空氣污染暴露條件下體力活動對認知功能的影響

胡 亮,王付康

(1.浙江大學 教育學院體育學系，浙江 杭州 310058；2.浙江大學 教育學院數字體育與健康實驗室，浙江 杭州 310058)

0 前 言

空氣污染是世界范圍內日益嚴重的環境問題，世界衛生組織 (WHO) 的數據顯示92%的人口生活在空氣質量差的城市[1]，空氣污染導致人們的慢性疾病發病率和死亡率增加，在全世界范圍導致每年800萬人過早死亡。此外，近年來的研究證據顯示，空氣污染暴露會增加空氣污染物的吸入量，對呼吸系統和心血管系統造成損害[2,3]，甚至造成認知能力下降、神經炎癥等神經認知損害[4-6]。因此，在空氣污染條件下，人們往往選擇更少參與體力活動，尤其是戶外體力活動[7,8]。然而，值得注意的是，在空氣污染持續時間較長的情況下，如果長期缺乏體力活動同樣有損健康。據統計，缺乏運動導致每年320萬人死亡，是第四常見的死亡原因[9]。一方面，人們希望減少空氣污染條件下運動導致的健康危害，另一方面，在空氣污染條件下，人們也同樣希望通過運動減少久坐帶來的健康危害，并獲得健康收益，包括發病率和死亡率降低[10,11]，心理健康[12]和認知功能[13,14]提升等。因此，當空氣污染出現時，在減少運動以避免過多空氣污染物吸入和增加運動以獲得健康收益兩者之間如何權衡，是值得探索并需要通過實證研究來解答的重要公共衛生問題。

目前已有研究者從生理學角度對這一問題開展了大量探索，Vieira 等人[15]發現長期參與有氧鍛煉可以有效抑制肺部炎癥反應，從而減少空氣污染對大鼠的健康損害。一項發表在《循環(Circulation)》雜志上的流行病學研究發現，體力活動水平高和PM2.5暴露程度低的受試者患高血壓的風險較低，而且在不同PM2.5水平下，體力活動都與高血壓發病率之間存在負相關[16]。同樣，一項對24 053名中國香港居民的調查發現，日常鍛煉和空氣污染導致的過早死亡率減少之間存在顯著相關[17]。這些研究提示人們，即使在空氣污染的地區，參加有規律的體力活動依然可能降低慢性疾病發病率和死亡率。然而，空氣污染、體力活動和認知功能之間交互關系的研究還相對較少。盡管大量研究證實，體力活動對各個年齡人群的認知功能均有促進作用，但在空氣污染暴露的環境中進行體力活動時，空氣污染物的吸入量會大幅增加，而空氣污染與認知功能下降[18,19]，腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)釋放減少[20,21]、神經炎癥[22]增加等問題有關。因此，同樣需要研究者們確定在空氣污染條件下進行體力活動，是腦認知健康收益高于健康損害(利大于弊)，還是腦認知健康損害高于健康收益(弊大于利)？并探討體力活動與空氣污染物對腦形態結構和認知功能產生影響的機制，從而為大眾在不同空氣污染條件下開展體力活動提供具體而且有操作性的建議。

1 空氣污染對大腦形態和功能的影響

空氣污染是由固定(工業生產等)和移動(交通工具等)源釋放到周圍空氣中的氣體(例如一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、二氧化氮(NO2)和二氧化硫(SO2))和顆粒物(PM)的混合物[4,23]，這些污染物都與人類病理學改變有關。考慮到空氣污染物可能穿過大腦屏障，人們很早就對空氣污染是否損害大腦的形態和功能產生興趣。當前，研究人員主要關注PM2.5、PM10、O3或NO2等污染物對個體認知功能的影響[18,19]，以空氣污染指數(Air Quality Index, AQI)作為空氣污染暴露程度的指標[24]。其中，PM2.5具有較小的空氣動力學直徑，更高的毒性，更容易進入人體、組織和細胞，得到的研究關注較多[25,26]。

