Im Jahr 2012 stand Deborah Cory-Slechta von der University of Rochester in New York vor einem Eimer voller Mäusehirne. Eine ihrer Kolleginnen hatte untersucht, wie sich die Luftverschmutzung rund um den Campus auf Herz und Lunge der Tiere auswirkt. Als Expertin für die neurotoxische Wirkung von Blei schickte sie die Gehirne zur Umweltmedizinerin, mit der Bitte, diese ebenfalls auf mögliche Schäden zu prüfen. Cory-Slechta erwartete keine besonders dramatischen Ergebnisse. Doch was sie in den Analysen sah, war – wie sie sagt – so »überwältigend«, dass sie ihre Forschung neu ausrichtete. Fortan widmete sie sich der Frage, wie Feinstaub und andere giftige Stoffe in der Luft dem Denkorgan zusetzen.

Dass schadstoffbelastete Luft Atemwegserkrankungen wie Asthma oder Lungenkrebs begünstigt, war zwar schon gut belegt. Vor allem Feinstaub galt als Mitverursacher von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Doch kaum jemand in der Umweltmedizin interessierte sich für das Gehirn – und noch weniger Neurowissenschaftler für Luftverschmutzung. Auf neurobiologischen Konferenzen stießen Cory-Slechtas Vorträge auf so wenig Interesse, dass sie irgendwann beschloss, nicht mehr an ihnen teilzunehmen.

Inzwischen bekommt ihre Forschung viel Aufmerksamkeit – und Luftverschmutzung ist ein internationales Gesundheitsproblem. Eine Studie nach der anderen zeigt: Sie geht einher mit einem erhöhten Risiko für Demenz und gestiegenen Raten von Depressionen, Angststörungen und Psychosen. Auch neurologische Entwicklungsstörungen wie Autismus und kognitive Beeinträchtigungen bei Kindern treten bei hoher Schadstoffbelastung offenbar häufiger auf.

2020 erkannte die einflussreiche Lancet-Kommission für Demenzprävention Luftverschmutzung offiziell als Risikofaktor für Demenz an. In ihrem Folgebericht von 2024 hieß es, die Belastung durch Feinstaub rufe inzwischen »große Besorgnis und wachsendes Interesse« hervor. Und in einem Bericht von 2022 forderte das »Committee on the Medical Effects of Air Pollutants«, ein unabhängiges Beratungsgremium der britischen Regierung, eine stärkere Erforschung der Zusammenhänge zwischen Luftqualität und Demenz. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) betonte bereits 2021 in ihren Luftqualitätsleitlinien, wie wichtig es sei, die Auswirkungen von Luftverschmutzung auf das Gehirn genauer zu untersuchen – bei alten wie bei jungen Menschen.

»Selbst geringe Belastungen, die man für gesundheitlich unbedenklich halten könnte, machen etwas mit dem Gehirn«Megan Herting, Neurowissenschaftlerin

Die WHO schätzt, dass 99 Prozent der Weltbevölkerung Luftschadstoffen ausgesetzt sind, die über den empfohlenen Grenzwerten liegen. Besonders betroffen sind Großstädte in ärmeren und wirtschaftlich aufstrebenden Ländern. Das Problem ist jedoch keineswegs auf Megastädte beschränkt. »Selbst geringe Belastungen, die man für gesundheitlich unbedenklich halten könnte, machen etwas mit dem Gehirn«, sagt die Neurowissenschaftlerin Megan Herting von der University of Southern California in Los Angeles. Aus Forschungssicht gehe es nun darum, zu verstehen, welche biologischen Mechanismen dahinterstecken. Für Ian Mudway, Umwelttoxikologe am Imperial College London und Mitautor des britischen Berichts von 2022, lautet die entscheidende Frage: »Was genau in der verschmutzten Luft hat derart verheerende Folgen?«

Stadtkinder mit Hirnschäden

Untersuchungen der Gehirne von Kindern und Hunden in Mexiko-Stadt in den späten 2000er und frühen 2010er Jahren zählten zu den ersten, die auf die neurotoxische Wirkung von Luftverschmutzung aufmerksam machten. Mit bildgebenden Verfahren zeigte ein Team um Lilian Calderón-Garcidueñas, heute an der US-amerikanischen University of Montana: Kinder aus der stark belasteten Stadt hatten deutlich häufiger Gewebeschädigungen in der weißen Substanz ihres Gehirns als Kinder aus Regionen mit besserer Luft. Besonders anfällig schien der präfrontale Kortex zu sein. Und Stadtkinder ohne andere Risikofaktoren für Hirnerkrankungen schnitten bei kognitiven Aufgaben vergleichsweise schlecht ab.

