毛天欣 熊 曉 李靜華 姚 穎 楊 健 李笑然 周國富2,

(1華南師范大學心理學院, 廣州 510631) (2華南師范大學華南先進光電子研究院廣東省光信息材料與技術重點實驗室&彩色動態(tài)電子紙顯示技術研究所, 廣州 510006)(3深圳市國華光電科技有限公司, 深圳 518110)

1 引言

人類視網(wǎng)膜上存在視錐細胞和視桿細胞兩種感光細胞。當光線進入人眼后, 視錐細胞和視桿細胞接受光信號, 并通過視神經(jīng)傳遞給大腦視覺皮層, 形成視覺體驗。隨后研究者發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜上還存在一種新型的感光細胞(Berson, Dunn, &Takao, 2002), 這種細胞能夠合成感光蛋白——黑視蛋白, 并且具備自主感光的能力, 又被稱為自主感光神經(jīng)節(jié)細胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs)。ipRGCs的發(fā)現(xiàn)逐漸讓人們認識到, 眼睛不僅具有傳統(tǒng)感光細胞的視覺效應, 還具有了非視覺效應。ipRGCs分布在整個視網(wǎng)膜上, 占視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞的1% ～3%, 它們將接受到的光信號傳遞到大腦的生物鐘——下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus, SCN),而SCN又與控制人體某些激素分泌的松果體相連,由此實現(xiàn)對生理節(jié)律的調節(jié)以及激素分泌的控制(曾強, 何士剛, 2011), 如圖 1所示。隨著光照對SCN晝夜節(jié)律調節(jié)作用的深入研究, 研究者開始將目光轉向光照對警覺性的影響(Vandewalle et al., 2013)。警覺性指人在完成任務時保持注意力或警惕程度的水平。SCN參與啟動生命的代謝、生化及物理過程。在清醒之前, SCN激活皮質醇大量分泌, 同時啟動其他影響覺醒的重要環(huán)節(jié)。通常, 當機體晨起接受日光照射后, 核心體溫、警覺程度、認知水平均提高, 同時激發(fā)大腦產(chǎn)生更多的 5-羥色胺, 提高情緒及機體活動力。到了夜間, SCN抑制皮質醇的分泌, 促使松果體分泌褪黑素, 降低機體的警覺度及反應能力, 降低核心體溫(董栩然, 王旻舒, 劉夢媛, 王薇, 2014)。

圖1 光照激活大腦非視覺區(qū)域的路徑圖(資料來源：Cajochen, 2007)

光照的非視覺生物效應包括重置晝夜節(jié)律的相位、抑制褪黑素的分泌和提高即時警覺性等。這三者之間又相互影響, 且均取決于光照強度、時間點、時長、光譜成分及光照之前的照明體驗這些特征(Cajochen, 2007; Adamsson, Laike, &Morita, 2017)。目前, 關于光照警覺性研究大都只是考察了光照強度、光照時長、光照色溫、光照波長、光照時間點等眾多影響因素中的一個或幾個,并且結果也存在一定的分歧?；诖? 我們將從警覺性的測量工具、光照的警覺性的影響因素、光照在臨床和非臨床上的應用等方面對前人的文獻進行梳理總結, 以期為后人的研究提供參考依據(jù)。

1 警覺性的測量工具

1.1 主觀測量工具

對健康個體來說, 警覺性可以通過簡單的詢問或者主觀評定得到。目前應用比較廣泛的主觀測試量表有卡羅林斯卡困倦度量表(Karolinska sleepiness scale, KSS) (Horne & Burley, 2010)和斯坦福嗜睡量表(Stanford sleepiness scale, SSS)(Martinez et al., 2011)。KSS包括1個題目, 9點記分：1=極度清醒, 2=非常清醒, 3=清醒, 4=比較清醒, 5=既不清醒也不困乏, 6=有點困乏, 7=有點困乏但無須費力保持清醒, 8=非常困乏, 需努力保持清醒, 9=極度困乏, 需極力保持清醒。SSS從1到7 七點記分。1指完全清醒、精力旺盛, 7指基本無意識、接近睡眠。