1.1 空氣污染對大腦形態和功能的損害

2002年，Calderon-Garciduenas等人[27]及其同事對暴露于墨西哥城污染環境(包括高濃度PM和臭氧)的狗進行了尸檢研究，發現墨西哥城暴露于空氣污染的狗出現了阿爾茨海默癥相關的神經病理學變化，包括嗅覺屏障的破壞、慢性神經炎癥、血腦屏障的改變、阿爾茲海默病理學癥狀增加和神經退行性病變以及DNA損傷等。隨后他們對墨西哥城的居民進行尸檢分析發現了類似的結果，研究顯示高濃度空氣污染和超細顆粒沉積、氧化應激、小膠質細胞活化、炎癥細胞浸潤、炎癥標志物增加、血腦屏障損傷、阿爾茲海默癥和帕金森病的病理標志(淀粉樣蛋白β和α-突觸核蛋白的積累)增加有關[28,29]。同樣，Calderón-Garcidueas等人[30]發現墨西哥城附近的兒童的認知發展(例如整體IQ，語言IQ以及其他記憶和執行功能測試)顯著低于正常水平，這些研究為空氣污染損害大腦形態和功能的猜想提供了早期的研究依據。

大量流行病學研究證實了這些研究結果。Lin等人在六個中低收入國家(中國、俄羅斯、印度、墨西哥、加納和南非)的研究中發現暴露于環境PM2.5可能是導致認知功能喪失(Disability)的風險因素之一，認知功能與這種消極作用的相關性更高[31]。另一項來自中國的家庭小組研究(China Family Panel Studies；CFPS)發現空氣污染會損害受訪者的認知測試表現，而且這種消極影響可能存在劑量效應[24]。Ranft等人(2009)發現在距離繁忙道路50m(交通密度超過10 000 輛/d)以內居住超過20年的老年人的認知功能顯著降低[32]。住宅靠近主要道路的居民的語言學習和記憶、語言和執行功能的測試表現相對較差，而距離主要道路的距離小于100m的參與者表現最差，并隨著距離的增加，測試表現變好[33]。De等人[34]對4隊列研究(分別在加拿大、中國臺灣、英國、美國開展)進行了元分析，涵蓋了1 200余萬50歲以上的老年人，發現PM2.5暴露可以導致患老年癡呆的風險增加3倍。此外，長時間暴露于空氣污染物(例如PM2.5,PM10和NO2)對認知功能的影響還具體表現為記憶、執行功能和語言能力的損害[35]。

綜合當前的研究證據來看，在人口學層面空氣污染暴露與認知功能之間存在負相關，長期接觸空氣污染物與各年齡群體的認知能力下降有關，尤其是與老年人的神經退行性病變幾率的增加有關。

1.2 空氣污染損害大腦形態和功能的神經生理機制探索

在確立空氣污染與認知功能損傷之間關系的基礎上，研究者們對這一關系產生的機制進行了探索。認知功能的損害通常源于腦組織的形態學改變，空氣污染物可能通過對腦組織產生病理性改變而損害認知功能，因此一些研究者結合神經成像技術對這一問題開展探索。一項包括了998名老年女性受試者的研究發現，長期的PM2.5暴露與學習能力和短期回憶能力的顯著下降存在關聯；而與之對應的是，受試者的大腦灰質出現顯著的萎縮，這也認為是阿爾茲海默癥的危險因素[36]。然而，目前與空氣污染相關的腦組織萎縮的神經生理學機制目前還并不確定，近些年來對該機制的研究探索主要是圍繞神經炎癥的發生和過氧化損傷而展開[37]，出于倫理的考慮，這些研究很多都以動物為樣本開展。例如，一系列研究發現了空氣污染與嚙齒動物大腦的神經生理損傷之間存在關聯，包括神經炎癥[38-40]、神經行為功能受損[40,41]以及神經組織的病理學改變[38,39]。具體而言，PM暴露被發現與神經元凋亡、神經傳遞、突觸可塑性和氧化損傷有關的基因表達改變，即嚙齒動物大腦中出現脂質過氧化[41,42]。研究發現，在僅僅數天到數周暴露于PM之后，大鼠就出現了認知功能障礙，例如運動/探索行為和情緒障礙以及空間和非空間學習和記憶障礙[41-43]。而且在不同的大腦區域(例如大腦皮層和海馬)中發現了小膠質細胞激活，這是一種神經炎癥的跡象[44,45]。而更長時間的PM暴露則可能出現更為顯著的神經生理學病變，例如Fonken等人[40]的研究顯示，在暴露于 PM 10個月后，海馬CA1和CA3區域的頂端樹突棘密度和樹突分支分別減少。