Verschmutzte Luft ist ein komplexes Gemisch aus gasförmigen und festen Bestandteilen – und je nach Ursprung ganz unterschiedlich zusammengesetzt. Hauptquellen für Partikel verschiedenster Größe sind Fahrzeugabgase und industrielle Emissionen. Aber auch Kochherde, Waldbrände und Wüstenstaub belasten die Luft. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen zusätzlich Stickstoff- und Schwefeloxide, Kohlenmonoxid und Ozon. Studien aus unterschiedlichen Ländern zeigen einen Zusammenhang zwischen diesen Schadstoffen und neurologischen Erkrankungen – selbst dort, wo sich die Luftqualität in den vergangenen Jahrzehnten durch gesetzliche Vorgaben deutlich verbessert hat.

Eine große Analyse von 2023, die auf Daten von mehr als 389 000 Teilnehmenden der britischen UK Biobank basiert, kam zu dem Ergebnis: Wer langfristig höheren Mengen von Feinstaub, Stickstoffmonoxid und -dioxid ausgesetzt ist, hat ein höheres Risiko für Depressionen und Angststörungen. Selbst sehr niedrige Belastungswerte können Schaden anrichten, ist Studienleiter und Umwelttoxikologe Guoxing Li von der Universität Peking überzeugt.

Mit der Menge an Abgasen nehmen auch psychische Probleme zu

Ende 2024 zeigte eine über 16 Jahre laufende Studie eines Teams um Mary Abed Al Ahad von der britischen University of St Andrews mit mehr als 200 000 Menschen in Schottland: Wer langfristig vermehrt Stickstoffdioxid ausgesetzt war, musste häufiger wegen psychischer oder verhaltensbezogener Störungen ins Krankenhaus. Und Studien aus Frankreich, den USA und China ergaben, dass eine verbesserte Luftqualität mit weniger Fällen von Demenz, kognitivem Abbau und Depressionen bei älteren Menschen einhergeht.

Luftverschmutzung steht auch mit strukturellen Veränderungen im Gehirn in Verbindung – etwa mit einem verringerten Hippocampusvolumen, was als Risikofaktor für Demenz gilt. Bildgebende Studien von Megan Herting mit Tausenden von Jugendlichen aus den USA legen zudem nahe, dass Schadstoffe die Entwicklung der weißen Substanz beeinträchtigen. Und erst im vergangenen Jahr berichtete ihr Team, dass eine erhöhte Luftbelastung offenbar auch die Kommunikation zwischen verschiedenen Hirnregionen stören kann. Bislang zeigen die Studien jedoch kein einheitliches Muster, wie genau die Schäden entstehen, erläutert Herting. Sie vermutet, es könnte wichtig sein, wann im Lauf der Entwicklung die Exposition stattfand.

Es gibt also zahlreiche Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen Luftverschmutzung und Schäden am Gehirn. Doch auf Basis von Beobachtungsstudien lässt sich nicht eindeutig belegen, ob und wie die beiden Faktoren wechselwirken. Sie lassen etwa die Möglichkeit offen, dass beide auf eine gemeinsame Ursache zurückgehen. Menschen in ärmeren Gegenden, die häufig besonders belastete Luft einatmen, sind etwa im Vergleich zu Bewohnerinnen und Bewohnern wohlhabenderer Stadtteile oft auch zusätzlichen Belastungsfaktoren ausgesetzt – etwa chronischem Stress, geringeren Bildungschancen oder einer Neigung zu Übergewicht. Viele Studien schätzen außerdem die Belastung anhand von Wohnadressen, ohne zu berücksichtigen, wie stark Beruf und Lebensstil die tatsächliche Exposition eines Menschen beeinflussen können.

»Alle Partikel werden behandelt, als seien sie gleich giftig«Ian Mudway, Umwelttoxikologe

Auch welche Art von Schadstoffen Menschen einatmen, ist alles andere als nebensächlich – und nicht einfach zu bestimmen. Übliche Messungen der Luftqualität erfassen nur die Konzentrationen gasförmiger Hauptbestandteile sowie von Feinstaub mit einem Durchmesser von weniger als 10 Mikrometern (PM10) beziehungsweise weniger als 2,5 Mikrometern (PM2,5). Doch an diesen Partikeln haften eine Vielzahl chemischer Substanzen, von einfachen Salzen bis hin zu hochtoxischen Verbindungen. Ihre Zusammensetzung unterscheidet sich je nach Region stark. »Alle Partikel werden behandelt, als seien sie gleich giftig«, sagt Mudway, »dabei sind sie ein Sammelsurium aus Hunderttausenden von Substanzen, die sich in der Luft befinden.«

Was Cory-Slechta zufolge besonders problematisch ist: Ultrafeine Partikel werden bislang nicht systematisch erfasst. Dabei gelten Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometern als besonders reaktionsfreudig – und sie dringen sehr leicht ins Gehirn ein.