1.2 客觀測量工具

主觀評定的缺點是, 個體在較亮的光環(huán)境中可能會直觀地認為更加警覺, 并且對于光來說沒有真正的安慰劑對照組。因此, 在光照實驗中就需要更多客觀的測量工具, 最常用的就是精神運動警覺性測驗(psychomotor vigilance test, PVT)(Dinges & Powell, 1985)。PVT是一個簡單的反應時任務。在測試中, 視覺線索以偽隨機方式反復呈現(xiàn), 刺激時間間隔范圍是2～10秒。當線索呈現(xiàn)時, 被試需要盡可能快速地按鍵, 然后激活下一次測試。它的優(yōu)點是對反應時的增加和注意脫漏非常敏感, 而且學習效應很小; 缺點是它測量的是持續(xù)性注意而非警覺性或疲勞本身。

1.3 生理指標

在警覺性研究的早期階段, 眨眼頻率、皮膚阻抗、體溫以及血壓等生理信號都曾被用來評估警覺性。目前研究使用的神經(jīng)生理學指標主要包括腦電前額葉低活性的波(1～7 Hz)、眼電的慢速眼動和眨眼速率(Cajochen, Khalsa, Wyatt, Czeisler,& Dijk, 1999)。這種高時間分辨率的測量可以在秒的范圍內檢測是微睡眠還是任務失效。但是, 這種測量在實際操作時會干擾被試本來的性質, 例如在現(xiàn)場研究中會干擾晚上值班工人的腦電活動。除此之外, 收集唾液來測定褪黑素、皮質醇、淀粉酶也是常用的一種生理指標, 且通常需要收集1～2 ml唾液, 然后把唾液冷凍起來送到實驗室測定分析(Figueiro & Rea, 2010)。

2 光照的警覺性效應的影響因素

2.1 晝夜節(jié)律對光照警覺性的影響

晝夜節(jié)律(circadian rhythm)是指生物體各種生理機能為適應外界環(huán)境的晝夜變化而建立起的規(guī)律周期。在長期生物進化過程中, 生物體內發(fā)育分化出一個特殊的“器官”—生物鐘來協(xié)調不同組織與器官的晝夜節(jié)律。哺乳類動物調控晝夜節(jié)律的中樞位于下丘腦的SCN。內源性的調節(jié)中樞由光照進行調控。晝夜節(jié)律的光協(xié)同過程使得生物體的晝夜節(jié)律與自然節(jié)律同步, 并不斷調整生理周期及行為表現(xiàn)。警覺性和生理節(jié)律中的核心體溫有緊密的時間關系：晚上核心體溫最高, 清晨核心體溫最低。剛睡醒時對警覺性的不利影響在接近最低核心體溫時最強烈。穩(wěn)定且高水平的警覺性只有在內源性晝夜計時系統(tǒng)和睡眠/覺醒周期處于特定關系下才可能實現(xiàn)。這種關系就是內源性晝夜計時系統(tǒng)與覺醒有關的警覺性下降相對立, 也被概括為“對立過程模型” (Dijk &Czeisler, 1994)。生理過程在覺醒階段表現(xiàn)出一種促進覺醒的動力, 以平衡覺醒階段累積的睡眠驅力(Cajochen, Blatter, & Wallach, 2004)。睡眠慣性是指剛睡醒之后開始的一段低喚醒的狀態(tài), 它對認知過程有不利的影響, 這種影響最長能持續(xù) 4個小時, 具體則取決于之前的睡眠時長(Jewett et al., 1999)。綜上可以看出, 光照在生理節(jié)律睡眠驅力最大(在核心體溫最低點的清晨)、較高的睡眠穩(wěn)態(tài)的壓力(覺醒后16小時以上)、睡眠慣性(剛睡醒時)時對警覺性的影響最大。

