污染和压力改变雄性小鼠的大脑发育和社会行为

“我怀孕了,压力很大,而且在飞机附近工作,”布洛克回忆道。“我每天都会经过喷气燃油尾气。我的孩子最终患上了神经发育障碍,即脑积水。”虽然布洛克的女儿现在正在蓬勃发展,但布洛克及其同事的研究发表在《细胞报告》上,提供的证据表明,如果布洛克正在怀一个儿子,他可能天生患有自闭症。Block与杜克大学心理学和神经科学教授StaciBilbo博士以及细胞生物学教授CaglaEroglu博士共同发表了该团队发表的论文,该论文的标题是“产前环境压力因素会损害男性产后小胶质细胞功能和成年行为””。研究小组在研究中得出结论:“......我们的研究结果为揭示NDD的非遗传原因迈出了重要的第一步,以便可以在明智的政策变化的同时制定预防和治疗方法。”

作者指出,卡车柴油发动机排放的废气等空气污染与精神分裂症和自闭症等神经发育障碍的发病率增加有关。他们在论文中写道:“近几十年来,神经发育障碍(NDD)的发病率一直在增加,这表明非遗传环境因素发挥了作用。”“此外,性别是这些疾病的一个重要危险因素,男性倾向明显。怀孕期间或出生第一年接触空气污染物是NDD最一致的环境风险因素之一。”

然而,尽管全球99%的人生活在空气不健康的城市,但每44名儿童中只有1人被诊断患有自闭症,而且男孩是女孩的四倍。那么为什么不是每个人都会患上自闭症呢?比尔博说:“环境毒素对某些人来说比其他人更严重,而且受影响的总是最脆弱的人群。”比尔博认为,就自闭症和空气污染而言,缺失的环节是贫困和住房不安全造成的母亲压力。“这并不是说富人没有压力,”比尔博说。“但当你不得不担心你将住在哪里以及在家中是否安全时,情况就不同了。”

虽然现有的人体数据支持比尔博的说法,但直接在孕妇身上测试这些想法,以找出空气污染和压力可能结合起来重塑发育中儿童大脑的任何生物机制,是不可能的,也是不道德的。布洛克和她的团队将怀孕的老鼠暴露在许多人每天都要忍受的恶劣的住房和空气质量条件下,并观察它们的后代的表现。

作为空气污染的代表,小鼠母亲暴露在柴油机尾气颗粒中。作为额外的压力源,在怀孕快结束时,雌性小鼠分配的建筑材料比平常少,用于为幼鼠建造巢穴,这实际上意味着住房不足。

研究结果证实,承受压力的老鼠妈妈仍然是优秀的父母,因为她们像没有受到产前压力的老鼠妈妈一样照顾和打扮自己的幼崽。然而,虽然压力大、接触污染物的母亲所生的雌性幼崽按预期长大,但雄性幼崽一生都误读了社会线索。一组实验表明,在青少年时期,这些雄性更喜欢和一只黄色橡皮鸭一起出去玩,而不是和附近的一只老鼠在一起(老鼠通常更喜欢和自己的同伴在一起,而不是洗澡玩具)。

布洛克和她的团队随后调查了雄性幼崽的大脑是否在早期就进行了重组,导致雄性青少年变得更加害羞。具体来说,研究小组想知道男性大脑是否在发育早期没有得到必要的完善。

在生命的早期,所有动物生来就有过多的脑细胞突触,随着动物的成长,这些突触会逐渐减少。导致成功任务(例如拿起玻璃杯)的突触得到维护和加强,而导致尝试失败的连接则被移除。科学家们表示:“在出生后早期大脑发育中,突触发生的旺盛时期紧随其后的是突触修剪期,并且与突触修剪期重叠,弱或不必要的突触被消除。”

