空气污染暴露条件下体力活动对认知功能的影响

胡 亮,王付康

(1.浙江大学 教育学院体育学系，浙江 杭州 310058；
2.浙江大学 教育学院数字体育与健康实验室，浙江 杭州 310058)

空气污染是世界范围内日益严重的环境问题，世界卫生组织 (WHO) 的数据显示92%的人口生活在空气质量差的城市[1]，空气污染导致人们的慢性疾病发病率和死亡率增加，在全世界范围导致每年800万人过早死亡。此外，近年来的研究证据显示，空气污染暴露会增加空气污染物的吸入量，对呼吸系统和心血管系统造成损害[2,3]，甚至造成认知能力下降、神经炎症等神经认知损害[4-6]。因此，在空气污染条件下，人们往往选择更少参与体力活动，尤其是户外体力活动[7,8]。然而，值得注意的是，在空气污染持续时间较长的情况下，如果长期缺乏体力活动同样有损健康。据统计，缺乏运动导致每年320万人死亡，是第四常见的死亡原因[9]。一方面，人们希望减少空气污染条件下运动导致的健康危害，另一方面，在空气污染条件下，人们也同样希望通过运动减少久坐带来的健康危害，并获得健康收益，包括发病率和死亡率降低[10,11]，心理健康[12]和认知功能[13,14]提升等。因此，当空气污染出现时，在减少运动以避免过多空气污染物吸入和增加运动以获得健康收益两者之间如何权衡，是值得探索并需要通过实证研究来解答的重要公共卫生问题。

目前已有研究者从生理学角度对这一问题开展了大量探索，Vieira 等人[15]发现长期参与有氧锻炼可以有效抑制肺部炎症反应，从而减少空气污染对大鼠的健康损害。一项发表在《循环(Circulation)》杂志上的流行病学研究发现，体力活动水平高和PM2.5暴露程度低的受试者患高血压的风险较低，而且在不同PM2.5水平下，体力活动都与高血压发病率之间存在负相关[16]。同样，一项对24 053名中国香港居民的调查发现，日常锻炼和空气污染导致的过早死亡率减少之间存在显著相关[17]。这些研究提示人们，即使在空气污染的地区，参加有规律的体力活动依然可能降低慢性疾病发病率和死亡率。然而，空气污染、体力活动和认知功能之间交互关系的研究还相对较少。尽管大量研究证实，体力活动对各个年龄人群的认知功能均有促进作用，但在空气污染暴露的环境中进行体力活动时，空气污染物的吸入量会大幅增加，而空气污染与认知功能下降[18,19]，脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)释放减少[20,21]、神经炎症[22]增加等问题有关。因此，同样需要研究者们确定在空气污染条件下进行体力活动，是脑认知健康收益高于健康损害(利大于弊)，还是脑认知健康损害高于健康收益(弊大于利)？并探讨体力活动与空气污染物对脑形态结构和认知功能产生影响的机制，从而为大众在不同空气污染条件下开展体力活动提供具体而且有操作性的建议。

空气污染是由固定(工业生产等)和移动(交通工具等)源释放到周围空气中的气体(例如一氧化碳(CO)、臭氧(O3)、二氧化氮(NO2)和二氧化硫(SO2))和颗粒物(PM)的混合物[4,23]，这些污染物都与人类病理学改变有关。考虑到空气污染物可能穿过大脑屏障，人们很早就对空气污染是否损害大脑的形态和功能产生兴趣。当前，研究人员主要关注PM2.5、PM10、O3或NO2等污染物对个体认知功能的影响[18,19]，以空气污染指数(Air Quality Index, AQI)作为空气污染暴露程度的指标[24]。其中，PM2.5具有较小的空气动力学直径，更高的毒性，更容易进入人体、组织和细胞，得到的研究关注较多[25,26]。