2.2 不同光照時間點對光照警覺性的影響

光照的視覺效應不受光照時間點的影響, 但是光照的非視覺效應卻受到光照時間點的影響。所以, 光照的警覺性也受到光照時間點的影響。例如, 有研究發(fā)現(xiàn)光照的警覺性作用在晚上或者睡眠剝奪之后特別強烈, 在白天也依然存在, 只是似乎比較平和(Smolders & De Kort, 2014)。夜間研究表明, 與昏暗燈光的控制條件相比, 不同光照強度和光照時長條件下均能顯示出光照的警覺性作用。盡管光照的直接作用看起來似乎是在晚上通過視網(wǎng)膜投影到SCN從而產(chǎn)生的褪黑素的抑制。但是有研究發(fā)現(xiàn), 即使在白天, 幾乎檢測不到褪黑素的時候, 光照也能提高警覺性(Vandewalle et al., 2006; Sahin & Figueiro, 2013)。而且, 正電子發(fā)射型計算機斷層顯像(Positron Emission Computed Tomography, PET)結果顯示, 警覺性的反應不僅局限于視交叉神經(jīng)上核附近的下丘腦區(qū)域, 而且拓展到包括注意網(wǎng)絡在內的大規(guī)模的皮質區(qū)域, 尤其是包含右側頂內溝的大規(guī)模的枕頂葉注意網(wǎng)絡(Perrin et al., 2004)。一項fMRI的研究也發(fā)現(xiàn)類似結果, 即在白天短時間的亮光條件下也可以短暫阻止由于持續(xù)性處在黑暗中而產(chǎn)生的困意。光照引起的主觀警覺性的提高與后側丘腦,包括丘腦核的增強反應相一致, 這與視覺模式識別、視覺注意和警覺性調節(jié)有關。光照暴露還可以導致大面積皮層網(wǎng)絡的反應增強, 包括頂骨、顳骨、枕骨以及包含注意任務對象的島葉(Vandewalle et al., 2006)。總之, 目前很少研究比較了白天和晚上光照對警覺性的影響, 而且這些研究大都用的是強光復合白光(≥1000 lux), 這個照度大到足以產(chǎn)生最大的警覺性效應, 因此可能表現(xiàn)不出時間的主效應。然而, 目前還沒有用室內典型照明照度(90～180 lux)比較白天和晚上的警覺性, 故不能片面認為光照的警覺性作用獨立于時間點。

2.3 不同照度的光照對警覺性的影響

Lewy, Wehr, Goodwin, Newsome和Markey(1980)首次證明了光照的生理效應, 研究指出健康人類至少需要1000 lux的白光才能抑制褪黑素的產(chǎn)生。之后很多研究也都證明了這一點, 并且經(jīng)常用大于1000 lux的光照作為減少倒班工人的睡意、提高倒班工人工作績效的方法(Cajochen,Zeitzer, Czeisler, & Dijk, 2000; Figueiro, Rea, Boyce,White, & Kolberg, 2001)。光照提高警覺性和工作績效的路徑之一是通過對褪黑素激素分泌的抑制。在通常條件下, 一般室內照明的照度(100～200 lux)不會抑制褪黑素的產(chǎn)生。但是, Brainard等人(1988)在嚴格的實驗室控制下發(fā)現(xiàn), 眼睛接收的輻照度在1.03～5.50 lux時也會抑制褪黑素的分泌。為了探討光照的警覺性作用中是否存在類似劑量與反應的關系這一問題, Cajochen等人(2000)讓被試晚上在實驗室中暴露在小于 3 lux的光照幾小時之后, 接受6.5小時從3 lux到9100 lux的光照。結果發(fā)現(xiàn)被試的慢速眼球運動減少、theta-alpha頻率的腦電活動減少、主觀睡意減少, 表現(xiàn)出了光照的即時警覺性反應。光照警覺性的指數(shù)隨照度的變化呈現(xiàn)出了一種對數(shù)劑量反應曲線, 在 9100 lux時警覺性最高, 在 100 lux時出現(xiàn)中值。這個劑量反應函數(shù)的特征描繪了光照警覺性的效應。同時, Smith, Schoen和Czeisler (2004)發(fā)現(xiàn)如果個體之前處于一個較高強度的光環(huán)境中, 則會導致由于光照而減少褪黑素抑制的量減少10%～15%。但由于光照抑制褪黑素的分泌只是一條提高警覺性的通道, 因此減少褪黑素抑制是否意味著更少的警覺性反應還需要進一步探討。

