暴露在柴油废气中导致人类志愿者脑电图的变化

摘要

背景

环境中的微粒物质和纳米粒子已被证明会转移到大脑中，并可能影响中枢神经系统。目前还没有数据表明这是否会导致大脑的功能变化。

方法

我们让10名志愿者接触稀释柴油废气（DE，300μg/m^三)作为环境PM暴露和过滤空气1小时的模型，使用双盲随机交叉设计。使用定量脑电图（QEEG）在头皮上的8个不同部位监测每次暴露期间和暴露后1小时的大脑活动。脑电信号的频谱用于计算QEEG的中值功率频率（MPF）和特定频带。

结果

我们的数据表明，暴露后30分钟内，额叶皮层对DE的反应中MPF显著增加。MPF的增加主要是由快波活动（β2）增加引起的，并在暴露后1小时内持续增加。

结论

这项研究首次显示了DE暴露在人脑中的功能效应，表明了一般的皮层应激反应。需要进一步研究以确定这种效应是否由DE中的纳米颗粒介导，并确定所涉及的确切途径。

介绍

几项流行病学研究已确定柴油废气是确定颗粒物（PM）空气污染对健康不利影响的重要组成部分[1,2]. 柴油机排气的分子毒性[三]建议包括氧化应激介导的炎症，通过颗粒表面、多环芳烃和氧化还原活性金属。炎症被认为是柴油通过环境PM暴露对肺部和全身有害健康影响的核心[4]. 在过去几十年里，一些研究表明，吸入的纳米颗粒能够通过嗅觉神经转移到大脑[5,6]与沉积部位的炎症变化有关[7,8]. 由于纳米颗粒是氧化应激的有效诱导剂，因此进入大脑的途径尤其令人担忧[4,9]大脑对氧化应激造成的损伤非常敏感[10]. 氧化应激与帕金森病和阿尔茨海默病等神经退行性疾病的发病机制有关，可以想象，PM暴露的长期影响可能包括认知功能下降[11]. 在实验小鼠模型中暴露于PM导致脑内广泛激活促炎细胞因子[7].

最近的一项研究首次提出了PM对大脑功能影响的流行病学证据，该研究表明环境中的黑碳水平与儿童的认知发展之间存在关联[12]. 作为研究PM及其超细组分功能效应的第一个实验步骤，我们研究了暴露于柴油废气引起的大脑活动的短期变化。我们将人类志愿者暴露在柴油废气（DE，300μg/m3）和过滤空气中一小时，并在暴露期间和暴露后一小时在头皮的不同部位使用定量脑电图（QEEG）跟踪他们的大脑活动。暴露协议反映了柴油废气在环境和职业暴露中可能出现的峰值暴露。

方法

10名受试者（均为男性，平均年龄：26岁，年龄范围：18-39岁，无神经或心理病理损伤）在一个小时内（假手术）暴露于柴油废气和过滤空气中，间隔2-4天。在每次暴露开始之前，在睁眼3分钟期间，在暴露室外使用QEEG测量静息状态下的大脑活动（表1)闭眼时间为3分钟。暴露1小时后，再进行一小时的脑电图测量。参与者出具了书面知情同意书，该研究得到了乌梅大学医院伦理委员会的批准。如前所述，柴油废气由沃尔沃柴油发动机（沃尔沃TD45，4.5 L，4缸，680 rpm）产生[13]，导致1.2×10⁶悬浮颗粒/cm^三（300微克/米^三)和二氧化氮（NO）的气体污染物水平₂，1.6 ppm，氮氧化物（NO），4.5 ppm，一氧化碳（CO），7.5 ppm，总碳氢化合物4.3 ppm。

表1暴露前和暴露后测量（各3分钟）时，正面位置（Fp1）和中央位置（C3）的中位数功率频率（MPF）的个别绝对值。

在EEG测量期间，受试者安静休息，不进行任何运动，以避免干扰QEEG测量。受试者在曝光期间坐直，并被允许阅读一本书以避免无聊。根据国际10-20系统，连续记录头皮8个电极部位的脑电图：额极（Fp1、Fp2）、额叶（F3、F4）、中央（C3、C4）和顶叶（P3、P4），采样率为500 Hz。使用15秒间隔的快速傅里叶变换（FFT）计算滤波脑电图信号的频率含量。根据这些间隔，计算EEG的中位数功率频率（MPF）和谱带。第二个更详细的分析将功率谱划分为不同的频带，包括delta（1–3.5 Hz）、theta（3–7.5 Hz）、alpha（7.5–12 Hz）、beta1（12–20 Hz）和beta2（20–32 Hz）频带。曝光期间和之后MPF和光谱带的变化首先以时间序列表示。根据这些时间序列，计算每小时的平均MPF和谱带，以及每次暴露或暴露后间隔的第一和最后5分钟的振幅。通过对组结果进行配对Wilcoxon检验，比较柴油和假手术条件下第一和最后5分钟的差异显著性水平（P<0.05）。

