Luftverschmutzung und das Gehirn

Auswirkungen von Feinstaub, Stickstoffdioxid und Ozon auf die Entwicklung funktioneller Hirnnetzwerke in der frühen Jugend

Luftverschmutzung und das Gehirn

22.06.2023 Es ist bekannt, dass Luftverschmutzung das Krankheitsrisiko erhöht, weshalb Regulierungsbehörden wie die Environmental Protection Agency (EPA) Grenzwerte für Emissionen festlegen. Es gibt jedoch immer mehr Hinweise darauf, dass selbst Schadstoffwerte, die lange Zeit als unbedenklich galten, das Risiko von Gesundheitsproblemen – auch im Gehirn – erhöhen können.

Eine Studie der Keck School of Medicine der USC hat nun gezeigt, dass selbst die von der EPA als sicher eingestuften Schadstoffwerte im Laufe der Zeit zu Veränderungen der Gehirnfunktion führen können. Die in der Fachzeitschrift Environment International veröffentlichte Studie stützt sich auf Hirnscandaten von mehr als 9.000 Teilnehmern der Adolescent Brain Cognitive Development (ABCD)-Studie, der bisher größten landesweiten Studie zur Gesundheit des Gehirns von Jugendlichen. Kinder, die einer höheren Schadstoffbelastung ausgesetzt waren, zeigten Veränderungen in der Konnektivität zwischen verschiedenen Gehirnregionen. In einigen Bereichen hatten sie mehr Verbindungen als normal, in anderen weniger.

„Eine Abweichung in irgendeiner Richtung von der normalen Entwicklung des Gehirns – ob die Gehirnnetzwerke nun zu stark oder zu wenig miteinander verbunden sind – könnte sich im weiteren Verlauf als schädlich erweisen“, sagt Studienautor Devyn L. Cotter.

Veränderungen in der Gehirnkonnektivität

Um den Zusammenhang zwischen Luftverschmutzung und Gehirnentwicklung zu untersuchen, analysierten Megan M. Herting, Cotter und ihre Kollegen funktionelle MRT-Scans von 9.497 Teilnehmern der ABCD-Studie. Bei den Kindern im Alter von 9 bis 10 Jahren wurden Basis-Gehirnscans erhoben, und bei einer Untergruppe von Kindern wurden zwei Jahre später Folgescans erstellt, so dass die Forscher beobachten konnten, wie sich die Konnektivität des Gehirns im Laufe der Zeit veränderte. Insbesondere analysierten sie die Netzwerke der Salienz, des frontoparietalen und des Standardmodus des Gehirns sowie die Amygdala und den Hippocampus – Schlüsselregionen des Gehirns, die bekanntermaßen an Emotionen, Lernen, Gedächtnis und anderen komplexen Funktionen beteiligt sind.

Als Nächstes nutzten die Forscher EPA- und andere Daten, um die Luftqualität am Wohnort eines jeden Kindes zu kartieren, einschließlich der Werte von Feinstaub (PM2,5), Stickstoffdioxid (NO2) und bodennahem Ozon (O3). Anschließend untersuchten sie mit Hilfe fortschrittlicher statistischer Instrumente, wie die Luftverschmutzungswerte mit den Veränderungen in der Konnektivität des Gehirns im Laufe der Zeit zusammenhingen. Mit anderen Worten: Entwickeln sich junge Gehirne anders, wenn sie einer höheren Luftverschmutzung ausgesetzt sind?

PM2,5, NO2 und O3

Eine höhere PM2,5-Belastung war mit einem relativen Anstieg der funktionellen Konnektivität zwischen den Regionen verbunden, während eine höhere NO2-Belastung einen relativen Rückgang der Konnektivität vorhersagte. Eine höhere O3-Belastung war mit mehr Verbindungen innerhalb der Hirnrinde, aber weniger Verbindungen zwischen der Hirnrinde und anderen Regionen, wie der Amygdala und dem Hippocampus, verbunden.

Um andere Faktoren auszuschließen, die die Unterschiede in der Gehirnentwicklung erklären könnten, berücksichtigten die Forscher das Geschlecht, die Rasse/ethnische Zugehörigkeit, das Bildungsniveau der Eltern, das Haushaltseinkommen, die Lage in der Stadt oder auf dem Land und die Jahreszeit, da die Luftverschmutzung in den Winter- und Sommermonaten unterschiedlich ist.

Cotter, Herting und ihre Kollegen beabsichtigen nun, die chemische Zusammensetzung von Schadstoffen genauer zu untersuchen, um festzustellen, wie und warum sie das Gehirn schädigen, was zur weiteren Verbesserung der Vorschriften beitragen könnte. Sie planen auch, die Daten der ABCD-Studie weiter zu nutzen, um die Gesundheit des Gehirns über einen längeren Zeitraum zu analysieren.

„Führt dies langfristig zu einem Risiko für Psychopathologie, das in der mittleren bis späten Adoleszenz weiter ansteigt? Wie wirkt sich dies auf die Entwicklung der psychischen Gesundheit der Menschen aus“, fragt Herting.