2.4 不同波長的光照對警覺性的影響

傳統(tǒng)的感光細胞對 555 nm的中間波長的光比較敏感, 而新型的感光細胞對460 nm的短波長的光比較敏感。例如研究發(fā)現(xiàn)相比波長更短的紫光(430 nm)或者波長更長的綠光(550 nm, 555 nm)和紅光(600 nm, 630 nm), 暴露在460nm的短波長藍光下個體的警覺性更高(Rahman et al, 2014;Okamoto & Nakagawa, 2015)。并且, 較低照度下的短波單色光便可以影響個體的警覺性(Figueiro,Bullough, Bierman, Fay, & Rea, 2007; Chellappa et al., 2014; Papamichael, Skene, & Revell, 2012)。Revell, Arendt, Fogg和Skene (2006)對5種不同波長(420 nm, 440 nm, 470 nm, 600 nm)的光進行了比較, 也發(fā)現(xiàn)低照度的光對個體主觀警覺性的影響在短波長的光照中效應最大。其中 ipRGCs對480 nm波長的光最為敏感, 因此在480 nm光條件下會抑制褪黑素的分泌。而波長更短的光(420 nm)很有可能通過視錐細胞影響非視覺成像反應(Hattar et al., 2006; Panda et al., 2005)。Chellappa等人(2011)發(fā)現(xiàn)增加復合光中的短波長成分可以提高警覺性。因此, 暴露在短波長的光照下或許是提高夜班工作人員警覺性的可行方法。但是, Güler等人(2008)在嚙齒動物中發(fā)現(xiàn), 光照在不存在視黑蛋白的條件下通過視錐細胞和視桿細胞的作用同樣可以影響非視覺成像的功能。后來在人類實驗中也發(fā)現(xiàn)了光照并不單單是通過內在光敏感性神經(jīng)節(jié)細胞抑制褪黑素這一通道來提高警覺性的。例如Sahin和Figueiro (2013)在中午飯后 1～1.5小時探討被試在紅光(630 nm,40 lux)、藍光(470 nm, 40 lux)和暗光(＜ 0.01 lux)環(huán)境中的腦電波的變化, 結果發(fā)現(xiàn), 藍光條件下的警覺性的提高并沒有達到顯著性, 而紅光條件下的警覺性顯著提高。還有研究者發(fā)現(xiàn), 當困意很高時, 即使暴露在屏蔽掉短波光的光照下30分鐘, 依然可以提高人們在夜晚中的警覺性(Sasseville, Martin, Houle, & Hébert, 2015)。

2.5 不同色溫的光照對警覺性的影響

自大量研究證實了藍光對警覺性具有很大影響后, 研究者開始探討短波成分較多的復合白光對個體警覺性的影響, 即探討不同色溫對光照警覺性的影響。目前大多數(shù)研究都發(fā)現(xiàn), 色溫越高, 警覺性越高(Mills, Tomkins, & Schlangen, 2007; Viola,James, Schlangen, & Dijk, 2008; Iskra-Golec, Wazna,& Smith, 2012)。例如, 有研究發(fā)現(xiàn), 相比正常光照條件, 在短波成分較多的復合白光的照明環(huán)境下,睡意和褪黑素節(jié)律均顯著下降(Motamedzadeh,Golmohammadi, Kazemi, & Heidarimoghadam, 2017)。在某些環(huán)境中, 使用短波成分較多的白光或許是提高工作績效和警覺性的一個人體工程學策略。Chellappa等(2011)比較了兩種不同色溫的節(jié)能燈(40 lux, 6500 K和40 lux, 2500 K)和一種白熾燈(40 lux, 3000 K)在晚上對警覺性的影響, 結果發(fā)現(xiàn)6500 K的光照在減少睡意、提高認知任務尤其是提高持續(xù)性注意任務上的效果更優(yōu)。但也有部分研究得出了不一致的結論。例如 Smolders和 De Kort (2017)探討了不同時間點(上午 vs.下午)在不同色溫照明環(huán)境(2700 K, 500 lux vs. 6000 K, 500 lux)下暴露1小時對個體的活力、任務績效和喚醒度的影響。結果發(fā)現(xiàn), 除了早上在6000 K色溫的光照下被試有較高的主觀活力之外, 在喚醒度等方面的影響均沒有顯著差異。因此, 晚上的結果幾乎一致, 高色溫引發(fā)高警覺性; 白天的結果尚且不太一致。除此之外, 大多數(shù)關于色溫的研究中所用到的色溫水平不一致, 而色溫是否和照度一樣存在反應劑量曲線, 還有待進一步的研究。

