電磁輻射對中樞神經系統的影響及機制
何楚琦/王月/龍鼎新
摘要：神經系統作為電磁輻射暴露作用重要靶點之一，其會發生多種損害，如神經衰弱症候群，神經行為、情感狀況和心理運動的異常改變，神經變性疾病和腦瘤發病率的增加等。本文綜述了電磁輻射影響人體神經異常症狀和相關疾病的發生及其影響機制。
由於電子技術的飛速發展，電磁輻射(electromagnetic radiation，EMR)已被廣泛應用於工農業、軍事工業、通訊業、傳媒業乃至家用電器等。人們日常電磁場暴露水準不斷增長，由此形成了一種新型的環境污染，即電磁輻射污染。繼水、空氣、雜訊之後，電磁輻射是現今社會第四大環境污染源，它給公眾健康帶來的潛在危害，正在成為人們關注的熱點問題。人體組織器官都存在微弱但穩定有序的電磁場，其平衡狀態很容易被外界電磁場干擾破壞。而神經系統是以生物電為基礎的，更容易受到外界電磁輻射的影響。神經系統作為電磁輻射暴露受累的重要靶點，長期暴露在電磁輻射中，其整體、組織、細胞及基因水準都可受到影響，發生多種損害。本文將從電磁輻射對中樞神經系統的影響及機制的角度進行綜述。
1 電磁輻射的概念
電磁輻射以電磁波形式在空間向四周輻射傳播。電磁輻射包括電離輻射和非電離輻射，本文中電磁輻射指日常生活接觸的電磁輻射，絕大部分屬於非電離輻射。根據非電離輻射頻率不同可以分為低頻輻射(0~300 Hz)和射頻輻射(100 kHz~300 GHz)兩大類。低頻輻射中研究較多的是極低頻電磁輻射和工頻輻射對人類健康的影響。射頻輻射又稱無線電波，它包括高頻電磁場和微波兩類，是電磁輻射中量子能量最小的頻段，GSM通信系統、手機和微波爐等均可產生射頻輻射。
2 電磁輻射對中樞神經系統的影響
大量研究證明，神經系統尤其是中樞神經系統是電磁輻射的主要靶器官。胚胎早期的神經系統發育決定了認知功能和學習能力的發展，但這一時期是神經系統對環境電磁輻射的敏感階段，因為胚胎發育過程中細胞呈高分化狀態，組織電生理活動活躍，胚體形態發生複雜變化。且電磁輻射對胚胎期神經系統產生的生物學效應可延續至成年期，因此對胚胎的輻射防護尤為重要。
2.1 神經衰弱症候群
長期接觸電磁輻射會導致機體神經衰弱症候群的發生，引起頭痛、頭昏、失眠、多夢、疲乏、煩躁耳鳴等神經功能紊亂症狀。Krause[1]等認為睡眠異常是電磁場所致精神紊亂的開始。嚴重者可出現精神抑鬱、反應遲鈍、頭痛等症狀，且腦電活動也有所變化。但也有文章指出，電磁場暴露與這些主觀症狀間的因果關係至今還未被證明，其中可能有意識預期的心理因素影響[2]。
2.2 神經行為異常改變
神經行為異常改變包括行為、記憶、認知變化。認知記憶功能改變是電磁輻射損傷的敏感指標，其在腦的形態結構發生明顯改變之前已發生異常，如空間參照記憶能力下降，空間學習效率降低和逆行性遺忘。趙曉琳[3]等調查發現，長期受手機電磁輻射(800-900 MHz)的人群數位解碼測驗成績和選擇反應正確反應次數隨使用時間延長而下降。方傳勤[4]等人採用電磁波連續輻射孕鼠至分娩，發現900 MHz電磁輻射孕鼠會導致仔鼠學習記憶能力減退，但也有相反的結論[5]。這些結果的差異可能是由於照射方式、時間、實驗物件等因素引起。
2.3 情感狀況和心理運動異常
在情感狀況和心理運動方面，常曉慧[6]等人調查顯示雷達微波輻射職業暴露會導致情緒波動易激動及精神緊張等神經系統亞健康狀態。心理問題在通信作業人員身上的發生率也顯著增高，主要表現為強迫症狀、憂鬱、焦慮、恐怖和偏執等，但生理不適無顯著差異[7]。動物實驗證明，經微波輻照後動物出現躁動不安、呼吸異常等異常神經行為表現[8]。
2.4 誘導相關神經變性疾病的發生
研究結果表明，微波輻射可導致神經衰弱綜合征、認知失常等症狀，嚴重時還會引起神經變性疾病，如帕金森症、阿爾茨海默症等[9]。這些疾病的發生與腦內氧化應激反應和活性氧(reactive oxygen speicies, ROS)的形成相關，輻射破壞了機體的抗氧化平衡與自由基平衡，從而造成神經元興奮毒作用。
