Kirlenmiş Havayla Çocukların Beyin Bağlantılarında Endişe Neden Olan İlişki Araştırılıyor

Farklı ince parçacık hava kirliliği kaynakları, çocukların gelişen beyinlerinin nasıl iletişim kurduğuyla belirgin ve ince bağlantılar gösteriyor; bu bulgular Journal of Environmental Psychology‘de yayımlanan ulusal çapta yeni bir araştırmaya dayanıyor. Trafik, kömük yakımı ve tarımsal gübrelerden kaynaklanan parçacıklar, duyusal işleme ve üst düzey düşünmeyle ilgili ağlarda kendilerine özgü bağlantı desenleriyle ilişkilendirildi. Bulgular, hava kirliliğinin nereden kaynaklanmasının önemli olabileceğine dair erken kanıt sunuyor; çocukların ne kadar kirlilik soluduğundan daha fazlası bu.

Dış ortam hava kirliliği, yaygın olarak PM2.5 olarak bilinen ve çapı 2,5 mikrometreden küçük olan havada asılan parçacıklardan oluşuyor. Bu tanecikler yeterince küçük olduğu için derinlere kadar solunabilir ve kana karışabilir, böylece beyne ulaşabilirler.

Beyin, faaliyetlerini farklı konumlardaki bölgelerin bir araya geldiği ve faaliyetlerinin genellikle birlikte yükselip alçaldığı büyük ölçekli işlevsel ağlar aracılığıyla koordine eder. Araştırmacılar, bir kişinin hareketsiz yatıp dinlendiği sırada kan akışındaki değişimleri izleyen beyin taramalarıyla bu senkronizasyonu ölçebilir. Çocukluk döneminde ve ergenliğe geçişte bu iletişim kanalları, gençlerin yetişkin muhakeme, duyusal bütünleme ve duygusal kontrol kazanmasıyla birlikte yeniden düzenlenmeye devam ediyor.

Önceki araştırmalar, dış ortam hava kirliliğini bu iletişim desenlerindeki farklarla ilişkilendirmişti. 2023 yılında yürütülen boyuna bir çalışmada, yeni araştırmayı yapan ekip üyeleri, Amerika Birleşik Devletleri’nde binlerce gençi izleyen büyük ölçekli bir ulusal proje olan Adolescent Brain Cognitive Development Study adlı projeden veri kullandı. Yüksek düzey ince parçacık ve diğer kirleticilere maruz kalan çocukların dinlenme beyin ağlarının erken ergenlik boyunca olgunlaşma biçiminde farklar gösterdiğini buldu. Ayrıca 2023’te PsyPost tarafından kapsayan bir çalışma, kontrollü bir deneyde kısa süre için dizel egzozunu soluyan yetişkinlerde, zihin yürütme ve kendini düşünme sırasında en aktif olan bölgeler kümesi olan default mode network’ün (varsayılan mod ağı) içindeki bağlantının geçici olarak zayıfladığını buldu.

Ince parçacık maddesi tek bir kimyasal madde değil, hem doğal süreçler hem de insan faaliyetleri tarafından oluşturulan karmaşık bir karışım. Bu karmaşımlıkla başa çıkarken, aynı ekip üyelerinin 2024 yılında aynı ulusal projeden veri kullanarak yürüttüğü bir çalışma, belirli kimyasal bileşenlerin ve kirlilik kaynaklarının çocukların hafıza ve düşünme becerileriyle değişken ilişkiler gösterdiğini buldu. Yeni çalışma, o çalışmada belirlenen altı kirlilik kaynağını kullanıyor. Araştırma, University of Southern California ve Florida International University’den Katherine L. Bottenhorn ile University of Southern California’dan Megan M. Herting önderliğinde yürütüldü.

Yeni çalışma için yazarlar, ülke çapında 21 araştırma alanını kapsayan Adolescent Brain Cognitive Development Study’dan tekrar veri kullandı. Donanım sorunları nedeniyle bir alanın verileri çıkarıldı ve kesitsel analiz için 20 alan kaldı; boyuna analiz ise aynı markada tarayıcı kullanan 12 alanla sınırlı tutuldu. Araştırmacılar, 9 ile 11 yaşları arasındaki 6.291 çocuğun beyin taramalarını analiz etti; ayrıca yaklaşık iki yıl sonra, 11 ile 13 yaşları arasında tutarlı manyetik rezonans görüntüleme ekipmanında taranan 1.972 katılımcıdan oluşan bir alt küme incelendi.

Katılımcıların dinlenme durumu beyin faaliyeti, gözleri açık rahatlayarak kaydedildi. Bilim insanları, görme ve işitme gibi birincil duyusal ağlar, dikkat devreleri ve üst düzey sistemleri kapsayan 12 işlevsel ağ arasındaki etkileşimleri haritaladı. Salience network (dikkat çeken ağ) önemli olayları işaretleyip dikkati yönlendirirken, burada bilişsel kontrol ağı olarak betimlenen cingulo-opercular network, dikkatin bir görevde tutulmasına yardımcı oluyor.