3 光照的應用領域

3.1 光照在生理節(jié)律中的應用

光照可以解決晝夜節(jié)律相關的睡眠障礙和晝夜中斷相關的時差問題、輪班工作問題和航空飛行問題(Lucas et al., 2014)。Smith和Eastman (2012)研究發(fā)現(xiàn)晚上光照可以延遲生理節(jié)律時相, 能夠在輪班工作中提高工作績效。但夜間的亮光或藍光會抑制褪黑素的分泌, 導致晝夜中斷, 這兩者都與增加健康風險有關, 使用藍光或亮光似乎不是一個好的選擇。而波長較長的紅光在不抑制褪黑素分泌的條件下依然能夠提高警覺性, 保持績效水平(Figueiro, Bierman, Plitnick, & Rea, 2009;Plitnick, Figuerio, Wood, & Rea, 2010), 因此紅光或許可以作為晚上照光的一種替代光源。例如有研究發(fā)現(xiàn), 夜間暴露在紅光環(huán)境下可以讓護士在不抑制褪黑素分泌和改變生理節(jié)律的同時保持工作的警覺性(Figueiro, Sahin, Wood, & Plitnick,2016)。還有研究發(fā)現(xiàn), 含短波成分較少的復合白光可以在不損害認知功能和警覺性的同時, 對倒班工人的心臟機能有積極的作用(Canazei, Pohl,Bliem, & Weiss, 2017)。同時需要注意的是, 光照對生理節(jié)律系統(tǒng)的敏感性受到短期內光照強度的影響, 白天光照強度越大, 光照對生理節(jié)律的影響的敏感性越低(Hanford & Figueiro, 2013)。

3.2 光照療法在精神障礙中的應用

光療由于較短的潛伏期和較小的副作用, 逐漸成為治療睡眠問題、阿爾茨海默病和相關癡呆(Alzheimer’s disease and related dementias, ADRD)、季節(jié)性情感障礙(seasonal affective disorder, SAD)等神經(jīng)和精神障礙的有效方法(Shirani & St. Louis,2009; Hanford & Figueiro, 2013)。除了正常人群會由于輪班或跨時區(qū)旅行等原因產(chǎn)生睡眠問題外,某些特殊疾病如ADRD等也會引發(fā)一系列睡眠問題(Figueiro, Plitnick, & Rea, 2016; Figueiro,2017)。一項關于光療對睡眠問題的元分析中, 納入了53個研究共計1154名被試, 結果發(fā)現(xiàn), 總體上光療對治療諸如晝夜節(jié)律睡眠障礙、失眠、阿爾茨海默癥和相關癡呆有關的睡眠障礙都很有效。其中, 光療對晝夜節(jié)律睡眠障礙和失眠癥狀的治療效果效應量最大; 在失眠癥的治療中, 使用光療的光照度越大, 效應量越大; 在治療阿爾茨海默癥和相關癡呆有關的睡眠障礙中, 女被試越多效應量越大(van Maanen, Meijer, van der Heijden, & Oort, 2016)。同時, 很多研究還發(fā)現(xiàn)恰當?shù)墓庹毡┞犊梢蕴岣逜DRD患者的夜間睡眠效率, 減少日間游蕩, 緩解晚上焦躁不安, 是治療ADRD的一種有效的非藥物治療方法。通常, 治療ADRD時所用光照都是2500～8000 lux的亮白光, 一般是清晨光照 1 h以上, 至少持續(xù) 2周(Figueiro et al., 2014)。有研究者發(fā)現(xiàn)利用一個自發(fā)光的桌子來進行光照干預也可以提高ADRD病人的睡眠、情緒和行為(Figueiro, Plitnick et al.,2016)。Hanford等人甚至提出未來可以制定一個治療 ADRD病人的 24小時光照計劃(Hanford &Figueiro, 2013)。除此之外, 光療也是有效治療SAD的非藥物手段。Terman等(1989)對來自 14個不同研究中心的332例SAD患者進行系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn), 接受光療之后, 輕度抑郁癥患者的抑郁癥狀緩解率高達 67%, 重度抑郁癥患者的緩解率高達 40%。Golden等人(2005)的元分析結果也表明, 光照能有效緩解SAD患者的抑郁癥狀, 其效果大小相當于大多數(shù)抗抑郁藥物治療試驗中的效果大小。在SAD的治療中, 一般每日用10000 lux的光照30 min, 或用2500 lux的光照2 h; 相較于夜間, 清晨醒后進行光療的效果更好(Lewy et al.,1998; Figueiro, 2017)。隨后, 眾多學者發(fā)現(xiàn)光療對于非季節(jié)性抑郁、產(chǎn)前抑郁癥、雙向抑郁等情感障礙的治療也有一定的促進作用(Even, Schr?der,Friedman, & Rouillon, 2008; Wirz-Justice et al.,2011; Tseng et al.,2016; Al-Karawi & Jubair,2016)。如在一項非季節(jié)性抑郁的強光療法的元分析研究中, 納入了9個臨床實驗共419名病人, 結果發(fā)現(xiàn)強光治療對非季節(jié)性抑郁非常有效。其中強光治療 2～5周時抗抑郁的效果量最大; 作為單一療法時效果顯著, 作為抗抑郁藥物的附屬療法時則效果不顯著(Al-Karawi & Jubair,2016)。還有研究對比了普通室內光照和自然強光下 21名輕度抑郁的老年住院患者的情緒、行為和心臟的壓力反應, 結果發(fā)現(xiàn)即使是自然強光也能夠減輕消極情緒和生理癥狀的壓力(Canazei, Pohl,Bauernhofer et al., 2017)?？傊? 光療作為一種非藥物療法, 在眾多神經(jīng)和精神障礙的治療中都可能卓有成效, 但目前除了在治療SAD時有較明確的光照設置外, 在治療其他精神障礙時的最佳光照時長、長度、時間點和療程時長等尚不明確, 未來研究中需要進一步的深入探討。