1.1 空气污染对大脑形态和功能的损害

2002年，Calderon-Garciduenas等人[27]及其同事对暴露于墨西哥城污染环境(包括高浓度PM和臭氧)的狗进行了尸检研究，发现墨西哥城暴露于空气污染的狗出现了阿尔茨海默症相关的神经病理学变化，包括嗅觉屏障的破坏、慢性神经炎症、血脑屏障的改变、阿尔兹海默病理学症状增加和神经退行性病变以及DNA损伤等。随后他们对墨西哥城的居民进行尸检分析发现了类似的结果，研究显示高浓度空气污染和超细颗粒沉积、氧化应激、小胶质细胞活化、炎症细胞浸润、炎症标志物增加、血脑屏障损伤、阿尔兹海默症和帕金森病的病理标志(淀粉样蛋白β和α-突触核蛋白的积累)增加有关[28,29]。同样，Calderón-Garcidueas等人[30]发现墨西哥城附近的儿童的认知发展(例如整体IQ，语言IQ以及其他记忆和执行功能测试)显著低于正常水平，这些研究为空气污染损害大脑形态和功能的猜想提供了早期的研究依据。

大量流行病学研究证实了这些研究结果。Lin等人在六个中低收入国家(中国、俄罗斯、印度、墨西哥、加纳和南非)的研究中发现暴露于环境PM2.5可能是导致认知功能丧失(Disability)的风险因素之一，认知功能与这种消极作用的相关性更高[31]。另一项来自中国的家庭小组研究(China Family Panel Studies；
CFPS)发现空气污染会损害受访者的认知测试表现，而且这种消极影响可能存在剂量效应[24]。Ranft等人(2009)发现在距离繁忙道路50m(交通密度超过10 000 辆/d)以内居住超过20年的老年人的认知功能显著降低[32]。住宅靠近主要道路的居民的语言学习和记忆、语言和执行功能的测试表现相对较差，而距离主要道路的距离小于100m的参与者表现最差，并随着距离的增加，测试表现变好[33]。De等人[34]对4队列研究(分别在加拿大、中国台湾、英国、美国开展)进行了元分析，涵盖了1 200余万50岁以上的老年人，发现PM2.5暴露可以导致患老年痴呆的风险增加3倍。此外，长时间暴露于空气污染物(例如PM2.5,PM10和NO2)对认知功能的影响还具体表现为记忆、执行功能和语言能力的损害[35]。

综合当前的研究证据来看，在人口学层面空气污染暴露与认知功能之间存在负相关，长期接触空气污染物与各年龄群体的认知能力下降有关，尤其是与老年人的神经退行性病变几率的增加有关。

1.2 空气污染损害大脑形态和功能的神经生理机制探索

在确立空气污染与认知功能损伤之间关系的基础上，研究者们对这一关系产生的机制进行了探索。认知功能的损害通常源于脑组织的形态学改变，空气污染物可能通过对脑组织产生病理性改变而损害认知功能，因此一些研究者结合神经成像技术对这一问题开展探索。一项包括了998名老年女性受试者的研究发现，长期的PM2.5暴露与学习能力和短期回忆能力的显著下降存在关联；
而与之对应的是，受试者的大脑灰质出现显著的萎缩，这也认为是阿尔兹海默症的危险因素[36]。然而，目前与空气污染相关的脑组织萎缩的神经生理学机制目前还并不确定，近些年来对该机制的研究探索主要是围绕神经炎症的发生和过氧化损伤而展开[37]，出于伦理的考虑，这些研究很多都以动物为样本开展。例如，一系列研究发现了空气污染与啮齿动物大脑的神经生理损伤之间存在关联，包括神经炎症[38-40]、神经行为功能受损[40,41]以及神经组织的病理学改变[38,39]。具体而言，PM暴露被发现与神经元凋亡、神经传递、突触可塑性和氧化损伤有关的基因表达改变，即啮齿动物大脑中出现脂质过氧化[41,42]。研究发现，在仅仅数天到数周暴露于PM之后，大鼠就出现了认知功能障碍，例如运动/探索行为和情绪障碍以及空间和非空间学习和记忆障碍[41-43]。而且在不同的大脑区域(例如大脑皮层和海马)中发现了小胶质细胞激活，这是一种神经炎症的迹象[44,45]。而更长时间的PM暴露则可能出现更为显著的神经生理学病变，例如Fonken等人[40]的研究显示，在暴露于 PM 10个月后，海马CA1和CA3区域的顶端树突棘密度和树突分支分别减少。