2.5 誘發腦瘤
神經元受到輻照後損傷或死亡，神經膠質細胞大量增殖，增殖出來的異常膠質細胞導致癌變。Speer[10]等證明長期暴露于輻射的人群腦瘤發生風險顯著增加，且電磁場與腦瘤之間存在量效關係；Hardell[11]調查發現，使用行動電話超過10年的人群患聽神經纖維瘤和神經膠質瘤的風險明顯上升，其中同側使用的風險更大。然而大腦膠質瘤並不優先發生在輻射曝光最多的部位[12]。2011年，國際癌症研究機構(IARC)已將EMF列為人類可疑致癌物(組2.B)。
3 電磁輻射對中樞神經系統影響的機制
3.1 能量代謝障礙
神經元對能量變化極為敏感，而線粒體作為細胞能量轉化的重要場所，能直接反映細胞代謝狀況。所以微波輻射細胞後，線粒體是最早出現病理改變的細胞器之一，表現為大腦皮層和海馬組織內線粒體數量、大小、結構的改變，如線粒體腫脹空化、脊紊亂等。線粒體代謝功能障礙導致琥珀酸脫氫酶(SDH)活性降低、單胺氧化酶(MAO)活性升高、ATP酶含量增加、ATP含量下降，繼而通過一系列信號通路調節誘導細胞凋亡的發生。微波輻射可啟動低氧誘導因數HIF-1α，通過活化細胞外信號調節激酶p-ERK1/2啟動ERK通路，參與微波輻射致海馬線粒體損傷的病理生理過程[13]。ERK信號通路又正向調控HIF-1α，在微波輻射致線粒體損傷中發揮保護作[14]。但唐坤[15]等證實手機長時間持續通話致使臨近顳葉皮層腦組織葡萄糖代謝增加，且與通話時長成正相關。
3.2 對神經元膜通道和膜電位的影響
細胞膜既能維持穩定代謝的胞內環境，又能選擇調節進出細胞的物質，是生命系統的重要屏障。電磁輻射暴露下，神經元膜離子通道如鈣、鉀、鈉通道的通透性微小變化便可引起胞內鈣、鉀、鈉等電流的明顯異常，導致神經元內環境紊亂，從而影響神經元凋亡、分化及生理功能[16]。
有研究表明[17]，低頻磁場可使海馬區神經細胞內Ca2+濃度上升，通過啟動鈣依賴酶如線粒體膜ATP酶而啟動一系列與線粒體介導有關的蛋白，引起細胞凋亡在內的多種細胞損害效應。Piacentini[18]等將從新生小鼠大腦皮質分離的神經幹細胞暴露於極低頻電磁輻射(50 Hz，SAR=1 mT)中，觀察其對細胞分化的影響。結果發現被細胞免疫反應標記物(b-Ⅲ-tubulin、MAP2)標記的細胞百分比和與Cav1.2及Cav1.3通道結合的分子標記螢光均明顯增加。向培養基添加Cav1通道阻滯劑硝苯地平後，神經幹細胞分化的神經元產量顯著降低。上述結果表明極低頻電磁輻射通過上調Cav1通道的表達和功能，促進神經元分化，增強神經形成。Espinosa[19]等500 MHz (1.1 mT)微波輻射連續照射大鼠腦膜1 h後，5-HT受體表達的變化具有窗效應，可能是G蛋白活性下降促使它與受體的結合力降低。電磁場暴露下大腦海馬區神經細胞內Ca2+濃度上升，NMDA受體活性降低。以上表明電磁輻射使中樞神經系統興奮與抑制平衡失調，神經細胞能量代謝水準下降，從而誘導神經細胞興奮毒作用。即電磁輻射可能通過影響神經元的興奮性及傳導性進而影響神經元的生理功能。但也有研究表明，900 MHz GSM不影響鈣穩態[20]。
3.3 對細胞因數的影響
細胞因數可通過結合相應受體調節細胞生長、分化等效應，在神經系統損害研究中細胞因數的變化可作為重要病理指標。Trivino[21]等人發現，暴露在900 MHz電磁場時，血管內皮生長因數(VEGFA)和FLT4被抑制，EPO、IL8、STAT5B和VAV2、PGF、HPSE被啟動，因此900 MHz MW-EMF可能作為一個雙重靶基因負調控因數，影響染色體的組裝和抑制血管生成，導致腫瘤進展和轉移性轉變。但Thorlin[22]等人對星形膠質細胞和小膠質細胞分別用電磁輻射(900 MHz，SAR=3 W/kg)照射4 h、8 h和24 h，結果發現IL-6和TNFα以及星形膠質細胞特異的活性標記GFAP這3種蛋白的表達均無特異性增高，而小膠質細胞的IL-6和TNFα也無任何顯著變化。
