آلودگی هوا و آسیب مغزی: علم چه می‌گوید

مطالعات اپیدمیولوژیک آلودگی هوا را با زوال عقل و سایر اختلالات مغزی مرتبط دانسته‌اند. اکنون محققان در تلاشند تا چگونگی آسیب رساندن آلاینده‌ها و میزان آسیب آنها را مشخص کنند.

در سال 2012، دبورا کوری-اسلکتا در دانشگاه روچستر، نیویورک، "یک سطل مغز" دریافت کرد. یکی از همکاران در حال مطالعه بر روی این بود که چگونه آلودگی هوا در اطراف دانشگاه به قلب و ریه‌های موش‌ها آسیب می‌رساند و از کوری-اسلکتا خواسته بود تا مغز حیوانات را از نظر آسیب بررسی کند. کوری-اسلکتا به عنوان متخصص در زمینه سمیت عصبی سرب، به یاد می‌آورد که فکر می‌کرد: «آلودگی هوا؟ چقدر می‌تواند بد باشد؟» اما آنچه او در آن مغزها دید آنقدر "تکان دهنده" بود، به گفته خودش، که کل تمرکز تحقیقاتی او را تغییر داد.

تمرکز بر چگونگی آسیب رساندن آلودگی هوا به مغز¹، کوری-اسلکتا را در قلمرویی تنها قرار داد. به خوبی ثابت شده است که آلودگی هوا، به شکل ذرات معلق، ازن یا سایر گازهای سمی، در آسم، سرطان ریه و سایر بیماری‌های تنفسی نقش دارد و به ویژه ذرات معلق در بیماری‌های قلبی نیز دخیل هستند². اما در آن زمان، به گفته او، افراد کمی که در زمینه آلودگی هوا مطالعه می‌کردند به مغز علاقه داشتند و حتی تعداد کمتری از متخصصان علوم اعصاب به آلودگی هوا علاقه نشان می‌دادند. ارائه های او در کنفرانس های علوم اعصاب توجه بسیار کمی را به خود جلب کرد تا اینکه او از شرکت در جلسات دست کشید.

اکنون، این حوزه تحقیقاتی توجه بیشتری را به خود جلب کرده و نگرانی در سراسر جهان را برانگیخته است³. مطالعه پس از مطالعه نشان داده است که سطوح بالاتر آلودگی هوا با افزایش خطر ابتلا به زوال عقل، و همچنین نرخ بالاتر افسردگی، اضطراب و روان پریشی مرتبط است⁴. محققان همچنین ارتباطاتی با شرایط عصبی رشدی، مانند اوتیسم و ​​اختلالات شناختی در کودکان پیدا کرده‌اند⁵.

در سال 2020، کمیسیون معتبر لنست در مورد زوال عقل، آلودگی هوا را به عنوان یک عامل خطر برای این وضعیت به رسمیت شناخت⁶، و در گزارش پیگیری خود در سال گذشته⁷ اعلام کرد که قرار گرفتن در معرض ذرات معلق معلق در هوا "اکنون یک نگرانی و علاقه شدید است". در همین حال، گزارشی در سال 2022⁸ از کمیته اثرات پزشکی آلاینده‌های هوا در دولت بریتانیا خواستار تحقیقات بیشتر در مورد ارتباط آلودگی هوا با زوال عقل شد. به همین ترتیب، دستورالعمل‌های جهانی کیفیت هوا در سال 2021 از سازمان جهانی بهداشت (WHO) بر اهمیت مطالعه اثرات عصبی آلودگی هوا بر افراد جوان و مسن تأکید کرد⁹.

سازمان جهانی بهداشت تخمین می زند که 99 درصد از جمعیت جهان در معرض آلودگی بالاتر از سطح توصیه شده قرار دارند و بسیاری از شهرهای کشورهای کم درآمد و با درآمد متوسط ​​از کیفیت هوای بسیار بدی برخوردار هستند. اما این فقط شهرهای بزرگ مانند مکزیکو سیتی و دهلی نیستند که مردم در معرض خطر هستند. مگان هرتینگ، متخصص علوم اعصاب در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی در لس آنجلس می گوید: «حتی قرار گرفتن در معرض سطح پایین که مردم فکر می کنند برای سلامت عمومی به اندازه کافی ایمن است، در سطح مغز تأثیر می گذارد.»