综合当前的动物和人体研究证据来看，空气污染物有可能通过血脑屏障，在大脑部位产生沉积，并通过诱发神经炎症、增加过氧化反应等途径产生脑组织的病理性病变，这种损伤会产生累积，而大脑的白质、皮质灰质和基底核都是空气污染物容易沉积从而导致脑组织损伤的部位。这些研究为空气污染产生的认知功能损伤提供了神经生理学证据[46]。然而，值得注意的是，由于各项研究在目标人群、神经成像技术、脑组织形态和认知功能的结局指标上存在很大差异，当前的研究结论还存在一定的不一致[47]。总的来说，当前空气污染导致中枢神经损害的路径还并不完全清楚[46]，需要更多研究对其进行探索。

体力活动，尤其是中高强度的体力活动(MVPA)对认知功能有保护和促进作用，这在儿童青少年[48]、成年人[49]，老年人[50,51]以及神经退行性疾病患者[52,53]群体中都得到了验证。体力活动对健康有益的潜在机制包括脑源性神经营养因子 (BDNF) 分泌增加[54,55]，促进神经发生和神经可塑性[56]，增加海马的灰质体积和功能连接性[57]，从而给中枢神经系统带来积极影响[58]。另外一个重要的机制在于，体力活动可以调节血管机能，减少神经炎症和氧化应激(oxidative stress)。上文提及，暴露于污染的个体会出现神经组织生理学病变，包括氧化应激、神经炎症和小胶质细胞活化增加等[59]。因此，体力活动有可能抵消空气污染物带来的神经炎症、过氧化以及脑组织萎缩等消极影响[46]。另外，在空气污染暴露条件下如果缺乏体力活动，则可能难以充分发挥体力活动对于认知功能的促进作用，尤其是体力活动对空气污染物导致的神经损伤所起的保护作用。

从当前的大量研究证据来看，这种担忧并非多余，人们在长期处于空气污染条件下的时候，往往会选择减少户外体力活动。早在1970年代,Chapko和Solomon[60]就发现，一氧化碳排放等空气污染指标与户外的休闲活动之间存在负相关，Peterson[61]也发现在洛杉矶出现光化学污染的雾霾天气下，人们的户外休闲活动明显减少。近些年来，一系列人口学规模的流行病学调查对空气污染和体力活动行为之间的关系进行了研究。其中几项研究应用了美国疾病控制与预防中心发布的流行病学调查数据，发现空气PM2.5的浓度越高，人们的体力活动水平明显更低，缺乏体力活动的风险明显更高[7,62]。我国的一项研究[8]对153名运动app用户160天的户外运动行为和空气质量数据进行了采集和分析，发现随着空气质量的变差，人们的户外跑步、走路和骑车活动次数显著减少。然而和假设不一致之处是，人们的户外活动的平均距离和时间并不受空气污染程度的影响。换而言之，人们会因为空气污染而减少户外运动的次数，但即使在空气污染条件下，一旦开始运动，运动的时间和完成的距离依然会和无空气污染情况下保持一致，这也说明人们对空气污染的担忧会妨碍是否进行运动的选择，但对坚持运动的意愿会促使他们打消或者忽略这种担忧而坚持原有的运动强度和持续时间。当然，这并不一定是理性的行为选择，因为在空气严重污染条件下进行长时间高强度运动依然可能带来较高健康风险。

人们之所以在空气污染条件下会减少体力活动，主要是人们担忧在空气污染条件下运动时，由于摄氧量增加，会吸入更多空气污染物，因而带来健康损害，这在户外运动中更为明显，这是一个值得关注的公共卫生难题。虽然人们可以在装有空气过滤系统的室内开展运动，以降低空气污染条件下运动的健康风险，但具有良好空气污染物过滤条件的室内运动场所并不普及，且费用相对较高；
另一方面，在人口学层面，户外运动是大众参与体力活动的主要方式。如果要达到世界卫生组织体力活动指南(例如，成年人需要每周完成150min以上中高强度体力活动，以有氧方式为主)所提出的体力活动标准，多数人需要在一周的大多数天数进行户外锻炼。在长期存在空气污染的地区，如果保持规律的体力活动，带来的健康收益是否高于空气污染物带来的健康损害，是一个需要回答的现实问题。