© Psylex.de – Quellenangabe: Environment International (2023). DOI: 10.1016/j.envint.2023.108001

News zu: Luftverschmutzung und das Gehirn

Luftverschmutzung steht im Zusammenhang mit Gehirnveränderungen und kognitiven Beeinträchtigungen bei Kindern

26.03.2018 Eine neue Studie, die in den Niederlanden durchgeführt wurde, hat die Exposition gegenüber Luftverschmutzung in Wohngebieten während der fötalen Entwicklung mit Hirnanomalien in Verbindung gebracht, die zu einer Beeinträchtigung der kognitiven Funktionen bei Kindern im schulpflichtigen Alter beitragen können.

Die Forscher vom Barcelona Institute for Global Health und der Erasmus Universität beobachteten Auswirkungen auf die Gehirnentwicklung im Zusammenhang mit Feinstaub-Konzentrationen unterhalb des aktuellen EU-Grenzwertes, schreiben sie im Fachblatt Biological Psychiatry.

Dieser Befund ergänzt frühere Studien, die akzeptable Luftverschmutzungswerte mit anderen Komplikationen – wie kognitiven Beeinträchtigungen und der Entwicklung des fötalen Wachstums – in Verbindung gebracht haben, sagen Dr. Mònica Guxens und Kollegen. Deshalb können sie die derzeitigen Luftverschmutzungsgrenzwerte in unseren Städten nicht als sicher ansehen.

Feinstaub

Die Exposition gegenüber feinen Partikeln (Feinstaub) während der fötalen Entwicklung war in mehreren Regionen mit einer dünneren äußeren Schicht des Gehirns, dem sogenannten Cortex, verbunden.

Die Studie zeigte, dass diese Hirnanomalien zum Teil zu Schwierigkeiten bei der Hemmungskontrolle beitragen – der Fähigkeit, Versuchungen und impulsives Verhalten zu regulieren bzw. zu kontrollieren, was mit psychischen Gesundheitsproblemen wie Suchtverhalten und Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung verknüpft ist.

Dicke der Hirnrinde

Die Studie untersuchte schwangere Frauen und deren Föten in den Niederlanden. Dr. Guxens und Kollegen bewerteten bei 783 Kindern die Luftverschmutzung zu Hause während der fötalen Entwicklung. Die Daten wurden im Rahmen von Überwachungskampagnen zur Verschmutzung der Luft erhoben und umfassten Stickstoffdioxid (ein wichtiger Luftschadstoff, der durch Verkehr und Zigarettenrauchen verursacht wird), Grob- und Feinstaub.

Bildgebende Verfahren zur Untersuchung des Gehirns wurden bei den Kindern im Alter zwischen 6 und 10 Jahren durchgeführt. Sie zeigten Anomalien bei der Dicke der Hirnrinde des Precuneus und des rostralen medialen Frontalbereiches.

Feinstaub-Belastung unter den zulässigen Grenzwerten

Trotz des Zusammenhangs zwischen diesen Veränderungen der Hirnstruktur und der Feinstaubbelastung lagen die durchschnittlichen Wohnwerte der Feinstaubpartikel in der Studie weit unter dem derzeit zulässigen Grenzwert, der von der EU festgelegt wurde – nur 0,5 Prozent der schwangeren Frauen in der Studie waren als unsicher geltenden Werten ausgesetzt. Die durchschnittlichen Stickstoffdioxidwerte in den Wohngebieten lagen im „sicheren“ Grenzbereich.

Luftverschmutzung ist so offensichtlich schlecht für die Lunge, das Herz und andere Organe, dass die meisten von uns nie über ihre Auswirkungen auf das sich entwickelnde Gehirn nachgedacht haben, schreibt Dr. John Krystal, Herausgeber von Biological Psychiatry. Aber vielleicht hätten wir aus Studien zum mütterlichen Rauchen lernen sollen, dass das Einatmen von Toxinen nachhaltige Auswirkungen auf die kognitive Entwicklung haben kann, sagt er.

Das fetale Gehirn in der Schwangerschaft

Das fetale Gehirn ist während der Schwangerschaft besonders anfällig – es hat noch nicht die Mechanismen entwickelt, um sich gegen Umweltgifte zu schützen oder diese zu entfernen. Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass eine Exposition bei Werten, die sogar unter den als sicher geltenden Werten liegen, zu dauerhaften Hirnschäden führen können.

Obwohl spezifische individuelle klinische Implikationen dieser Befunde nicht quantifiziert werden können, könnten die beobachteten kognitiven Verzögerungen – basierend auf anderen Studien – im frühen Alter signifikante Langzeitfolgen haben, wie z.B. ein erhöhtes Risiko für psychische Störungen und geringe schulische Leistungen, insbesondere aufgrund der Allgegenwart der Exposition gegenüber der Luftverschmutzung, so Dr. Guxens.

© PSYLEX.de – Quellenangabe: Erasmus Universität; Biological Psychiatry (2018). DOI: 10.1016/j.biopsych.2018.01.016

Weitere News aus der Forschung dazu