空气粉尘污染对大脑影响的MRI 研究进展

祝玉琦 尹波 于泽宽 耿道颖 ，*

随着全球工业化迅速推进和城市建设飞速发展，空气粉尘污染对中枢神经系统的危害已经成为人们日趋关注的话题。近年来，MRI 技术已用于探究粉尘污染对大脑结构和功能的影响，并发现空气污染与脑萎缩、脑小血管病以及阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）等均存在关联，还能够影响大脑的功能变化，如改变神经纤维的发育、破坏脑网络分离与整合之间的平衡、扰乱神经元代谢等。本文就空气粉尘污染对大脑影响的MRI 研究进展予以综述。

1 空气粉尘污染对大脑影响的可能机制

空气中的粉尘颗粒（particulate matter,PM）通常指空气中粒径＜10 μm 的可吸入颗粒物，如PM10、PM2.5 等。空气粉尘污染对大脑影响的可能机制主要包括氧化应激、免疫炎性反应、血管性作用以及与遗传因素的相互作用等[1]。临床研究认为，当PM粒径达到纳米级别时，就可以通过嗅神经与嗅球直接进入大脑[2]。外源性沉积粉尘产生的活性氧会导致神经细胞的脂质结构与DNA 氧化损伤，使神经发生退行性改变[3]。同时，粉尘污染物会激活小神经胶质细胞参与免疫防御，释放大量炎性因子进而加重神经细胞损伤[4]。由于大脑受到上述氧化应激与炎性因子的共同影响，导致脑血管内皮细胞功能障碍以及凝血因子水平异常，从而可能会触发脑血管事件[5-7]。此外，生物遗传方面的研究发现，载脂蛋白 E（apolipoprotein E,APOE）ε4 等位基因能与高浓度PM 环境产生协同作用，促进ε4 携带人群的认知功能障碍和大脑衰老[8-9]。在上述多种机制的共同作用下，空气粉尘污染对大脑的不利影响逐渐积累，从而引起大脑在解剖结构与功能上的一系列改变。

2 空气粉尘污染对大脑影响的MRI 研究

MRI 是目前中枢神经系统最常用的检查方法，大脑结构与功能发生的病理变化可以通过相应的MRI 序列进行检测。通过结构MRI 和功能MRI 技术可为空气污染引起的大脑损害提供可靠影像学依据，验证上述推测的临床机制，并进一步揭示空气污染与神经退行性疾病、脑小血管病及脑网络功能连接异常之间的联系。

2.1 结构MRI 在粉尘污染对大脑影响的研究中，结构 MRI 的常用序列包括 T1WI、T2WI、基于 T1加权的三维磁化强度预备快速梯度回波（T1WI-3D-magnetization prepared rapid acquisition gradient echo,T1WI-3D-MPRAGE）和液体衰减反转恢复（fluidattenuated inversion recovery,FLAIR）等，主要可以从大脑整体、灰白质、深部核团的形态与体积和白质信号改变的角度揭示空气粉尘污染对大脑的损害作用。

临床上，T1WI、T2WI 常用于显示大脑整体形态以及灰白质结构[10]。有研究者[11]采用T1WI 和T2WI序列观察到交通相关的空气污染物（traffic-related air pollutants,TRAP）对人脑结构的影响主要体现在脑白质体积缩小、灰质厚度变小和基底节结构萎缩。Casanova 等[12]基于 3D T1WI 序列展开研究，发现长期（平均3 年）暴露于高PM2.5 环境中会加速老年女性脑白质萎缩。

T1WI-3D-MPRAGE 是一种基于反转恢复预脉冲的三维超薄层T1WI 的快速扫描技术，简称MPRAGE。该序列具有较高的软组织分辨力和空间分辨力，不仅能进一步观察脑内精细解剖结构，还能实现灰白质分割、局部体积测量和功能成像的融合[13-14]。Power 等[15]采用 MPRAGE 序列测量了多地区居民的大脑深部核团（包括丘脑、尾状核、壳核和苍白球）体积，结果发现深部核团体积缩小与居住环境的较高PM2.5 存在相关性，并发现明尼苏达州（高PM2.5 地区之一）的居民大脑整体容积也相对缩小。Cho 等[16]采用MPRAGE 序列分析了957 名成年人的PM 暴露浓度与脑皮质厚度之间的关联，发现长期暴露于高污染环境会导致成年人脑皮质变薄。Hedges 等[17]用MPRAGE 序列分析老年人双侧丘脑体积与居住环境 PM2.5、PM2.5～10 和 PM10 浓度之间的关系，结果显示在高水平PM2.5～10 和PM10环境下丘脑体积缩小可能性更大。由此可见，粉尘污染确实能够引起大脑整体、灰白质和深部核团等解剖结构的形态与体积变化。此外，粉尘污染对重要功能结构如海马也有着不容忽视的负面作用。海马主要负责短时记忆的存储和定向，海马体积缩小与AD 等神经退行性疾病和抑郁症等精神类疾病的发生都有关[18]。Hedges 等[19]采用 3D-MPRAGE 分析双侧海马体积与 PM2.5、PM2.5～10 以及 PM10 之间的关联发现，海马体积缩小与PM2.5 高水平相关。因此，空气粉尘污染还可能与神经或精神类疾病关系密切[20]。