3.4 氧化損傷作用
Tarek[23]等人用移動測試電話產生的微波(SAR = 1.13 W/kg)輻照大鼠60天(2 h/d)，發現腦組織共軛二烯烴、蛋白質羰基顯著增加，而反映總抗氧化能力水準的氧化應激指數顯著降低。說明輻射能通過減弱組織抗氧化狀態作用於腦。季靜[24]等採用真實模擬人體孕期使用行動電話的場景進行實驗，發現胎鼠腦組織內SOD、GSH-Px水準顯著降低，MDA含量升高，且胎鼠腦組織微量元素各輻射組與對照組比較，Zn、Se、Cu等含量均有所下降。體內Zn能有效控制體內過氧化反應，減少自由基等有害產物的生成，且元素Zn與維生素E聯合作用在受手機輻射暴露的孕鼠SOD，新生鼠MDA、SOD變化方面具有顯著干預作用[25]。提示孕鼠在孕期暴露手機輻射達到一定時間，會對子代腦組織的抗氧化系統產生影響。
3.5 影響基因表達與調控3.5.1 誘導DNA損傷
Svedenstal[26]等究了電磁輻射(50 Hz，SAR=8 mT)暴露下小鼠腦細胞DNA損傷情況，單細胞凝膠電泳結果顯示彗星頭/尾DNA含量比例明顯增高，且與輻射頻率、照射時間存在劑量-效應關係。Sarkar等[27]研究2450 MHz、1.18 W/kg脈衝波電磁輻射雄性小鼠2 h/d，分別輻射120、150、200天，取腦組織用southernblot法檢測，發現實驗組7000 bp~8000 bp處發生基因重排。Atli[28]等人將未成熟大鼠和成熟大鼠分別暴露於900 MHz的射頻電場45天，每天輻照2 h，發現骨髓細胞的染色體畸變，PCE微核率和有絲分裂指數顯著下降。Singh[29]等人用電磁輻射急性照射(60 Hz，SAR=0.5 mT)大鼠腦細胞2 h後，細胞DNA鏈斷裂率明顯升高，只有經過蛋白酶K處理後，DNA才會遷移。可見電磁場可能通過間接影響DNA-蛋白、DNA-DNA交叉位點來擾亂內環境的穩定。
3.5.2 影響基因表達
Zhao[30]等用射頻輻射(1800 MHz，SAR=2 W/kg)照射大鼠神經細胞24 h後，檢測其對基因表達的影響。結果顯示1200個候補基因中24個基因上調，10個基因下調。其中包括了細胞骨架、信號轉導通路、新陳代謝等細胞功能基因。表明該試驗條件下的RFR可影響大鼠神經細胞的基因表達。
3.5.3 表觀遺傳學機制
腦特異表達microRNA是成熟神經元生物學進程的重要效應子。30 mW/cm2微波輻射後，大鼠海馬組織中百餘個microRNAs的表達出現明顯變化，其特異表達的micro RNAs預測靶基因功能各異，廣泛涉及學習記憶、細胞增殖、氧化應激、信號傳導等方面，表明微波輻射致神經系統損傷是micro RNA對靶基因協同調控作用的結果。因此推測micro RNA作為效應子參與調控微波輻射致學習記憶障礙過程[31]。
4 存在的問題與展望
電磁輻射對中樞神經系統的健康效應雖已引起了廣泛關注，然而大量相關研究結果卻不盡相同，主要原因可能有以下幾點：①流行病學研究樣本量不足，難以確定研究人群暴露量及完全排除干擾因素；②直接測量當下水準電磁輻射的生物劑量仍有一定難度；③因電磁輻射本身的影響因素、實驗動物的影響因素以及不同細胞系對電磁輻射的敏感性不同等多種影響因素，導致各實驗結果之間存在差異，缺乏可比性；④由於低強度電磁輻射能量小，用目前的細胞和生物學手段難以檢測其對細胞較弱的生物學效應；⑤電磁輻射生物效應的機理，尤其是非熱效應的機理不清楚。基於以上原因，有關電磁輻射對神經系統損傷的研究還有待更深探討。為了保護人類健康，需要進一步進行大樣本量和嚴密設計的流行病學研究；進一步研究電磁輻射的生物劑量測定技術；研究電磁輻射和電離輻射、化學物等其它環境因素的聯合作用；從分子、細胞和整體水準闡明電磁輻射的神經生物學效應的機理。
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