利用小鼠行為一窺空氣污染與大腦發育的關聯性

空氣污染對人類健康帶來重大健康風險。受污染的空氣會增加動物心血管和呼吸系統疾病的發生。世界衛生組織估計，空氣污染導致每年全球 700 萬人死亡。因此，研究不同類型的空氣污染對身體的影響非常重要。

空汙會影響大腦

先前有關該主題的研究表明，空氣污染會對中樞神經系統產生負面影響。重要的是要了解某些污染物質如何在不同的生命階段影響大腦，以及這些變化是否會在以後的生活中持續存在。 因此，University of Washington（美國華盛頓州西雅圖）的研究人員進行了一項研究，研究關於生命早期接觸柴油廢氣對小鼠行為和生化參數的影響[1]。他們很想深入了解柴油廢氣對Alzheimer's 病程發展的影響。

早期接觸柴油廢氣

受精雌性小鼠（野生型C57BL/6J）在繁殖後單獨飼養。他們在整個懷孕期間和產後一直暴露在預設量的空氣中，直到斷奶（產後第 21 天）。控制組呼吸新鮮空氣，而實驗組則暴露於柴油煙霧（250-300μg/m3，每天6小時）。此汙染程度是根據與被檢測出有高度污染地區是一樣的[2]。

暴露後，實驗組和控制新生小鼠均被分組圈養，並在新鮮空氣條件下飼養 22 個月。有趣的是，Garrick 等人發現接觸柴油廢氣會影響出生結果。在懷孕小鼠中，暴露於柴油廢氣的組別小鼠的出生率顯著較低（實驗組為 54.2%，控制組為 82.1%）。

另外，暴露於柴油廢氣的組別的新生兒存活率也較低（實驗組為 80.9%，控制組為 93.4%）。

用PhenoTyper 做飼養籠測試(home-cage testing)

Alzheimer's 的特點是認知功能會大幅度的下降。然而，實驗者對成年期和老年期的小鼠做一系列的行為認知實驗。第一個行為實驗是飼養籠測試，使用Noldus 的Pheno Typer，使Garrick 等人可以長時間的在同一個環境下觀察小鼠。

他們使用EthoVision XT 搭配Pheno Typer來追蹤小鼠在白天和晚上的行動。實驗者在紀錄期間使用EthoVision XT來劃分Pheno Typer內的區域。這些區域是用來確定動物在Pheno Typer的哪些地方有活動。

研究中發現有趣的現象，之前有暴露在柴油廢氣中的公鼠花比較少的時間在餵食站，並且在白天比較少動。

但在母鼠中並未發現這種結果。此外，雖然這行為在這些公鼠晚期並沒有持續發生，但在實驗組公鼠的體重有顯著下降的變化。

柴油廢氣如何影響認知功能

如前面所提到的，有實驗結果顯示空氣污染會影響中樞神經系統。為了了解柴油煙霧暴露是否對認知能力有影響，我們在 T 型迷宮中和物體辨識測試中對小鼠進行觀察

T迷宮和空間記憶

T迷宮是用來測量探索行為和空間記憶所用，物體再認實驗也可以測量空間記憶，但更多成分是對於特定物體的位置記憶。T迷宮可以反映背側海馬體(dorsal hippocampus)、基底前腦(basal fore-brain )、前額葉皮質(prefrontal cortex) 的功能。另一方面，物體再認測驗主要是量測背側海馬體的功能。

儘管這兩個實驗都測試了空間記憶，但實驗之間的結果確實有所不同。暴露於柴油煙霧的老年鼠在 T 迷宮中的自發性交替略有減少，但沒有發現柴油煙霧對物體辨識有顯著影響。

這表示可能柴油廢氣只對某些大腦區域有影響，可以推測海馬體可能較不會受到廢氣影響。相反，接觸煙霧可能會導致基底前腦和前額葉皮質缺陷。

柴油廢氣造成的生化影響

很自然的，除了觀察外在的行為外，生物體的生化改變也要量測。 Garrick 等人測量大腦皮質和海馬體中的丙二醛(malondialdehyde) 水平作為脂質過氧化(lipid peroxidation) 的指標。結果表明，出生前接觸柴油煙霧的老年鼠在老年階段會經歷氧化壓力。

這不是實驗者所預期的，因為大多數會引起氧化壓力的有害顆粒不會隨著時間的推移而持續存在於大腦中。然而，某些粒子似乎有可能繼續留在大腦中。

若可以檢測分析這些粒子是否真的停留在大腦中這麼久的時間一定很有趣，我們可以一窺早期生命在柴油廢氣暴露下對健康的潛在危機。

這些結果可以推估到人類身上嗎？

Garrick等人進行這個實驗室為了要觀察早期暴露在柴油廢氣之下是否與Alzheimer's 疾病有關。當他們檢測Alzheimer's 病理時(

tau 神經纖維纏結和 β 澱粉樣斑塊)，他們並沒有在控制組和早期暴露組之間發現顯著差異。然而，Garrick等人確實認知到，這個實驗中使用的小鼠模型並不適合研究阿茲海默症。

Garrick 等人生命早期接觸柴油廢氣可能會永久改變神經通路和氧化壓力反應。因此，全球排放量的減少將降低暴露兒童的健康風險。然而，研究人員表示，早年接觸柴油廢氣不會導致晚年罹患阿茲海默症。

使用小鼠模型

當然，要將實驗結果直接轉移到人類身上還是有點困難。但是，這些小鼠實驗的確帶給我們非常珍貴的訊息讓我們探索生物機制與外在刺激的交互作用。在壓力較小的飼養籠環境中有利於實驗者全面觀察動物的行為。

參考文獻

[1] Garrick, J.M. et al. (2023) ‘Perinatal diesel exhaust exposure causes persistent changes in the brains of aged mice: An assessment of behavioral and biochemical endpoints related to neurodegenerative disease’, Environmental Toxicology.

[2] Wang, J.-F. et al. (2013) ‘Estimation of Citywide Air Pollution in Beijing’, PLOS ONE, 8(1), p. e53400. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0053400.