ایان مودوی، سم شناس محیطی در امپریال کالج لندن و یکی از نویسندگان گزارش سال 2022 بریتانیا می گوید، محققان اکنون باید سعی کنند مکانیسم های پشت این مشکلات را به منظور برداشتن گام هایی برای کاهش چنین مسائلی مشخص کنند. برای مودوی، سوال میلیون دلاری این است: «چه چیزی در آلودگی هوا وجود دارد که این اثرات را ایجاد می کند؟»

مطالعات مغز کودکان و سگ‌ها در مکزیکوسیتی در اواخر دهه 2000 و اوایل دهه 2010 از اولین مواردی بودند که زنگ خطر را در مورد سمیت عصبی آلودگی هوا به صدا درآوردند. تصویربرداری عصبی نشان داد که بسیاری از کودکانی که در این شهر بسیار آلوده زندگی می کنند، ضایعات بیشتری در مسیرهای ماده سفید که نواحی مغز را به هم متصل می کنند نسبت به کودکانی که در مناطق کم آلوده تر زندگی می کنند، دارند و به نظر می رسد قشر پیش پیشانی به ویژه آسیب پذیر است. کودکان شهر، بدون هیچ عامل خطر دیگری برای اختلالات مغزی، در مقایسه با این افراد عملکرد ضعیفی در وظایف شناختی داشتند¹⁰ (برای یافته‌های بیشتر به «پروتئین‌های مشکل‌ساز» مراجعه کنید).

آلودگی ترکیبی بسیار پیچیده از اجزای گازی و ذراتی است که بسته به منبع متفاوت است. اگزوز وسایل نقلیه و تولیدات صنعتی منابع اصلی ذرات در اندازه های مختلف هستند و اجاق های پخت و پز، آتش سوزی های جنگلی و گرد و غبار صحرا نیز در آن نقش دارند. احتراق سوخت و سایر منابع، اکسیدهای نیتروژن و گوگرد، مونوکسید کربن و ازن را آزاد می کنند. مطالعات در کشورهای متعدد، از جمله کشورهایی که مقررات در آنها کیفیت هوا را در دهه های اخیر به شدت بهبود بخشیده است، ارتباطاتی بین آلودگی و اختلالات خاص مغزی پیدا کرده است.

تحلیلی در سال 2023 از بیش از 389000 شرکت کننده در بانک زیستی بریتانیا نشان داد که قرار گرفتن طولانی مدت در معرض ذرات معلق معلق در هوا، اکسید نیتریک و دی اکسید نیتروژن با سطوح بالاتر افسردگی و اضطراب مرتبط است¹¹. گواکسینگ لی، متخصص سم شناسی محیطی در دانشگاه پکینگ چین، تاکید می کند که حتی سطوح بسیار پایین قرار گرفتن در معرض این شرایط خطر را افزایش می دهد.

ماه گذشته، یک مطالعه 16 ساله بر روی بیش از 200000 نفر از ساکنان اسکاتلند نشان داد که قرار گرفتن در معرض تجمعی بالاتر دی اکسید نیتروژن با افزایش بستری شدن در بیمارستان به دلیل اختلالات سلامت روان و رفتاری مرتبط است¹².

در همین حال، مطالعات در فرانسه، ایالات متحده و چین نشان داده است که در مناطقی که کیفیت هوا بهبود یافته است، میزان زوال عقل، کاهش شناختی و افسردگی در جمعیت های مسن کاهش یافته است⁷.