Ekip, her çocuğun ev adresiyle ilişkilendirilen yıllık hava kalitesi modellerini kullanarak, katılımcıların 2016 yılında hava kirliliğinin 15 kimyasal bileşenine maruz kalmasını tahmin etti. Bu kimyasalları matematiksel olarak gruplandıran yazarlar, altı birincil kaynağa maruz kalmayı tahmin etti: kabuksu maddeler (toprak ve toz gibi), amonyum sülfatlar (çoğunlukla kömük yakımından), biyokütle yakımı (odun dumanı ve orman yangınları gibi), trafik emisyonları, amonyum nitratları (çoğunlukla tarımsal gübrelerle ilişkilendirilen) ve endüstriyel yakıt yakımı.

Araştırmacılar, her kirlilik kaynağıyla ilişkili bağlantı örüntülerini belirlemek için bağlanım tabanlı tahmin modeli adı verilen bir makine öğrenmesi yöntemi kullandı. Bulguların ülke genelinde genellenip genellenemeyeceğini görmek için bilim insanları modelleri, tek bir çalışma alanı hariç tüm çalışma alanlarından alınan katılımcılarla eğitt ve sonra bu modelin ayrı tutulan alanda yaşayan çocukların kirlilik düzeylerini ne kadar iyi tahmin ettiğini test etti. Analizler, hanehalkı geliri, ırk ve etnik köken, komşuluk güveni algısı, komşuluk nüfus yoğunluğu, ana yollara uzaklık, kentsel konum, fiziksel aktivite, ekran süresi, tarayıcı donanımı ve tarayıcı içindeki baş hareketi gibi birkaç potansiyel karıştırıcı değişken için düzeltme yaptı.

9 ile 11 yaşları arasındaki kesit analizi, belirli kirlilik kaynakları ile duyusal ve motor ağlar arasındaki bağlantılar arasında tutarlı bağlantılar belirledi. Trafik kaynaklı emisyonlara artan maruz kalma, görsel ve ağızla ilgili motor ağlar arasındaki, ayrıca işitsel ve bilişsel denetim devreleri arasındaki işlevsel iletişimdeki zayıflamayla ilişkilendirildi. Buna karşılık, amonyum sülfatlara artan maruz kalma, duyusal sistemler ile içe dönük düşünce, uyarıcı işleme ve bazı araştırmacılara göre ruh sağlığı sorunlarına yatkınlıkla ilişkili olan üst düzey ağlar dahil olmak üzere üst düzey bilişsel ağlar arasındaki daha güçlüıyla ilişkilendirildi. Yer kabuğu malzemeleri, endüstriyel yakıt yanması ve toplam partikül maddesi, her biri duyusal ve dikkatle ilişkili birkaç bağlantıyla ilişkilendirilirken, biyokütle yanmasının 9 ile 11 yaşları arasında tutarlı bir örüntü göstermediği bulundu.

Üst düzey ağlar, içe dönük düşünce, uyarıcı işleme ve bazı araştırmacılara göre ruh sağlığı sorunlarına yatkınlıkla ilişkili olan bu ağlar, aynı zamanda belirli kirlilik kaynaklarıyla ilişkilendirildi. Amonyum nitratlara maruz kalma, dikkat değeri ve bilişsel denetim ağları arasındaki daha güçlü iletişimle ilişkilendirildi, ancak hafıza ağları içindeki ve dikkat ağları ile diğer ağlar arasındaki daha zayıfıyla ilişkilendirildi.

Sonraki iki yıl içinde araştırmacılar, üç kaynakla ilişkili tutarlı değişim örüntüleri buldu. Yüksek trafik maruz kalması, zamanla el hareketi ağları ile dikkatle ilişkili alanlar arasındaki artan bağlantıyla, ancak işitsel ve bilişsel denetim ağları arasındaki azalan bağlantıyla ilişkilendirildi. Yüksek biyokütle yanması maruz kalması, dikkatle ilişkili ağlar arasındaki artan bağlantıyla, yüksek amonyum sülfat maruz kalması ise bir dikkat ağı ile el hareketi ağı arasındaki zayıflayan bağlantıyla ilişkilendirilirken, yer kabuğu malzemeleri, amonyum nitratları, endüstriyel yakıt yanması ve toplam partikül maddesi tutarlı bir değişim örüntüsü göstermedi.

Eğitim verisinde tutarlı bağlantılar belirlemiş olsalar da, bağlantı örüntüleri 9 ile 11 yaşlarındaki çocukların maruz kalmasındaki değişimin yüzde 1’inden azını, zaman içindeki değişimlerde ise yaklaşık yüzde 2’den fazlasını açıklamadı. Ayrı tutulan çalışma alanlarından çocuklar üzerinde test edildiğinde modeller, ortalama maruz tiên tahmininden basitçe tahmin etmekten genellikle daha kötü, çoğu zaman da daha iyi çalışmadı. Tahmin hataları, Amerika Birleşik Devletleri’nin batısındaki alanlarda ve maruz kalma düzeylerinin çocuktan çocuğa daha fazla değiştiği alanlarda en büyüktü.