FLAIR 成像能够通过抑制T2WI 上的脑脊液高信号来清晰显示具有T2高信号的病变[21]。Furlong等[22]基于生物样本库进行了一项包括约50 万人的随访研究发现，在空气重度污染区进行户外活动的居民FLAIR 影像上脑白质高信号增多，脑内颗粒物沉积水平更高。Frantellizzi 等[10]对暴露于高TRAP 环境中的人群进行长达15 年的随访，其中约6%的人群在FLAIR 影像上可出现脑白质异常信号。Wu等[23]对中国人群的研究也发现PM10 与头颅MRI（包括T1WI、T2WI 和FLAIR 序列）影像上检测出的微梗死灶具有相关性。由此可见，基于FLAIR 序列观察到的脑白质改变说明空气粉尘污染对脑小血管也有损害。

综上所述，结构MRI 不仅清晰展示了空气粉尘污染环境下大脑的诸多形态变化，从影像学角度也证明空气粉尘会加速大脑衰老与促进神经细胞凋亡[24-25]，同时提示空气污染可能与脑小血管病具有相关性。

2.2 功能MRI 临床常用的功能MRI 序列包括扩散加权成像（DWI）、扩散张量成像（DTI）、血氧水平依赖（BOLD）和 MR 波谱成像（MRS）等，可以从脑组织水分子扩散运动、血氧水平和代谢的角度揭示空气粉尘污染对大脑的不利影响。目前，功能MRI 对空气粉尘污染的研究以动物实验和儿童群体为主，大规模的人群研究还在进一步探索中。

DWI 主要用于检测活体组织内水分子扩散运动。一些动物实验研究[26-27]证实，暴露于高浓度PM环境下的幼鼠大脑前扣带回和海马的DWI 信号降低，意味着这些区域神经元结构疏松、发育不完整，水分子活动受限程度较低，可能是由于空气污染会导致神经元轴突的密度降低、直径减小和髓鞘受损。

DTI 是由DWI 发展而来的一种神经纤维示踪技术，BOLD 技术则基于不同磁化物质的信号差异进行成像。将DTI 与BOLD 联合应用可以显示脑白质纤维束结构及不同脑区的功能连接变化[21，28]。Pujol 等[28]对 263 名儿童（8～12 岁）进行 DTI 和 BOLD成像发现，在暴露于高污染环境下的儿童大脑默认模式网络（default mode network,DMN）中，距离较远的不同脑区之间功能连接减弱 (即脑网络整合程度降低)，而距离较近的脑区之间功能连接增强(即脑网络分离程度升高)；Pujol 等[29]进一步分析了TRAP环境中的重金属铜微粒浓度与儿童大脑发育的关系，结果提示处于较高铜微粒浓度环境下的儿童，其大脑尾状核区域神经纤维束发育迟缓，且静息状态下尾状核和额叶皮质之间的功能连接减少。由此可见，城市空气污染会对儿童大脑产生负面影响，不仅可能引起儿童脑功能网络整合与分离之间失去平衡，还很有可能会导致儿童大脑发育迟缓和认知能力下降[30]。

MRS 主要利用MR 化学位移现象来测定活体组织代谢物的化学成分和含量，目前常用1H-MRS。Calderon-Garciduenas 等[31]采用 MRS 定量分析了暴露于重度空气污染的儿童群体双侧海马N-乙酰天门冬氨酸/肌酸（NAA/Cr）的代谢率，发现右侧海马NAA/Cr 比值明显下降，提示该区域的神经元数目减少、突触受损，在儿童时期就发生了早期神经退行性改变。由此可见，空气污染很可能与认知功能下降和痴呆症等神经退行性疾病的病理改变有关。

3 小结与展望

目前的MRI 研究提示空气污染可以对大脑产生损害。对于老年人，空气粉尘污染主要可引起脑萎缩、认知功能下降，同时可增加脑血管性疾病风险，目前的研究多采用结构MRI 分析；对于儿童，粉尘污染主要对其认知功能、大脑神经发育产生不良影响，目前多采用脑功能MRI 分析[17]。脑结构MRI与功能MRI 能够为空气粉尘对大脑损害和疾病发生提供可靠影像学标记。然而，当前研究还存在一定局限性，例如：粉尘污染导致脑的结构和功能损伤的详细生物学通路仍需探索；由于各个地区的城市化程度、人群生活习惯等存在差异，研究的可重复性有待进一步验证；空气污染与这些环境因素之间的相互作用也尚未明确等。未来的研究可以进一步采用多模态MRI 技术来评估空气粉尘污染对脑结构和功能的影响，进而实现有针对性的精准医学防护。