结果

中位数工频（MPF）的变化

暴露室中MPF的基线测量值与暴露室外获得的暴露前测量值没有差异（未显示数据）。这表明，置身于暴露室中不会产生任何急性影响，例如在使用柴油后仍会有刺鼻的气味。在假暴露或柴油暴露的前5分钟内，受试者之间的MPF也没有显著差异。暴露30分钟后，我们观察到暴露室内所有受试者的MPF缓慢增加，与过滤空气相比，柴油废气暴露的MPF更强（图。1). 对MPF的影响首先在额叶电极部位Fp1、Fp2、F3和F4观察到，并且最为显著（图。2)与暴露开始时和模拟条件相比，柴油废气暴露结束时Fp1和Fp2的平均MPF显著不同（两者均P<0.05，表1). 有趣的是，当受试者从暴露室中移出时，柴油暴露后的效果进一步增强。这导致暴露前后3分钟的MPF测量值在正面（Fp1）和中央（C3）位置都有显著差异（表1). 此外，根据进入试验箱的第一和最后5分钟之间的差异计算得出的暴露间隔的变化在假暴露和柴油暴露之间存在显著差异（表2). 这再次表明，暴露室中的任务或因素不太可能对EEG产生这种影响。此外，在暴露后，对MPF的影响在其他额叶F3和F4电极位点扩散，导致柴油和假手术之间的显著差异（表2). 尽管在柴油机期间，在中央（C3、C4）和壁（P3、P4）电极位置观察到MPF变化较慢（图2)，在暴露结束时，暴露后测量的平均MPF也与暴露前显著不同（表1).

图1

左额叶皮层MPF时间序列（F3）MPF的变化在叠加的历元分析图中表示为所有受试者的时间函数。在暴露和暴露后期间，柴油（蓝线）和假条件（黑线）的MPF值都是可视化的。这两条线代表原始信号的5分钟移动平均值。柴油暴露期间的MPF值增加，并在暴露后状态下保持升高。

图2

每个电极定位的MPF值这些图表示从顶部的额叶区域（Fp1，Fp2）到底部的顶叶区域（P3，P4）的8个电极定位。MPF的振幅用颜色表示，从深蓝色（7 Hz）到红色（12 Hz）不等。MPF振幅表示为暴露小时的第一和最后5分钟以及暴露后小时的平均值。柴油暴露期间，MPF的最高值出现在正面极性电极位置（Fp1、Fp2）。在这些地点，与虚假暴露相比，柴油暴露期间的MPF显著增加。柴油暴露后，MPF继续增加，导致与假暴露后相比，额叶极和额叶部位（Fp1、Fp2、F3、F4）存在显著差异。

表2不同暴露条件下不同位置的中值功率频率（MPF）的平均绝对变化。

脑电频谱分析

随后，我们扩展了数据分析，以确定柴油机排气对EEG信号特定频带的影响。额电极部位（Fp1、Fp2、F3、F4）的MPF增加，主要是由于对快波活动的影响（20–32 Hz，也称为β2活动）。与假暴露相比，柴油暴露期间，β2活性显著增加。10名受试者中有7名在柴油暴露间隔结束时观察到β2信号显著增加（图。三). 由此产生的变化在整个暴露后期间保持不变。然而，在假暴露时未观察到β2活性的这种变化（图。三). 在中央电极和壁电极部位未观察到类似的快波活动变化。使用短期傅里叶变换分析了所有频带的时间变化，发现快波活动存在较大变化，β2值随时间变化最大（数据未显示）。在柴油暴露期间，额叶皮层的β1活性（15–20 Hz）也增加，但这种增加没有达到统计显著性（数据未显示）。与假条件相比，柴油和暴露后期间的δ、θ和α活性没有显著变化（图。三).

图3

左侧额叶皮层（F3）的绝对β2振幅（A）和θ振幅（B）。变化在叠加的历元分析图中表示为所有组合对象的时间函数。将柴油（蓝线）和假条件（黑线）的每个频带的绝对功率可视化，将一小时暴露条件和随后的后置条件组合在一个图形中。这两条线代表原始信号的5分钟移动平均值。与假暴露相比，柴油暴露期间，β2（A）而非θ振幅（B）升高。

讨论

这是首次研究表明人类受试者暴露于柴油废气（DE）后大脑活动的功能变化。我们的数据表明，额叶皮层对DE的反应延迟，其特征是脑电图的中位数功率频率（MPF）和快波活动（21–32 Hz）增加。这些发现表明，在DE期间和之后，左侧额叶皮层的活动增加，但可能由许多不同的途径介导。