مطالعات مشاهده ای همچنین آلودگی هوا را با تغییرات ساختاری در مغز، مانند کاهش حجم هیپوکامپ، که با افزایش خطر زوال عقل در بزرگسالان مسن مطابقت دارد، مرتبط دانسته اند¹³. و مطالعات هرتینگ در مورد داده‌های تصویربرداری عصبی از مغزهای در حال رشد هزاران جوان در سراسر ایالات متحده نشان می‌دهد که آلودگی هوا باعث اختلال در رشد مسیرهای ماده سفید می‌شود. سال گذشته، تیم او گزارش داد که به نظر می رسد افزایش قرار گرفتن در معرض آلودگی هوا باعث تغییر در ارتباط بین مناطق مغز می شود¹⁴.

اما هرتینگ می گوید که چنین مطالعاتی هنوز به الگوی روشنی از آسیب نرسیده اند. او گمان می کند که زمان قرار گرفتن در معرض آن در طول رشد ممکن است آسیب پذیری را شکل دهد.

با وجود تمام شواهدی که آلودگی هوا را با آسیب به مغز مرتبط می کند، محققان می گویند که تعیین علت مشخص فقط با استفاده از مطالعات مشاهده ای دشوار است. به عنوان مثال، افرادی که در جوامع فقیر زندگی می کنند، که اغلب بدترین کیفیت هوا را تنفس می کنند، در مقایسه با کسانی که در مناطق با درآمد بالاتر هستند، احتمالاً عوامل خطر بیشتری برای اختلالات مغزی، استرس، سطح تحصیلات پایین تر و چاقی دارند. و بسیاری از مطالعات موجود قرار گرفتن در معرض را بر اساس آدرس های مسکونی تخمین می زنند، بدون اینکه در نظر بگیرند که چگونه مشاغل و سبک زندگی افراد، قرار گرفتن در معرض آنها را شکل می دهد.

محققان می گویند نوع خاصی از آلاینده هایی که مردم تنفس می کنند تقریبا قطعا مهم است. اندازه گیری های استاندارد کیفیت هوا بر اساس سطوح اجزای گازی اولیه و ذرات معلق که قطر آنها کمتر از 10 میکرومتر (PM₁₀) یا 2.5 میکرومتر (PM_2.5) است، است. اما ذرات معلق در هوا طیف وسیعی از مواد شیمیایی، از نمک های ساده گرفته تا ترکیبات بسیار سمی بی شمار را حمل می کنند که در مکان های مختلف متفاوت است. مودوی می گوید: "تمام ذرات به یک اندازه سمی تلقی می شوند، در حالی که آنها مجموعه ای از هر ماده شیمیایی - صدها هزار ماده شیمیایی - در هوا هستند."

کوری-اسلکتا خاطرنشان می کند که حتی ذرات فوق ریز به طور معمول نظارت نمی شوند. با این حال، ذراتی که کمتر از 100 نانومتر قطر دارند، فعال ترین ذرات معلق در هوا از نظر شیمیایی هستند و به احتمال زیاد به بدن و مغز نفوذ می کنند.

مودوی می گوید، حتی بدون این شکاف در داده های نظارتی، مطالعات مشاهده ای افرادی که آلاینده های زیادی را تنفس می کنند، نمی توانند مواد شیمیایی مسئول را برای ایجاد یک درک مکانیستی جدا کنند. بیماری های قلبی عروقی یک عامل خطر شناخته شده برای زوال عقل است. بنابراین آسیبی که آلودگی هوا به قلب و عروق خونی وارد می کند عامل دیگری است که باعث سردرگمی می شود. مودوی می گوید: "تنها راه باز کردن آن، از طریق آزمایش است."

مطالعات آزمایشگاهی می تواند نشان دهد، به عنوان مثال، که در شرایط کنترل شده، کوکتل های واقعی آلاینده های معلق در هوا به مغز آسیب می رسانند. این همان چیزی است که کوری-اسلکتا در سال 2012 دید، زمانی که او مغز موش هایی را که هوای اطراف دانشگاه را تنفس کرده بودند با مغز موش هایی که هوای تصفیه شده را تنفس کرده بودند مقایسه کرد. مطالعات بعدی از آزمایشگاه او گزارش داد که موش‌هایی که در طول رشد در معرض ذرات فوق ریز قرار گرفتند - از جمله در رحم، از تنفس مادرشان - دارای مسیرهای ماده سفید و بطن‌های مغزی بزرگ‌تری هستند¹⁵. موش هایی که در طول رشد در معرض این مواد قرار گرفتند، بعداً تکانش گری و نقص حافظه کوتاه مدت بیشتری از خود نشان دادند.

