特定污染物的人都会出现相同的症状、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时间点或影响身体或大脑的不同区域。更重要的是，社会差异也在起作用：较贫穷的人口几乎总是居住在离工厂、毒素和污染物更近的地方。

解决这个问题的努力催生了一个新的研究领域：暴露组学，即环境暴露及其对健康、疾病和发育影响的科学。暴露组学利用关于环境毒素分布、遗传和细胞反应以及人类行为模式的大量数据集。有大量的信息需要解析，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——来理解这一切。

空气污染对发育中大脑的影响

南加州大学的神经科学家Megan Herting一直在研究空气污染对发育中大脑的影响。“在过去几年中，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，”她说。根据暴露于空气污染的年轻人的神经影像学结果，Herting和其他研究人员怀疑，与空气污染相关的广泛大脑结构和功能差异可能是晚年出现的认知和情感问题的早期生物标志物。

这种怀疑得到了2023年发表的一项国际荟萃分析的支持，该分析将儿童和青少年大脑发育关键时期的空气污染暴露与抑郁和自杀行为的风险联系起来。研究的影像部分显示大脑结构的变化，包括可能涉及帕金森病等运动障碍的神经回路，以及负责执行决策、注意力和自我控制的前额叶白质。

空气污染与精神疾病风险

其他研究表明，随着时间推移，空气污染会增加精神疾病的风险。芝加哥大学计算生物学家Andrey Rzhetsky及其同事基于美国和丹麦的大型数据集发现，糟糕的空气质量与两国双相情感障碍和抑郁症的发病率增加有关，尤其是在生命早期暴露时。

“相同的环境可能会导致一个人患病，而另一个人不会，因为不同的人有不同的 predisposing 遗传变异，”Rzhetsky说。“不同的遗传倾向是谜题的一部分。另一部分是变化的环境。”

空气污染与帕金森病和阿尔茨海默病

费城巴罗神经学研究所的神经流行病学家Brittany Krzyzanowski在看到一个地图突出显示密西西比-俄亥俄河流域（包括田纳西州和肯塔基州部分地区）帕金森病高风险时，有了一个“啊哈！”时刻。起初她想知道该地区的帕金森病热点是否是由于农药使用。但后来她突然意识到：该地区还有一个高密度道路网络，表明空气污染可能涉及其中。

在2023年10月发表在《神经学》上的一项研究中，Krzyzanowski和同事使用复杂的地理空间分析技术，进一步表明，与生活在空气污染最低水平地区的人相比，空气污染中位数水平的人患帕金森病的风险高56%。

人们也在寻找环境因素与阿尔茨海默病之间的联系。南加州大学的神经老年病学家Caleb Finch说，研究人员正在联合起来探索环境神经毒素与大脑健康衰退之间的联系。Finch说：“生活在高空气污染地区的人，以及在三大洲被研究的人，都显示出加速的动脉疾病、心脏病发作和中风，以及更快的认知能力下降。”

阿尔茨海默病暴露组

鉴于所有这些，Finch和杜克大学的社会科学家Alexander Kulminski提出了“阿尔茨海默病暴露组”来评估与基因相互作用导致痴呆的环境因素。在药物失败的地方，暴露组学也许能提供帮助。对瑞典双胞胎的研究表明，阿尔茨海默病风险的一半个体差异可能是环境因素造成的，因此是可修改的；尽管巨额研究资金已投入到该疾病的遗传根源上，但改变暴露组可能会提供比迄今为止所有正在进行的药物试验更好的预防方法。

暴露组学的未来工具

西奈山的Rosalind Wright三十年来一直想将神经发育和神经退行性变中的关键问题追溯到污染物，但数据量一直压倒性的。随着人工智能和复杂神经影像技术的出现，使用 vast 基因组数据库进行高精度研究终于成为可能。

Wright说：“我们正在设计成相当有韧性的。”问题在于当暴露是慢性和累积性的，并压倒了我们的适应能力。我们不会解决所有问题，“但如果我比以前更了解自己，这就会 empower 我去思考，‘我正在优化平衡，我正在尽我所能进行干预。’”