Die Suche nach den giftigsten Zutaten im Schadstoff-Cocktail

Doch selbst wenn es diese Lücke in den Messdaten nicht gäbe, ließen sich die verantwortlichen Substanzen durch Beobachtungsstudien allein kaum identifizieren, gibt Mudway zu bedenken – dazu wirken zu viele Schadstoffe zugleich auf Menschen ein. Die zugrunde liegenden biologischen Mechanismen sind deshalb schwer zu erfassen. Ein weiterer Faktor, der das Bild verkompliziert: Herz-Kreislauf-Erkrankungen gelten ebenfalls als Risikofaktor für Demenz. Die Schäden, die Luftverschmutzung an Herz und Gefäßen verursacht, sind also ein zusätzlicher Einflussfaktor. »Der einzige Weg, um Genaueres herauszufinden«, sagt Mudway, »führt über gezielte Experimente.«

Tierversuche unter kontrollierten Bedingungen offenbarten, dass typische Schadstoffmischungen aus dem Alltag neurotoxisch wirken können. Genau das beobachtete auch Cory-Slechta in ihren frühen Untersuchungen zum Thema. Die ihr übergebenen Gehirne der Mäuse, die ungefilterte Außenluft aus der Umgebung der Universität eingeatmet hatten, sahen mitgenommener aus als die von Tieren, die gefilterte Luft geatmet hatten. Spätere Untersuchungen aus ihrem Labor ergaben: Waren Mäuse im Mutterleib und während ihrer Entwicklung ultrafeinen Partikeln ausgesetzt, veränderte sich die Struktur ihres Gehirns. Die Nervenfaserbündel und Hirnventrikel waren vergrößert. Außerdem verhielten sich die Nager impulsiver und ihr Kurzzeitgedächtnis schwächelte.

Die Veränderungen im Gehirn ähneln zum Teil denen, die auch bei Menschen mit neurologischen Entwicklungsstörungen wie Autismus oder psychischen Erkrankungen wie Schizophrenie auftreten. Bei älteren Mäusen scheint Luftverschmutzung die Ablagerung von Amyloid und Tau zu beschleunigen – jenen Eiweißen, die mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung stehen. Weitere Tierstudien zeigen Abweichungen auf anatomischer, zellulärer und molekularer Ebene.

Auch wenn sich die Schäden von Studie zu Studie unterscheiden, sieht der Alternsforscher Caleb Finch von der University of Southern California ein gemeinsames Muster: »Es ist eine Entzündungsreaktion«, betont er. Studien von seiner und anderen Forschungsgruppen zeigen, dass verschmutzte Luft Gene aktiviert, die Entzündungsreaktionen steuern. In der Folge treten entzündungsfördernde Botenstoffe vermehrt auf. Es gibt Anzeichen für oxidativen Stress und für aktivierte Mikrogliazellen, die Schäden erkennen und Nervenzellen schützen. Jede wichtige Zellklasse im Gehirn ist betroffen, sagt Finch.

»Entzündungen sorgen dafür, dass Systeme ein bisschen weniger gut funktionieren«Megan Herting, Neurowissenschaftlerin

Solche Immunreaktionen könnten erklären, warum Luftverschmutzung ein Risikofaktor für so viele unterschiedliche Leiden ist. Entzündungen werden mit psychischen Erkrankungen und altersbedingtem Abbau in Verbindung gebracht, und sie können auch die Entwicklung empfindlich stören. »Entzündungen sorgen dafür, dass Systeme ein bisschen weniger gut funktionieren«, so Herting. »Und dann können weitere Faktoren das Gleichgewicht in Richtung der einen oder anderen Krankheit verschieben.«

Inzwischen erforschen Fachleute genauer, welche der zahlreichen Luftschadstoffe hauptsächlich für die Entzündungsreaktionen verantwortlich sind und wie sie diese auslösen. Untersuchungen an obduzierten menschlichen Gehirnen liefern direkte Belege dafür, dass sich verschiedene Schadstoffe im Hirngewebe anreichern, darunter auch Nanopartikel und giftige Metalle. Ultrafeine Partikel und chemische Substanzen aus eingeatmetem Feinstaub gelangen über die Lunge ins Blut und überwinden anschließend die Blut-Hirn-Schranke. Möglich ist auch, dass sie das Gehirn teilweise auf direktem Weg erreichen: über die Nasenhöhlen entlang des Riechnervs – und eventuell auch über andere Nervenbahnen, sagt Cory-Slechta.