تغییرات فیزیکی مغز تا حدی با تغییرات در افراد مبتلا به شرایط عصبی رشدی مانند اوتیسم و ​​اسکیزوفرنی همپوشانی دارد. در حیوانات مسن تر، به نظر می رسد آلودگی هوا رسوب پروتئین های آمیلوئید و تاو مرتبط با بیماری آلزایمر را تسریع می کند. سایر مطالعات حیوانی آسیب در سطوح آناتومیک، سلولی و مولکولی را نشان داده اند.

اگرچه علائم آسیب از مطالعه ای به مطالعه دیگر متفاوت است، کالب فینچ، که در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی در مورد پیری تحقیق می کند، می گوید که یک جنبه مشترک وجود دارد: "این یک پاسخ التهابی است." مطالعات آزمایشگاه او و سایرین نشان می دهد که ژن هایی که پاسخ های التهابی را واسطه می کنند روشن می شوند. پیام رسان های مرتبط با التهاب فراوان تر می شوند. علائمی از استرس اکسیداتیو وجود دارد. و سلول های میکروگلیال که آسیب را حس می کنند و از نورون ها محافظت می کنند فعال می شوند. فینچ می گوید که هر طبقه اصلی از سلول های مغزی تحت تاثیر قرار می گیرند.

اگر مقصر التهاب باشد، می تواند توضیح دهد که چرا آلودگی هوا عامل خطر برای بیماری های متعدد است. التهاب با اختلالات خلقی و کاهش مربوط به سن مرتبط است و این پتانسیل را دارد که اختلال در رشد ایجاد کند. هرتینگ می‌گوید التهاب «باعث می‌شود سیستم‌ها کمی کمتر خوب کار کنند». "سپس، سایر عوامل محیطی و رشدی که در زندگی روزمره شما در جریان است، ممکن است به بر هم زدن تعادل به سمت یک اختلال در مقابل دیگری کمک کند."

محققان اکنون شروع به این سوال کرده اند که کدام یک از آلاینده های متعدد هوا باعث التهاب می شود و چگونه آن را آغاز می کنند. مطالعات پس از مرگ مغز انسان شواهد مستقیمی ارائه می دهد که نشان می دهد آلاینده های متعدد - از جمله نانوذرات و فلزات سمی - در بافت مغز تجمع می یابند. ذرات فوق ریز و مواد شیمیایی که از PM_2.5 و PM₁₀ استنشاق می شوند ممکن است از ریه ها به خون حرکت کرده و سپس از سد خونی مغزی به مغز عبور کنند. کوری-اسلکتا می گوید، اما این ذرات همچنین می توانند به طور مستقیم از طریق حرکت از حفره های بینی در امتداد اعصاب بویایی، و به طور بالقوه از طریق اعصاب دیگر، به مغز برسند.

کوری-اسلکتا گمان می کند که مغز نمی تواند با غلظت های فلزی حاصل مقابله کند و خاطرنشان می کند که پاتولوژیست ها برای دهه ها سطوح بالایی از فلزات مختلف را در مغز افراد مبتلا به بیماری های عصبی تخریبی مشاهده کرده اند. او اکنون در حال مطالعه چگونگی اختلال فلزات در شیمی مغز است - از جمله دوز دادن به موش ها با انواع آماده سازی نانوذرات که هر کدام فقط حاوی یک فلز هستند.

اما ممکن است لازم نباشد آلاینده ها برای ایجاد آسیب وارد مغز شوند. آلاینده ها در خون می توانند سد خونی مغزی را به گونه ای ملتهب کنند که باعث التهاب در سراسر مغز شود. از طرف دیگر، التهاب ریه می تواند مولکول های سیگنال دهنده درون زا را آزاد کند که به نوبه خود، بر سد و خود مغز تأثیر می گذارد، به گفته پل متیوز، متخصص علوم اعصاب بالینی در موسسه روزالیند فرانکلین در دیدکوت، بریتانیا.