运动过程中每分钟通气量增加，尤其是在中高运动强度情况下，呼吸从以鼻腔为主转换为以口腔为主。这种转变导致吸入的气体绕过了鼻部的过滤系统，使得人们更容易吸入更多空气污染物，并增加沉积在气道中且不被呼出的超细颗粒的比例[63]，这些污染物不仅会进入在呼吸系统和心血管系统，甚至可能进入大脑等中枢神经系统，从而引起炎症反应、氧化应激等一系列不良反应，甚至对脑组织产生损害，从而减弱个体的认知功能。然而，人们同样需要认识到，进行运动也会产生改善免疫功能[64,65]，提高促炎反应(Pro-inflammatory)[65,66]以及抗氧化[67]的效果，例如Vieira等人[15]发现长期进行有规律的有氧运动可以抑制大鼠的肺部炎症反应。Wong等人[17]发现规律性的锻炼和空气污染导致的过早死亡之间存在负相关关系。Guo等人[16]的一系列研究发现在不同PM2.5水平下，体力活动都与高血压发病率之间存在负相关。另外，大量研究证据发现，如果长期处于久坐不动(Sedentary)的状态，也可能造成高血压、冠心病等慢性疾病发病率升高[68,69]、认知功能下降[70,71]等健康问题。因此，如果人们因为过于担心空气污染带来的健康损害，而不能认识到体力活动带来的健康收益以及缺乏体力活动产生的健康损害，就无法有效利用体力活动对于心血管机能、呼吸功能、认知功能的人体各方面健康机能产生的促进作用。考虑到当前越来越多研究证据显示，空气污染物不仅损害呼吸系统和心血管系统功能，也同样可能通过诱发炎症反应等机制对中枢和外周神经系统产生损害，本研究着重从神经系统和认知功能方面探讨空气污染条件下，进行运动对健康产生怎样的影响。

在空气污染暴露的情况下进行体力活动是否对大脑形态和认知功能产生积极影响，已有不少研究展开了探索，这些研究涵盖的研究对象既包括了大鼠等动物，也包括了健康成年人和老年人；
既探索急性运动对空气污染暴露下认知功能的影响，也包括了有规律的体力活动(Habitual Physical Activity)产生的长期影响。虽然研究的设计和采用的结局变量各有不同，但研究的结果基本上趋向于支持在空气污染条件下进行体力活动对认知功能存在积极的作用。但需要注意的是，运动对认知功能产生的积极效益可能被空气污染物所削弱乃至抵消。

首先，在空气污染条件下，急性运动对认知功能影响的研究相对较少。这一方面是因为如果以动物为研究对象，认知功能的测评难以开展，尤其是急性运动对认知功能产生的急性影响往往是短暂的，在动物身上开展的认知测试可能难以准确探测到急性运动前后认知功能产生的变化；
另一方面，以人为样本的研究往往因为伦理原因难以开展。目前相关研究的代表性证据主要来自于Bunnell等人[72]开展的一系列研究，在一项早期研究中，研究者将16名18-29岁的受试者暴露于一氧化碳条件下分别进行运动和休息，然后完成5种认知功能测试，结果发现碳氧血红蛋白的浓度升高导致Stroop色词测试的表现下降，也就是受试者的抑制控制功能受到了急性损害。与之类似的是，另一项研究[73]发现在这种条件下，受试者在提供了反向指导语干扰的情境下进行的认知测试表现出现了下降。换而言之，在高浓度的一氧化碳条件下进行运动削弱了个体适应新的认知任务的能力，这两项研究都发表于《航天、空间和环境医学》(Aviation, Space, and Environmental Medicine)杂志，这也或许是考虑在特殊的工作任务环境中，任务执行人有可能面临高浓度一氧化碳的空气环境，对个体的认知和生理功能产生急性影响。

然而，需要认识到的是，一氧化碳浓度增加产生的空气污染与人们当前普遍关注的持续性空气污染是有所不同的，从公共健康的角度来看，当前对大众影响最为普遍的空气污染主要是以PM等颗粒物为达标的空气污染物导致的空气质量下降，研究者们讨论的空气污染带来的长期健康损害也主要聚焦于这一方面。