Yazarlar, diğer faktörler hesaba katıldıktan sonra, bu kirlilik kaynaklarının çocuklar arasındaki beyin bağlantısı farklarında muhtemelen yalnızca küçük bir rol oynadığı ve bağlantıların başka bölgelerdeki gençlere uygulanmayabileceği sonucuna vardı. Ayrıca biyokütle yanması ve amonyum sülfatlar için örüntülerin alanlar arasında en iyi dayanığını, yer kabuğu malzemeleri ve trafik kaynaklı emisyonlar için ise daha fazla dikkat gerektiğini belirtti.

Bulgular, bu yıl PsyPost tarafından kapsanan ve iki yıl içinde yükseltildiği partikül kirliliğine maruz kalan genç ergenlerin beyin ağı olgunlaşmasında daha az olgunlaşma gösterdiği bulan bir çalışmayla uyumludur; ancak önceki araştırma, belirli işlevsel ağlar arasındaki bağlantı ve ayrı kirlilik kaynakları yerine genel bir beyin olgunlaşma puanı değerlendirmiştir.

“Bu önemli ve güncel bir konudur ve makale, çocukların fiziksel ortamlarının genelinde ve özellikle de hava kirliliğine maruz kalmasının, onların sinirsel ve bilişsel gelişimiyle ilişkili olduğuna dair artan kanıt birikimini tamamlıyor,” dedi. Chicago Üniversitesi’nde psikoloji doçenti, Bilişsel Dikkat ve Beyin Laboratuvarı direktörü ve çalışmada kullanılan beyin modelleme tekniğinin ortak geliştiricisi olan ancak araştırmaya dahil olmayan Monica Rosenberg.

“Bu çalışmanın boyutlu (uzun süreli) yönü benzersizdir ve büyük bir gücüdür—yazarlar sadece beyin ağları ile kirlilik arasında tek bir zaman noktasında ilişki göstermekle kalmadı, aynı zamanda kirliliğin ağların gelişimsel seyirlerini öngördüğünü buldu,” Rosenberg PsyPost’a söyledi.

Bu bulguları yorumlarken aklda tutulması gereken birkaç nokta var. Çalışma gözlemsel veri ve istatistiksel ilişkiler kullandı, yani bu belirli parçacıkları solmanın gözlemlenen ağ farklarını doğrudan neden olduğunu söyleyemez. Araştırma çevresel karışımların değiştiği birçok bölgede yürütüldüğü için, ölçülmemiş yerel faktörler coğrafi farkların bir kısmını açıklayabilir.

Yazarlar ayrıca aynı anda test ettikleri çok sayıda bağlantı için istatisel düzeltme uygulamadı, bu nedenle tespit edilen bağlantıların bazıları yanlış pozitif olabilir ve analiz keşif niteliğindeydi, hangi ağların etkileneceğine dair öngörü yoktu. Her çalışma alanı tek bir üreticinin tarayıcılarını kullandığı için, bölgeler arasındaki farklar tarayıcı ekipmanları arasındaki farklardan tamamen ayrılamaz.

Rosenberg, coğrafi tutarsızlığın sonuçları anlama konusunda önemli bir uyarı olduğunu belirtti. “Bir uyarı, birincil öngörü modellerinin alanlar arasında başarılı bir şekilde genellenememesiydi, yani beyin ağ desenleri ile hava kirliliği arasındaki ilişkiler coğrafi konumlar boyunca tutarsızdı,” dedi. “Makalede sunulan kapsamlı analizlerin yanı sıra, gözlemlenen beyin değişikliklerinin bilişsel ve/veya dikkatsel performansla ilişkili olup olmadığının test ilginç olacaktır, çünkü nöral değişikliklerin yalnızca sonuçları her zaman açık değildir.”

Başka bir uyarı, maruz kalmanın nasıl ölçüldüğüyle ilgili. Araştırmacılar, her çocuğun tek bir yıldaki ev adresine göre hava kirliliği seviyelerini belirlediler, bu da iç mekan hava filtrelemesi, havalandırma, günlük yol güzergahları veya dışarıda egzersiz için geçirilen süre gibi kişisel günlük alışkanlıkları yakalamaz. Ayrıca, bu ulusal çalışmadaki katılımcıların, ulusal ortalamaya göre biraz daha yüksek gelirli ve Hispanik olmayan beyaz hanelerden gelme olasılığı daha yüksekti ve örnek genelinde ortalama parçacık maruz kalması güncel federal sınırların altındaydı. Gelecek çalışmaların gençleri daha sonraki ergenlik çağı boyunca izleyerek, bu kaynak-ağı özel desenlerin duyusal işlev, dikkat veya mental sağlık sonuçlarındaki somut farklarla uyumlu olup olmadığını değerlendirmesi gerekecek.

“Sources of outdoor air pollution exposure and child brain network development across the United States” başlıklı çalışma, Katherine L. Bottenhorn, Kirthana Sukumaran, Amanda C. Del Giacco, Hedyeh Ahmadi, Jordan D. Corbett, Alethea V. de Jesus, Carlos Cardenas-Iniguez, Rima Habre, Daniel A. Hackman, Joel Schwartz, Jiu-Chiuan Chen ve Megan M. Herting tarafından yazıldı.