قابل قبول بودن این مکانیسم ها، متیوز را متقاعد کرد، پس از دهه ها مطالعه بیماری های عصبی، در سال 2021 برای مطالعه آلودگی هوا با مودوی همکاری کند. این زوج اکنون در حال آزمایش این ایده ها در سیستم های کشت سلولی هستند که به عنوان مدل هایی برای سد خونی مغزی عمل می کنند، و در داوطلبان انسانی که سابقه خانوادگی زوال عقل دارند. داوطلبان در آزمایشگاه آلاینده های مختلف هوا مانند انتشار ترافیک یا دود چوب را تنفس می کنند. آزمایش‌های شناختی تعیین می‌کند که آیا آلودگی بر عملکرد مغز تأثیر می‌گذارد یا خیر، و نمونه‌های خون برای مولکول‌های در گردش که باعث التهاب می‌شوند و برای مواد شیمیایی آزاد شده هنگام التهاب مغز آزمایش می‌شوند.

محققان می گویند که دانستن اینکه چه کسانی بیشتر در معرض آسیب های آلودگی هوا هستند برای درک خطر مهم است و می تواند به مکانیسم ها اشاره کند. فینچ می گوید که آلودگی هوا ممکن است خطر بیماری آلزایمر را در افرادی که دارای نوع ژن APOE4 هستند، یک عامل خطر شناخته شده برای آلزایمر، بیشتر افزایش دهد. سایر کارهای انجام شده بر روی موش ها و انسان ها به تفاوت های جنسیتی بالقوه در برابر آسیب پذیری در برابر آلودگی هوا^1,15 اشاره دارد، که ممکن است به مرحله زندگی در هنگام قرار گرفتن در معرض آن بستگی داشته باشد، به گفته کوری-اسلکتا.

حتی با وجود اینکه محققان خواستار مطالعه بیشتر در مورد چگونگی تأثیر آلودگی هوا بر سلامتی هستند، چالش ها را تصدیق می کنند. این تلاش پیچیده تر از مطالعه اثرات یک ماده سمی منفرد است. و مطالعات حیوانی که نحوه قرار گرفتن انسان در معرض آلاینده ها را تکرار می کنند، نیاز به تجهیزات گران قیمت کنترل هوا دارند که به طور معمول در آزمایشگاه های علوم اعصاب استفاده نمی شود.

اما، به گفته محققان، در صورت موفقیت، این تلاش ها می تواند مشخص کند که کدام آلاینده ها مشکل سازتر هستند و بنابراین به مقررات با هدف بهبود کیفیت هوا اطلاع رسانی می کنند. مودوی می گوید، اغلب، اقدامات کیفیت هوا بر کاهش فراوان ترین آلاینده ها متمرکز است، اما ممکن است آن ها سمی ترین آلاینده های عصبی نباشند.

دیوید جت، مدیر برنامه در مؤسسه ملی اختلالات عصبی و سکته مغزی ایالات متحده (NINDS) در بتسدا، مریلند، که در سال 2021 یک برنامه کلیدی تامین مالی را برای بررسی چگونگی قرار گرفتن در معرض محیط، از جمله آلودگی هوا، در اختلالات عصبی آغاز کرد، می گوید که در این مرحله، این زمینه هنوز به متخصصان علوم اعصاب بیشتری نیاز دارد. جت تخمین می زند که از بیش از 22000 نماینده در نشست انجمن علوم اعصاب در سال 2024 در شیکاگو، ایلینویز، کمتر از 20 نفر در زمینه آلودگی هوا کار می کردند. او در آنجا حضور داشت تا در مورد شواهد موجود اطلاع رسانی کند و از متخصصان علوم اعصاب بخواهد برای مطالعه آلودگی هوا درخواست بودجه کنند. جت می گوید: "آهسته اما مطمئنا، این کار دارد انجام می شود." "اما نه به سرعتی که دوست دارم ببینم."