Zhang等人[74]对90名22岁左右的健康受试者在2020年9月到2021年6月进行了跟踪调查，通过加速度传感器对受试者的中高强度体力活动进行了4次测量，并通过便携式设备测量了其PM2.5的暴露水平。结果发现PM2.5暴露降低了受试者的执行功能，但体力活动对这种认知损害起到了弥补作用。值得注意的是，研究发现，中高强度体力活动带来的执行功能改善收益在空气污染条件下比无空气污染条件下更为显著，PM2.5每增加10μg/m3，人们可以通过增加13.6min的中高强度体力活动来抵消空气污染相关的认知功能损害。Ran等人[75]在1998-2001年期间对57 775名未患老年痴呆(dementia)的65岁以上老年人进行了调查，发现在这段时间分别出现了1 157例痴呆症、642例阿尔兹海默症和324例血管性痴呆症。空气污染程度和体力活动水平与这些疾病发病率之间分别呈正相关和负相关，也就是说，空气污染是老年痴呆的危险因素，而规律性的体力活动则是保护因素，但进一步的分析并未发现体力活动和空气污染对老年痴呆发病率产生交互作用，因此并不能确定体力活动是否可以降低空气污染相关的老年痴呆患病风险。然而有一点可以肯定，即使在空气污染条件下，体力活动依然可以产生降低老年痴呆风险的健康效益。Molina以[76]老年人为对象研究了有氧锻炼(提升心肺功能为主)和心血管健康指标之间的关系。他们将女性老年受试者分为四组：经常锻炼/无空气污染组，经常锻炼/空气污染暴露组，久坐/无空气污染组，久坐/空气污染暴露组。经常锻炼组进行的是有规律的步行锻炼，结果发现经常锻炼/无空气污染暴露组比久坐/空气污染暴露组在认知指标测试中有着显著更好的表现，这可能是通过更好的有氧能力带来的更好的氧气运送能力而实现的。

总体看来，目前的研究证据显示，空气污染暴露会降低成年人和老年人的认知功能，属于认知功能损害的危险因素，而有规律的长期运动对认知功能有保护作用，这种保护作用在空气污染条件下依然存在。但体力活动对认知功能的保护作用是否可以以及在多大程度上抵消空气污染导致的认知功能损害，还有待更多的研究进行证实。

随着人口的大量增加和人类工业化进程的不断推进，在过去的一个世纪，空气污染成为世界范围内普遍存在的公共健康问题。大量研究发现，空气污染不仅对呼吸系统和心血管系统造成损害，还会造成神经炎症等神经认知损害。而从另一方面来看，长时间缺乏体力活动同样不利于人们保持良好的认知功能。本研究回顾了空气污染暴露条件下的体力活动对大脑形态和认知功能影响的研究，发现空气中的污染性气体和颗粒物(PM)均可能穿过大脑屏障，导致大脑的形态和功能受损。虽然在空气污染条件下进行体力活动，尤其是户外体力活动会增加污染物的吸入，增加认知受损的风险，但也可能带来执行功能提升，降低老年痴呆发病率等认知收益，人们可以考虑在空气污染条件下开展适当的体力活动。

然而，值得注意的是，当前的相关研究还有待进一步探索和完善。首先，当前的研究证据还较为有限，尤其是缺乏以颗粒物(PM)为主导致的空气污染条件下运动对人们的认知功能产生影响的研究证据。这很大程度上是处于研究伦理的顾虑，在空气污染条件下，研究者们难以开展相应的实验干预研究。后续的研究工作中，研究者们可以考虑增加以动物为样本开展的实验干预；
另外，可以招募一些空气污染条件下仍然主动从事运动的受试者，例如在空气污染环境下坚持骑车上班的人，对其大脑形态和认知功能进行跟踪研究，从而为空气污染条件下进行体力活动是利大于弊还是弊大于利提供更为科学的依据。

其次，对空气污染条件下运动的利弊如何权衡问题同样需要考虑在空气污染条件下体力活动对认知功能产生影响的剂量效应，尤其是不同的体力活动对不同方面的认知功能(执行功能、记忆、注意等)产生的影响可能有所不同，需要更多的研究对体力活动的关键特征(强度、持续时间、频率和类型)进行组合和准确测评，对比不同特征的体力活动对不同人群认知功能的影响，并客观评估其认知收益是否可以抵消空气污染产生的负面认知影响，从而为大众提供更具有可行性的行为建议。

总体而言，虽然在空气污染条件下进行体力活动会增加认知损害的风险，但在长期空气污染条件下，人们不应当一味减少体力活动，忽略久坐带来的健康风险。而应当考虑即使在存在空气污染的情况下，进行一定的体力活动依然可以产生显著的认知收益，而这种认知收益可以在多大程度上抵消空气污染导致的认知功能损害，还有待更多的研究证实。

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