《2020年全球空气状况报告》(State of Global Air 2020) 指出，空气污染已经成为全球疾病负担的第四高风险因素。研究证据表明，若长期处在污染环境中，人的大脑结构和功能会受到不可逆转的损害，从而可能引起认知功能障碍。但近年来，中国的雾霾治理已经取得了初步成效，就北京而言，污染状况总体改善较多，每年中度、重度污染的天数已经是屈指可数。
但我们不禁想问，如果仅仅是几天到几周的短期暴露，空气污染是否仍然能够对我们的认知功能造成损害呢？
为了回答这一问题，近日，苏州大学东吴学院公共体育系张曜老师联合清华大学医学院生物医学工程系2020级博士生柯丽媚，在国际环境与健康领域顶级杂志《Environment International》发表了题为“Short-term PM2.5 exposure and cognitive function: Association and neurophysiological mechanisms”的研究文章（影响因子13.4，JCR Q1，中科院一区），尝试探索短期PM2.5暴露与认知功能之间可能的相关性及其神经电生理机制。研究发现，短期暴露PM2.5与认知功能之间存在显著负相关，且PM2.5对认知功能的影响具有三天的滞后性；PM2.5浓度与认知功能表现的暴露-反应曲线呈近线性增长。
图：PM2.5短期暴露与认知功能之间的暴露-反应曲线
这项研究让我们意识到，仅仅是三天的短期暴露，空气污染仍然可能影响到认知功能。那么到底是如何影响的呢？为了回答这一问题，本研究同时借助了脑电图测量技术，来探索日均PM2.5对认知过程中神经活动变化的可能影响。
众所周知，大脑功能的实现依赖于数以亿计的神经元的共同协作。当大脑开始运转时，神经元活动产生电信号，进行信息的传输和存储。将传播到头皮表面的电信号捕获记录下来就得到了脑电图，对脑电图进行研究，就可以帮助我们直观了解大脑的认知加工过程。
在脑电图中，由神经元群体同步发放所产生的、呈现节律性变化的神经活动模式——神经振荡（Neural oscillation）一直是科学家们关注的重点，神经元的同步活动在大脑局部信息加工以及全局信息交互中扮演着关键角色。其中，在Alpha频段的神经振荡与认知加工过程息息相关，反映了一种自上而下的控制过程。如果把大脑神经网络比喻成一座水库，神经元的活动性能就是水库中的“水”，Alpha振荡便是起到关闸“蓄水”和开闸“放水”的重要作用。Alpha振荡在静息态下振幅较大，拥有皮层抑制的作用，在这种状态下，大部分神经元开始同步振荡，处于未激活的状态，相当于水库的“蓄水”过程。而当认知任务开始时，Alpha振荡便会呈现被压制的状态，称为Alpha事件相关去同步，相当于开闸“放水”，随之被抑制的神经元不再同步振荡，而是转换为激活状态，响应并处理认知任务。
研究发现，日均PM2.5污染与Alpha事件相关去同步化显著负相关，但与静息状态以及任务状态下的非周期分量没有显著性关系，同时中介效应模型也证明，Alpha事件相关去同步在PM2.5与认知功能之间起到了显著的介导作用。这些研究结果表明，空气污染的短期暴露可能会影响任务态下Alpha振荡抑制解除的响应程度，也就是影响水库开闸“放水”的过程，从而可能导致了认知功能的下降。
图：PM2.5短期暴露与Alpha事件相关去同步性之间的相关性以及Fz，Cz，Pz电极位置的总时频分析结果
图：Alpha事件相关去同步性介导的PM2.5短期暴露与认知功能之间的关系以及研究结果示意图
综上所述，该研究尝试解释PM2.5的短期暴露导致大脑认知变化的宏观电生理特征，暗示了未来减少空气污染损害可能的健康干预靶点，为缓解PM2.5暴露导致的认知能力下降提供一些参考。
苏州大学东吴学院公共体育系教师、2022年清华大学体育学硕士毕业生张曜与清华大学医学院生物医学工程系2020级博士生柯丽媚为该论文的共同第一作者。清华大学万科公共卫生与健康学院底骞副教授为该论文的通讯作者。
清华大学万科公共卫生与健康学院底骞副教授课题组、体育部马新东教授课题组与继续教育学院张羽教授课题组合作完成了本项研究。该研究由国家自然科学基金项目（42277419，62177030）、国家社会科学基金重点项目（19AZD028）、室内空气质量评价与控制北京市重点实验室专项资金（BZ0344KF20-07）、清华大学马约翰体育思想与实践项目资助。
附：苏州大学东吴学院公共体育系张曜老师简介
张曜，女，1997年6月，江苏泰州兴化人。2022年6月清华大学体育学硕士毕业，乒乓球国家一级运动员。2022年8月入职苏州大学东吴学院公共体育系，同时担任苏大阳光组乒乓球校队教练。入职四个月期间，张老师以第一/共同第一作者身份，以苏大为第一单位发表四篇SCI论文，其中一区论文一篇（影响因子13.4），二区论文一篇（影响因子8.4）。目前以第一作者/共同第一作者累计发表SCI论文8篇。
作为乒乓球一级运动员，张老师曾在读书时累计8次获得北京市首都高校乒乓球锦标赛的团体、单打、双打和混双冠军。入职后在今年10月举办的苏州大学教职工乒乓球团体赛中，为东吴学院获得了首个乒乓球团体赛冠军，并且作为主力队员参加了2022年苏州市高校教职工乒乓球比赛，获得了冠军。
下列为张老师近三年部分论文成果：
1. Zhang, Y., Ke, L., Ma, X., Di, Q., 2023. Impact of ground-level ozone exposure on sleep quality and electroencephalogram patterns at different time scales. Environmental Research 218, 115025. (SCI Q1; IF=8.4) https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.115025
2. Zhang Y, Ke L, Fu Y, Di Q, Ma X. Physical activity attenuates negative effects of short-term exposure to ambient air pollution on cognitive function. Environment International. 2021 Dec;160:107070. DOI: 10.1016/j.envint.2021.107070. (SCI Q1; IF=9.6) https://authors.elsevier.com/sd/article/S0160-4120(21)00695-4
3. Ke, L*., Zhang, Y *, Fu, Y., Shen, X., Zhang, Yu, Ma, X., Di, Q., 2022. Short-term PM2.5 exposure and cognitive function: Association and neurophysiological mechanisms. Environment International 170, 107593. https://doi.org/10.1016/j.envint.2022.107593 （共同一作，SCI Q1; IF=13.4）
4. Liu, J *., Zhang, Y *., Li, X., Wang, D., Shi, B., You, Y., Min, L., Luo, B., Li, Y., Di, Q., Ma, X., 2022. Exercise improves mental health status of young adults via attenuating inflammation factors but modalities matter. Front. Psychiatry 13, 1067890. https://doi.org/10.3389/fpsyt.2022.1067890 (共同一作，SCI Q2; IF=5.4）
5. Zhang Y, Zhang H, Ma X, Di Q. Mental Health Problems during the COVID-19 Pandemics and the Mitigation Effects of Exercise: A Longitudinal Study of College Students in China. Int J Environ Res Public Health 2020; 17: 3722.(SCI/SSCI Q2; IF=2.9) Web of Science 高被引、热点论文，被下载阅读 1200 余次，被引 340+次，并受邀在国际论坛中对此做口头报告。
撰稿:张曜 校稿:段文文 审核:张健