《BMC Neuroscience》：Investigating effects of day-to-day variations in environmental exposure on the human brain: study protocol for the Day2Day Environment project
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摘要翻译：背景：在全球城市化与气候变化背景下，理解每日环境暴露如何影响人脑与心理健康日益重要。以往研究主要关注长期环境因素或单一特征（如绿地、空气质量），忽视日常生活中多种暴露之间的交互作用。本方案论文描述了Day2Day Environment项目的研究设计
摘要翻译：背景：在全球城市化与气候变化背景下，理解每日环境暴露如何影响人脑与心理健康日益重要。以往研究主要关注长期环境因素或单一特征（如绿地、空气质量），忽视日常生活中多种暴露之间的交互作用。本方案论文描述了Day2Day Environment项目的研究设计与数据集，该正在进行的研究旨在探究真实世界中逐日环境变异如何影响脑结构、脑功能与幸福感。方法：这项密集纵向研究采集30名参与者在25次测试 session 中的多模态数据，涵盖神经影像以及生理、行为和环境变量的追踪。研究人员利用可穿戴设备、地理生态瞬时评估（geographic ecological momentary assessment, GEMA）及基于GPS的地理空间追踪，收集空气质量、噪声、光照暴露、身体活动、压力、认知与情感数据。神经影像测量包括静息态与任务态的T1和T2*加权像、定量多参数映射（quantitative multi-parameter mapping, MPM）、海马高分辨率质子密度成像以及扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）序列。结论：Day2Day Environment数据集为研究短期神经可塑性如何响应多种环境暴露的动态交互提供了独特机会。此外，该数据集中测量指标的多样性可能有助于回答环境神经科学以外的研究问题。
论文解读：环境暴露与人脑的日间动态关联——Day2Day Environment项目研究方案解读
一、研究背景与问题
全球城市化和气候变化正在迅速改变人类的生活环境，理解不同居住与环境特征如何影响大脑和心理健康已成为紧迫的科学议题。环境神经科学领域致力于识别物理环境中的“活性成分”，例如空气质量、环境噪声水平、光照暴露等具体特征，并探究这些特征影响大脑工作机制及心理健康的途径。然而，以往研究存在两方面明显不足：其一，多数研究仅聚焦于单一或少数几个孤立的环境因素，如绿地或空气污染，无法反映真实生活中多种暴露共存的复杂性；其二，长期居住环境研究常将生活环境简化为“城市”与“农村”等粗略类别，忽略了各环境因素间的高度相关性——例如绿地变化可能同时影响空气质量和噪声水平。此外，短期干预研究已证明自然环境暴露对工作记忆和压力相关脑区活动有积极影响，同时非实验情境下日常生理变化（如运动、脱水、咖啡因摄入、月经周期）也会影响脑结构和功能测量。这些研究共同提示，物理环境的逐日波动可能同样对大脑产生可检测的影响。然而，目前关于真实世界中每日环境变异如何影响人脑的研究仍然匮乏，特别是缺乏同时涵盖环境、生理、行为和神经影像的多模态纵向数据。因此，研究人员启动了Day2Day Environment项目，旨在系统探究日常环境暴露波动与人脑结构、功能及幸福感之间的动态关联。
二、研究设计与技术方法
Day2Day Environment项目是一项密集纵向研究，计划招募30名年龄在18至50岁之间的参与者，每名参与者在三至六个月内完成25次测试session，每次session包含24小时扫描前监测期和一次实验室访问（含MRI扫描）。参与者需在扫描前24小时佩戴多种传感器并使用应用程序，以确保环境暴露与脑测量在时间上紧密对应。样本来源以德国柏林马克斯·普朗克人类发展研究所附近的居民或与该研究所有关联的人员为主，随后扩展至该研究所参与者数据库中的个体。
关键技术方法包括：神经影像方面，采用3特斯拉西门子Magnetom Tim Trio MRI扫描仪，采集T1加权结构像（MP-RAGE）、静息态和任务态T2*加权功能像（包括恐惧面孔任务和知觉速度任务）、定量多参数映射（MPM）、海马高分辨率质子密度成像以及扩散张量成像（DTI）。环境与生理监测方面，使用智能手表（Apple Watch）记录心率、心率变异性、活动量、环境噪声和睡眠；使用Nuanic环/Moodmetric环测量皮肤电活动（EDA）；使用Light Watcher记录五波段光辐照度和加速度；使用固定空气监测设备（air-Q）与便携式监测器（Atmotube）测量室内外空气质量；通过GPS跟踪空间位置；利用BrainScape应用程序实施地理生态瞬时评估（GEMA），每两小时左右提示参与者完成情绪、压力、反刍、主观环境评价及空间更新工作记忆任务。此外，参与者还需报告液体摄入、屏幕使用时间，女性参与者记录月经周期信息。
三、研究结果
（1）脑数据采集方案：研究建立了覆盖结构与功能的全面MRI协议。T1加权结构像用于灰质体积分析；静息态功能像和任务态功能像分别评估基线脑活动和情绪加工、知觉速度相关的脑反应；MPM序列可量化髓磷脂和铁含量等微结构参数；海马高分辨率质子密度成像用于评估海马亚区体积；DTI用于评估白质微结构完整性。
（2）环境与行为数据采集方案：研究实现了对空气质量、噪声、光照、位置、身体活动、压力、认知和情感的多维度整合测量。GEMA方法使研究人员能够在真实生活情境中、以接近实时的频率捕捉参与者的环境感知和心理状态，GPS数据则可提供精确的空间环境背景。
（3）生理数据采集方案：研究通过多种可穿戴设备系统收集自主神经活动指标（如EDA、心率变异性）、睡眠特征和活动能耗等数据，为控制MRI测量中的生理混杂因素提供了基础。
四、讨论与结论
该项目的主要优势在于其密集的within-person设计——每名参与者贡献25次重复测量，总测试session约750次，因此能够直接评估环境暴露日间波动与脑指标间的关联。研究人员计划采用机器学习特征选择和线性混合效应模型分析数据，前者用于识别关键环境预测因素及交互作用，后者利用within-subject对比检验环境因素与脑结构和功能的关系。研究结果可为MRI测量中基线变异性的估计提供参考，有助于区分干预研究中的真实可塑性变化与测量噪声。此外，该数据集的多样性使其有望服务于环境神经科学以外的广泛研究问题，如公共健康和城市规划。研究面临的主要挑战包括高参与负荷可能引起的疲劳和退出（目前退出率仅6%）、设备充电不足导致的数据缺失，以及柏林地区样本的地理局限性。总体而言，Day2Day Environment项目为揭示真实世界中多种环境暴露的动态交互如何塑造人脑提供了独特的机会，其发现可能为促进心理健康和大脑韧性的干预措施及公共政策设计提供科学依据。