3.3 光照在辦公照明中的應用

有益健康的照明環(huán)境可以減弱眼部疲勞、改善人的情緒并提高工作效率。光照的警覺性作用和對提高績效的影響在建筑中的室內光設計中越來越普遍。一般來說, 辦公環(huán)境的照度越高, 員工警覺性越高, 工作效率也越高。例如, Smolders,De Kort和Cluitmans (2012)比較了32名被試分別在上午和下午暴露在200 lux和1000 lux的光照下1小時, 結果發(fā)現(xiàn)即使在正常白天條件下(即沒有睡眠剝奪), 光照強度越大, 個體的警覺性和活力也越高, 生理喚醒和工作績效也越高。但現(xiàn)代的辦公室照明仍然有很多都不能滿足光照非視覺效應的標準。Aries (2005)研究發(fā)現(xiàn)辦公室照明中的垂直照度大于1000 lux的比例不到20%, 在控制了性別、年齡、紅眼校正、季節(jié)敏感性和睡眠類型之后, 相比高照度環(huán)境, 在低照度環(huán)境中工作疲勞顯著增加, 睡眠質量顯著下降。傳統(tǒng)的建筑照明主要關注視覺績效、視覺舒適度和審美。現(xiàn)在需要在建筑照明中考慮到光的非視覺作用。

4 總結與展望

光是調節(jié)生理、激素和行為表現(xiàn)的較強環(huán)境刺激。光療是治療某些情感障礙、睡眠問題和生理節(jié)律紊亂的有效方式?？梢哉f, 對光進行的研究具有重要的意義。ipRGCs的發(fā)現(xiàn)推動研究者進一步發(fā)現(xiàn)了非圖像形成的新型感光系統(tǒng)及與其聯(lián)結的神經(jīng)回路。但光照警覺性的研究才剛剛起步,并且大多是變量分散的研究, 缺少系統(tǒng)全面的研究。未來應該著重從以下幾個方向展開研究。