綜合當前的動物和人體研究證據來看，空氣污染物有可能通過血腦屏障，在大腦部位產生沉積，并通過誘發神經炎癥、增加過氧化反應等途徑產生腦組織的病理性病變，這種損傷會產生累積，而大腦的白質、皮質灰質和基底核都是空氣污染物容易沉積從而導致腦組織損傷的部位。這些研究為空氣污染產生的認知功能損傷提供了神經生理學證據[46]。然而，值得注意的是，由于各項研究在目標人群、神經成像技術、腦組織形態和認知功能的結局指標上存在很大差異，當前的研究結論還存在一定的不一致[47]。總的來說，當前空氣污染導致中樞神經損害的路徑還并不完全清楚[46]，需要更多研究對其進行探索。

2 空氣污染導致的體力活動不足對認知功能的影響

體力活動，尤其是中高強度的體力活動(MVPA)對認知功能有保護和促進作用，這在兒童青少年[48]、成年人[49]，老年人[50,51]以及神經退行性疾病患者[52,53]群體中都得到了驗證。體力活動對健康有益的潛在機制包括腦源性神經營養因子 (BDNF) 分泌增加[54,55]，促進神經發生和神經可塑性[56]，增加海馬的灰質體積和功能連接性[57]，從而給中樞神經系統帶來積極影響[58]。另外一個重要的機制在于，體力活動可以調節血管機能，減少神經炎癥和氧化應激(oxidative stress)。上文提及，暴露于污染的個體會出現神經組織生理學病變，包括氧化應激、神經炎癥和小膠質細胞活化增加等[59]。因此，體力活動有可能抵消空氣污染物帶來的神經炎癥、過氧化以及腦組織萎縮等消極影響[46]。另外，在空氣污染暴露條件下如果缺乏體力活動，則可能難以充分發揮體力活動對于認知功能的促進作用，尤其是體力活動對空氣污染物導致的神經損傷所起的保護作用。

從當前的大量研究證據來看，這種擔憂并非多余，人們在長期處于空氣污染條件下的時候，往往會選擇減少戶外體力活動。早在1970年代,Chapko和Solomon[60]就發現，一氧化碳排放等空氣污染指標與戶外的休閑活動之間存在負相關，Peterson[61]也發現在洛杉磯出現光化學污染的霧霾天氣下，人們的戶外休閑活動明顯減少。近些年來，一系列人口學規模的流行病學調查對空氣污染和體力活動行為之間的關系進行了研究。其中幾項研究應用了美國疾病控制與預防中心發布的流行病學調查數據，發現空氣PM2.5的濃度越高，人們的體力活動水平明顯更低，缺乏體力活動的風險明顯更高[7,62]。我國的一項研究[8]對153名運動app用戶160天的戶外運動行為和空氣質量數據進行了采集和分析，發現隨著空氣質量的變差，人們的戶外跑步、走路和騎車活動次數顯著減少。然而和假設不一致之處是，人們的戶外活動的平均距離和時間并不受空氣污染程度的影響。換而言之，人們會因為空氣污染而減少戶外運動的次數，但即使在空氣污染條件下，一旦開始運動，運動的時間和完成的距離依然會和無空氣污染情況下保持一致，這也說明人們對空氣污染的擔憂會妨礙是否進行運動的選擇，但對堅持運動的意愿會促使他們打消或者忽略這種擔憂而堅持原有的運動強度和持續時間。當然，這并不一定是理性的行為選擇，因為在空氣嚴重污染條件下進行長時間高強度運動依然可能帶來較高健康風險。

人們之所以在空氣污染條件下會減少體力活動，主要是人們擔憂在空氣污染條件下運動時，由于攝氧量增加，會吸入更多空氣污染物，因而帶來健康損害，這在戶外運動中更為明顯，這是一個值得關注的公共衛生難題。雖然人們可以在裝有空氣過濾系統的室內開展運動，以降低空氣污染條件下運動的健康風險，但具有良好空氣污染物過濾條件的室內運動場所并不普及，且費用相對較高；另一方面，在人口學層面，戶外運動是大眾參與體力活動的主要方式。如果要達到世界衛生組織體力活動指南(例如，成年人需要每周完成150min以上中高強度體力活動，以有氧方式為主)所提出的體力活動標準，多數人需要在一周的大多數天數進行戶外鍛煉。在長期存在空氣污染的地區，如果保持規律的體力活動，帶來的健康收益是否高于空氣污染物帶來的健康損害，是一個需要回答的現實問題。