研究小组的研究表明,吸入柴油烟雾的压力妈妈生下的雄性幼崽,在幼儿时期似乎错过了前扣带皮层(ACC)中的突触组织,这是一个对于感知和产生社交线索很重要的大脑区域。雄性幼崽大脑这一区域的突触过多似乎解释了它们在青少年时期害羞的社交倾向,但这也留下了一个问题:怀孕期间的烟雾和压力如何阻止典型的大脑雕刻。

为了更仔细地研究这一点,布洛克和她的团队研究了免疫系统,特别是大脑中称为小胶质细胞的免疫细胞。小胶质细胞监控细菌和病毒,但它们也对脆弱或死亡的突触保持警惕,它们很容易将其移除以帮助整理大脑。研究小组指出:“小胶质细胞是大脑的主要免疫活性细胞,对体内平衡的扰动非常敏感,因此可能会成为对环境损害的直接反应者。”“小胶质细胞也是发育过程中活动依赖性突触重塑的重要调节者,它们会修剪不适当/弱的突触,同时保留适当/强的连接。”

布洛克推断,如果压力大和暴露于污染的母亲所生的雄性幼崽的大脑中比平时有更多的突触,那么受影响的雄性幼崽的大脑中可能也没有那么多的小胶质细胞。事实上,研究小组指出,“......我们和其他人发现小胶质细胞发育、成熟和功能存在性别差异,包括与女性相比,男性大脑中小胶质细胞基因的相对表达增加。有趣的是,男性大脑中富含的小胶质细胞基因也与自闭症谱系障碍有关。”

然而,令人惊讶的是,布洛克和同事发现,来自有压力的母亲的青春期男性的ACC中的小胶质细胞与来自没有压力的母亲的同龄人一样多。但烟雾和住房压力与小胶质细胞中刺激突触食欲的蛋白质较少有关,这可能解释了突触的丰富性。

有趣的是,到了成年,情况似乎发生了逆转。暴露于烟雾和压力的母亲所生的雄性小鼠现在其ACC中的突触更少,并且比未暴露于烟雾和压力的同龄小鼠更合群。这种更加外向而不是保守的非典型倾向反映了Block的合作者和合著者、杜克大学神经生物学教授和精神病学家KafuiDzirasa博士最近描述的带有自闭症相关基因的小鼠的行为和大脑活动。

自闭症患者经常被错误地认为社交能力较差,但布洛克分享道,“如果你遇到了一个自闭症患者,那么你就遇到了一个患有自闭症的人。”齐拉萨补充说,他的许多自闭症患者都无法通过用于诊断老鼠的标准实验室测试,如果啮齿类动物的社交倾向较差,那么这些测试基本上就会将它们归类为自闭症类动物。相反,吉拉萨和布洛克表示,对于自闭症患者来说,这更多的是对社会线索和习俗的误解,而不是天生内向。

布洛克和比尔博表示,他们的新研究在老鼠身上提供了一个明确的机制,可以解释为什么高水平的空气污染会增加出生在贫困社区的孩子患自闭症的可能性。它还可能提供一些见解,有一天可能会导致开发出有助于防止小胶质细胞受到环境压力源操纵的药物,因为当孕妇感染流感时,柴油机尾气和住房压力会引发类似的免疫反应。

目前,比尔博和她的团队希望他们新报告的有关怀孕期间压力和空气污染影响的证据可能会推动政策制定者推动支持清洁空气倡议和社会服务的立法,例如改善和扩大公共住房。“你不能忽视这项研究的机制发现,”比尔博说。“这一切正在发生,而且就是这样发生的。”

作者承认他们的研究存在局限性,并总结道:“我们的研究结果阐明了环境污染物与怀孕母亲的社会心理压力协同作用并诱发MIA的机制,这对男性大脑的发育和功能具有特定的长期影响。这一点现在比以往任何时候都更加令人担忧,因为经济活动增加和环境保护执法力度减弱导致持续的气候变化,导致近年来空气质量迅速恶化。空气污染加剧可能与弱势群体的社会压力产生协同作用,导致子孙后代的福祉进一步差距。”