Zu viel Metall im Kopf

Cory-Slechta vermutet, zu viel Metall stört das Gehirn bei seiner Arbeit. Schon seit Jahrzehnten berichten Pathologinnen und Pathologen von erhöhten Werten im Gehirn von Menschen mit neurodegenerativen Erkrankungen, so die Wissenschaftlerin. Inzwischen untersucht sie, wie bestimmte Metalle die Hirnchemie beeinflussen – unter anderem, indem sie Mäusen gezielt Nanopartikel verabreicht, die jeweils nur einen der relevanten Stoffe enthalten.

Schädliche Partikel und Chemikalien müssen womöglich gar nicht direkt ins Gehirn gelangen, um dort zu wirken. Verunreinigungen im Blut könnten etwa die Blut-Hirn-Schranke derart reizen, dass auch in Bereichen hinter ihr Entzündungsprozesse ausgelöst werden. Oder die Entzündungen in der Lunge bewegen deren Zellen dazu, körpereigene Botenstoffe freizusetzen. Diese könnten wiederum die Barriere und das Gehirn beeinflussen, erklärt Paul Matthews, klinischer Neurowissenschaftler am Rosalind Franklin Institut in Didcot, Großbritannien.

Matthews und Mudway untersuchen gemeinsam, wie Luftverschmutzung auf das Gehirn wirkt. Ihre Hypothesen testen sie in Zellkulturen, die die Blut-Hirn-Schranke nachbilden. Zudem arbeiten sie mit freiwilligen Testpersonen, deren Demenzrisiko erblich bedingt erhöht ist. Im Labor atmen die Probandinnen und Probanden verschiedene Schadstoffe ein – etwa Autoabgase oder Holzrauch. Kognitive Tests sollen zeigen, ob sich das auf die Denkfähigkeit auswirkt. Außerdem analysiert das Forschungsteam ihr Blut auf Moleküle, die Entzündungen fördern, sowie auf Stoffe, die bei Entzündungen im Gehirn freigesetzt werden.

Daneben ist es wichtig, zu verstehen, wer besonders empfindlich auf verschmutzte Luft reagiert. Daten über Risikogruppen helfen dabei, das individuelle Gefahrenpotenzial besser einzuschätzen. Womöglich liefern sie auch Hinweise auf zugrunde liegende Mechanismen. So könnte Luftverschmutzung laut Finch bei Menschen mit einem bekannten Alzheimer-Risikofaktor, der Genvariante APOE4, das Erkrankungsrisiko stärker erhöhen. Studien mit Mäusen und Menschen deuten zudem darauf hin, dass Männer und Frauen unterschiedlich auf Luftverschmutzung reagieren. Die Reaktion ist aber auch abhängig davon, in welcher Lebensphase die Belastung stattgefunden hat, ergänzt Cory-Slechta.

Mehr neurobiologische Forschung zu Luftverschmutzung benötigt

Fachleute sehen einen hohen Bedarf an weiteren Untersuchungen zu den gesundheitlichen Folgen von Luftverschmutzung. Zugleich weisen sie darauf hin, wie schwierig es ist, solche Studien durchzuführen. Der Aufwand ist deutlich größer, wenn man statt einzelner Schadstoffe ein Gemisch aus unterschiedlichen Partikeln und Chemikalien untersucht. Für Tierversuche, die die reale Belastung von Menschen nachbilden sollen, braucht man teure Luftkontrollsysteme. Derartige Apparate sind in neurobiologischen Laboren normalerweise nicht vorhanden.

Doch genau solche Bemühungen können dabei helfen, die Schadstoffe zu identifizieren, die für das Gehirn am gefährlichsten sind – und so gezieltere Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität ermöglichen. Bisher konzentrieren sich Regelungen zur Luftqualität oft auf die am häufigsten vorkommenden und am leichtesten erfassbaren Stoffe. Doch das sind nicht unbedingt die schädlichsten, sagt Mudway.

Aus Sicht von David Jett braucht es vor allem eines: mehr Neurowissenschaftlerinnen und Neurowissenschaftler, die sich mit dem Thema beschäftigen. Jett ist Programmleiter am US-amerikanischen National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS) in Bethesda, Maryland. Dieses hat 2021 ein zentrales Förderprogramm gestartet. Es unterstützt Arbeitsgruppen, die untersuchen, wie Umweltfaktoren zur Entstehung neurologischer Erkrankungen beitragen. Jett schätzt, dass von den mehr als 22 000 Fachleuten, die 2024 an der größten internationalen neurowissenschaftlichen Konferenz teilnahmen, weniger als 20 zum Thema Luftverschmutzung forschten. Er war vor Ort, um auf die bisherigen Erkenntnisse aufmerksam zu machen – und um seine Fachkolleginnen und -kollegen zu ermutigen, Fördermittel für entsprechende Studien zu beantragen. »Langsam aber sicher wirkt es«, erzählt er. »Aber nicht so schnell, wie ich es mir wünschen würde.«