運動過程中每分鐘通氣量增加，尤其是在中高運動強度情況下，呼吸從以鼻腔為主轉換為以口腔為主。這種轉變導致吸入的氣體繞過了鼻部的過濾系統，使得人們更容易吸入更多空氣污染物，并增加沉積在氣道中且不被呼出的超細顆粒的比例[63]，這些污染物不僅會進入在呼吸系統和心血管系統，甚至可能進入大腦等中樞神經系統，從而引起炎癥反應、氧化應激等一系列不良反應，甚至對腦組織產生損害，從而減弱個體的認知功能。然而，人們同樣需要認識到，進行運動也會產生改善免疫功能[64,65]，提高促炎反應(Pro-inflammatory)[65,66]以及抗氧化[67]的效果，例如Vieira等人[15]發現長期進行有規律的有氧運動可以抑制大鼠的肺部炎癥反應。Wong等人[17]發現規律性的鍛煉和空氣污染導致的過早死亡之間存在負相關關系。Guo等人[16]的一系列研究發現在不同PM2.5水平下，體力活動都與高血壓發病率之間存在負相關。另外，大量研究證據發現，如果長期處于久坐不動(Sedentary)的狀態，也可能造成高血壓、冠心病等慢性疾病發病率升高[68,69]、認知功能下降[70,71]等健康問題。因此，如果人們因為過于擔心空氣污染帶來的健康損害，而不能認識到體力活動帶來的健康收益以及缺乏體力活動產生的健康損害，就無法有效利用體力活動對于心血管機能、呼吸功能、認知功能的人體各方面健康機能產生的促進作用。考慮到當前越來越多研究證據顯示，空氣污染物不僅損害呼吸系統和心血管系統功能，也同樣可能通過誘發炎癥反應等機制對中樞和外周神經系統產生損害，本研究著重從神經系統和認知功能方面探討空氣污染條件下，進行運動對健康產生怎樣的影響。

3 空氣污染暴露條件下的體力活動對大腦形態和認知功能的影響

在空氣污染暴露的情況下進行體力活動是否對大腦形態和認知功能產生積極影響，已有不少研究展開了探索，這些研究涵蓋的研究對象既包括了大鼠等動物，也包括了健康成年人和老年人；既探索急性運動對空氣污染暴露下認知功能的影響，也包括了有規律的體力活動(Habitual Physical Activity)產生的長期影響。雖然研究的設計和采用的結局變量各有不同，但研究的結果基本上趨向于支持在空氣污染條件下進行體力活動對認知功能存在積極的作用。但需要注意的是，運動對認知功能產生的積極效益可能被空氣污染物所削弱乃至抵消。

首先，在空氣污染條件下，急性運動對認知功能影響的研究相對較少。這一方面是因為如果以動物為研究對象，認知功能的測評難以開展，尤其是急性運動對認知功能產生的急性影響往往是短暫的，在動物身上開展的認知測試可能難以準確探測到急性運動前后認知功能產生的變化；另一方面，以人為樣本的研究往往因為倫理原因難以開展。目前相關研究的代表性證據主要來自于Bunnell等人[72]開展的一系列研究，在一項早期研究中，研究者將16名18-29歲的受試者暴露于一氧化碳條件下分別進行運動和休息，然后完成5種認知功能測試，結果發現碳氧血紅蛋白的濃度升高導致Stroop色詞測試的表現下降，也就是受試者的抑制控制功能受到了急性損害。與之類似的是，另一項研究[73]發現在這種條件下，受試者在提供了反向指導語干擾的情境下進行的認知測試表現出現了下降。換而言之，在高濃度的一氧化碳條件下進行運動削弱了個體適應新的認知任務的能力，這兩項研究都發表于《航天、空間和環境醫學》(Aviation, Space, and Environmental Medicine)雜志，這也或許是考慮在特殊的工作任務環境中，任務執行人有可能面臨高濃度一氧化碳的空氣環境，對個體的認知和生理功能產生急性影響。

然而，需要認識到的是，一氧化碳濃度增加產生的空氣污染與人們當前普遍關注的持續性空氣污染是有所不同的，從公共健康的角度來看，當前對大眾影響最為普遍的空氣污染主要是以PM等顆粒物為達標的空氣污染物導致的空氣質量下降，研究者們討論的空氣污染帶來的長期健康損害也主要聚焦于這一方面。