作为第一项此类研究，对这些发现的解释受到一些因素的限制。也许我们研究的最重要局限性在于，暴露在柴油废气中的是燃烧衍生纳米颗粒（CDNP）和废气（碳氢化合物、CO、NO）的混合物_x个). 纳米颗粒在DE中移位后或移位后的直接作用可能起到一定作用，但没有直接证据支持这一解释。众所周知，吸入后，大量纳米颗粒会沉积在鼻腔中[14]. DEP，以及DE中的载体成分，如多环芳烃（PAHs）和氧化还原金属，可以通过上皮细胞迁移到嗅球[5,6,8]引起轻微炎症和毒性[7,8]. 据报道，大鼠嗅球中二氧化锰纳米部分在暴露后6小时以上被摄取，尽管没有研究更早的时间或炎症标记物[7,8]. 因此，我们认为，柴油颗粒在大脑中的毒性或炎症效应不太可能引起这种效应。此外，CO、NO等气体_x个碳氢化合物可能通过气道中的迷走神经反射介导EEG的变化。血红素加氧酶系统产生的内源性一氧化碳（CO）已被无数研究表明在心脏和神经生理反应中发挥作用，但这些发现是否也与交通或柴油废气暴露相关，目前尚缺乏可用信息。有趣的是，柴油颗粒可能会激活大鼠的促炎性血管-阴道反射，而阿托品可以减少这种反射[15]. 这表明柴油颗粒本身会刺激呼吸道中的迷走神经反射，并可能因此而对大脑产生反馈。另一方面，两次暴露之间的心率没有差异，这可能是因为当前的柴油机废气已诱发迷走神经反射。

另一个复杂因素是，暴露室被刺鼻的气味污染，不能排除柴油废气的气味在受试者皮层觉醒增强中起作用。然而，由于几个原因，气味不太可能对我们的研究结果产生令人困惑的影响。首先，受试者只报告了最初几分钟内由于气味引起的不适，而脑电图的变化只在接触间隔结束时才出现。其次，受试者离开暴露室后，对强积金的影响继续上升。第三，由于交替使用暴露室进行柴油暴露和过滤空气暴露，在模拟条件下也存在柴油气味。最后，对化学刺激的嗅觉敏感性通常表现为接触开始后几分钟内慢波活动的增加[16]. 在整个研究过程中，这种慢波活动没有受到影响。

由于缺乏此类时间尺度的类似研究，我们的研究结果的解释受到阻碍。通常EEG研究是针对短期暴露或任务进行的，只持续几分钟。因此，我们必须考虑到，额叶皮层活动的增加也可能与受试者的警惕性降低有关，这是由暴露过程中的疲劳或无聊引起的。事实上，在认知任务期间，观察到β2值增加，同时警惕性降低[17]通常被视为对警惕性降低的补偿。然而，这通常与脑电图慢波活动水平的增加有关[18]，这在本研究中没有观察到。此外，在假暴露期间，在相同的受试者中未观察到β2快波活动的显著影响。因此，我们得出结论，警惕性降低不太可能解释观察到的影响。其他使用脑电图的研究将额叶脑活动与各种生理和心理发现联系起来。据报道，患有神经和心理疾病的患者中β2水平升高，如头痛、创伤后应激障碍、倦怠和创伤性脑损伤，通常被视为皮层应激的指标[19,20]. 虽然很诱人，但在流行病学工作中，通过对言语和非言语智能及记忆结构的评估，将额叶皮层短期功能变化的影响与认知功能下降联系起来[12]在这个阶段根本不可能。

环境PM暴露与肺部炎症、气道反应过度、发病率增加以及呼吸和心血管疾病死亡率增加有关[1,2]. 暴露在柴油废气中也有类似的影响，并且在许多实验研究中用作替代暴露[三,13,15]. 观察到的柴油废气对脑电图的影响加起来证明，空气污染可能通过多种途径发挥作用，并可能在大脑中引起影响。基于EEG中反应的开始、位置、频率分布和持续性，我们认为我们的发现是由于纳米颗粒缓慢渗透大脑或影响神经生理信号的影响。然而，我们只能推测这些对额叶皮层的影响对于长期接触PM和/或纳米颗粒意味着什么。有必要进行进一步的研究，以确定其他纳米粒子是否会诱导这种效应，并探索这些新发现的剂量-反应关系和临床意义。需要认识到，由于不可能进行神经化学工作和/或采集脊髓液样本，进一步的人体研究面临严重的限制。让受试者接受非侵入性成像技术（磁共振成像，MRI）或测量（近红外共振光谱，NIRS）血流和组织损伤是目前正在探索的对这些人体研究进行后续跟踪的选项。目前的工作集中于人工生成的纳米颗粒的类似效果，这些纳米颗粒不受气体和其他成分的污染。