Zhang等人[74]對90名22歲左右的健康受試者在2020年9月到2021年6月進行了跟蹤調查，通過加速度傳感器對受試者的中高強度體力活動進行了4次測量，并通過便攜式設備測量了其PM2.5的暴露水平。結果發現PM2.5暴露降低了受試者的執行功能，但體力活動對這種認知損害起到了彌補作用。值得注意的是，研究發現，中高強度體力活動帶來的執行功能改善收益在空氣污染條件下比無空氣污染條件下更為顯著，PM2.5每增加10μg/m3，人們可以通過增加13.6min的中高強度體力活動來抵消空氣污染相關的認知功能損害。Ran等人[75]在1998-2001年期間對57 775名未患老年癡呆(dementia)的65歲以上老年人進行了調查，發現在這段時間分別出現了1 157例癡呆癥、642例阿爾茲海默癥和324例血管性癡呆癥。空氣污染程度和體力活動水平與這些疾病發病率之間分別呈正相關和負相關，也就是說，空氣污染是老年癡呆的危險因素，而規律性的體力活動則是保護因素，但進一步的分析并未發現體力活動和空氣污染對老年癡呆發病率產生交互作用，因此并不能確定體力活動是否可以降低空氣污染相關的老年癡呆患病風險。然而有一點可以肯定，即使在空氣污染條件下，體力活動依然可以產生降低老年癡呆風險的健康效益。Molina以[76]老年人為對象研究了有氧鍛煉(提升心肺功能為主)和心血管健康指標之間的關系。他們將女性老年受試者分為四組：經常鍛煉/無空氣污染組，經常鍛煉/空氣污染暴露組，久坐/無空氣污染組，久坐/空氣污染暴露組。經常鍛煉組進行的是有規律的步行鍛煉，結果發現經常鍛煉/無空氣污染暴露組比久坐/空氣污染暴露組在認知指標測試中有著顯著更好的表現，這可能是通過更好的有氧能力帶來的更好的氧氣運送能力而實現的。

總體看來，目前的研究證據顯示，空氣污染暴露會降低成年人和老年人的認知功能，屬于認知功能損害的危險因素，而有規律的長期運動對認知功能有保護作用，這種保護作用在空氣污染條件下依然存在。但體力活動對認知功能的保護作用是否可以以及在多大程度上抵消空氣污染導致的認知功能損害，還有待更多的研究進行證實。

4 結 論

隨著人口的大量增加和人類工業化進程的不斷推進，在過去的一個世紀，空氣污染成為世界范圍內普遍存在的公共健康問題。大量研究發現，空氣污染不僅對呼吸系統和心血管系統造成損害，還會造成神經炎癥等神經認知損害。而從另一方面來看，長時間缺乏體力活動同樣不利于人們保持良好的認知功能。本研究回顧了空氣污染暴露條件下的體力活動對大腦形態和認知功能影響的研究，發現空氣中的污染性氣體和顆粒物(PM)均可能穿過大腦屏障，導致大腦的形態和功能受損。雖然在空氣污染條件下進行體力活動，尤其是戶外體力活動會增加污染物的吸入，增加認知受損的風險，但也可能帶來執行功能提升，降低老年癡呆發病率等認知收益，人們可以考慮在空氣污染條件下開展適當的體力活動。

然而，值得注意的是，當前的相關研究還有待進一步探索和完善。首先，當前的研究證據還較為有限，尤其是缺乏以顆粒物(PM)為主導致的空氣污染條件下運動對人們的認知功能產生影響的研究證據。這很大程度上是處于研究倫理的顧慮，在空氣污染條件下，研究者們難以開展相應的實驗干預研究。后續的研究工作中，研究者們可以考慮增加以動物為樣本開展的實驗干預；另外，可以招募一些空氣污染條件下仍然主動從事運動的受試者，例如在空氣污染環境下堅持騎車上班的人，對其大腦形態和認知功能進行跟蹤研究，從而為空氣污染條件下進行體力活動是利大于弊還是弊大于利提供更為科學的依據。

其次，對空氣污染條件下運動的利弊如何權衡問題同樣需要考慮在空氣污染條件下體力活動對認知功能產生影響的劑量效應，尤其是不同的體力活動對不同方面的認知功能(執行功能、記憶、注意等)產生的影響可能有所不同，需要更多的研究對體力活動的關鍵特征(強度、持續時間、頻率和類型)進行組合和準確測評，對比不同特征的體力活動對不同人群認知功能的影響，并客觀評估其認知收益是否可以抵消空氣污染產生的負面認知影響，從而為大眾提供更具有可行性的行為建議。

總體而言，雖然在空氣污染條件下進行體力活動會增加認知損害的風險，但在長期空氣污染條件下，人們不應當一味減少體力活動，忽略久坐帶來的健康風險。而應當考慮即使在存在空氣污染的情況下，進行一定的體力活動依然可以產生顯著的認知收益，而這種認知收益可以在多大程度上抵消空氣污染導致的認知功能損害，還有待更多的研究證實。