4.1 探討光照警覺性的神經(jīng)機制

隨著認知神經(jīng)科學的發(fā)展, 研究者們也開始利用這種技術來探究環(huán)境光照對個體警覺性影響的神經(jīng)機制。早期, Perrin等人(2004)利用正電子斷層掃描技術(PET)來探測夜間不同復合光照度環(huán)境下被試執(zhí)行聽覺注意任務的腦區(qū)激活情況,發(fā)現(xiàn)被試在高照度復合光下, 與警覺、注意相關的頂-枕區(qū)注意網(wǎng)絡(特別是頂內溝)被顯著激活。隨后 Vandewalle等人(2006)使用功能性磁共振成像技術(fMRI)比較了白天不同復合光照度下個體執(zhí)行注意任務時的腦區(qū)活動, 結果發(fā)現(xiàn)高照度條件下顯著激活背側丘腦、右側上頂葉和頂內溝等與注意相關的大腦皮層區(qū), 而低照度條件下相關腦區(qū)激活并不明顯。除了高照度復合光, 在單色光環(huán)境下執(zhí)行注意任務時的大腦活動也有顯著變化。例如, Okamoto和Nakagawa (2015)使用ERPs技術發(fā)現(xiàn), 相比無光照的照明環(huán)境, 被試在短波長的光照環(huán)境下執(zhí)行注意相關的任務時 P300振幅會顯著增大, 而中波長和長波長光照環(huán)境下的P300振幅則無顯著差異。雖然前人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)光的警覺性相應腦區(qū)的激活, 但是關于光照通過何種路徑而對警覺性產(chǎn)生作用尚未定論。光對生理和行為的影響除了受到傳統(tǒng)的視錐細胞和視桿細胞的影響之外, 還受到一種新型的感光細胞——自主感光神經(jīng)節(jié)細胞(ipRGCs)的影響(Lucas et al.,2014)。ipRGCs有一種特殊的非視覺視網(wǎng)膜下丘腦束, 用來提供和視交叉上核的直接神經(jīng)連接,并且通過視交叉上核直接或間接的投射到和覺醒相關的大腦區(qū)域。此外, 視交叉上核還與調節(jié)褪黑素的松果體相連, 同時與外側膝狀體核、前頂蓋、上丘等與視覺感光系統(tǒng)共享的區(qū)域相連(Lockley & Gooley, 2006)。所以通常認為, 光照的警覺性作用是通過光敏感性神經(jīng)節(jié)細胞抑制褪黑素的分泌而作用, 但有一些研究者得出了不同的結果, 沒有褪黑素的抑制也能產(chǎn)生光照的警覺性作用(Sahin & Figueiro, 2013; Sasseville et al., 2015;Figueiro, Sahin et al., 2016), 甚至有結果得出傳統(tǒng)感光細胞和 ipRGCs影響光照警覺性的條件不一致。例如, Gooley等(2010)發(fā)現(xiàn)視錐細胞在光照開始和較低照度水平下時對光照的非視覺作用起重要作用, 而新型自主感光神經(jīng)節(jié)細胞則在長時間光照和高照度時對光照的非視覺性作用有重要影響。因此, 光照如何作用于大腦的喚醒系統(tǒng), 以何種路徑激活大腦的喚醒系統(tǒng)目前尚不清楚。為了進一步解釋光照的警覺性作用機制, Rautkyl?,Puolakka和 Halonen (2012)基于神經(jīng)元連接的角度提出光照影響警覺性的雙通道模型(圖2), 他認為光照除了通過生物節(jié)律系統(tǒng)(即 SCN調控褪黑素分泌)影響警覺性, 還能直接作用于邊緣系統(tǒng)(如杏仁核)產(chǎn)生對光信號的情緒反應, 在神經(jīng)元連接的作用下到達喚醒系統(tǒng), 從而提高個體的警覺性。雙通道模型從宏觀層面上為我們解釋日間光照影響警覺性的神經(jīng)機制提供了重要的理論依據(jù), 即光照可能通過影響情緒狀態(tài), 從而影響警覺性。然而雙通道模型尚處于理論建構水平, 還未得到相關的實驗驗證, 因此未來研究還需進一步驗證該模型的適用性。綜上, 我們可以看出目前已知的光照警覺性的神經(jīng)機制只是冰山一角,未來需要對不同光照(照度高/低, 單色光/復合光,作用時間長/短)達到視網(wǎng)膜后由何種感光細胞通過何種路徑影響警覺性的神經(jīng)機制進行深入探討。

4.2 優(yōu)化光照警覺性的參數(shù)特征

高照度的燈光照射或藍光照明均可在短時間內起到調節(jié)內在生理節(jié)律、促進個體清醒、保持正常的活動狀態(tài)等作用(朱瑩瑩, 汝濤濤, 周國富,2015)。但在一項研究中, 60個成年被試經(jīng)過慢性睡眠限制后, 暴露在不同波長的光照下(458～480 nm的藍光、551～555 nm的綠光, 0 lux的暗光控制)。研究人員對光照暴露前、暴露中、暴露后的警覺性進行了測量, 結果發(fā)現(xiàn)均沒有顯著差異(Segal, Sletten, Flynn-Evans, Lockley, & Rajaratnam,2016)。所以, 睡眠壓力、生理階段和光照反應曲線之間可能存在一定的交互作用。雖然研究者們一致認為夜晚照射藍光或富含短波長的白光會促進警覺性, 但對白天警覺性的敏感波長的研究仍存在分歧。例如Sahin和Figueiro (2013)證實白天的紅光比藍光對人的警覺性的作用更大。另外還有研究考察了動態(tài)光對人警覺性和表現(xiàn)的影響,結果發(fā)現(xiàn)相比靜態(tài)光, 動態(tài)光更讓人警覺(羅明,鄭詩琪, 葉鳴, 2016)。因此未來的研究可以從動態(tài)角度去探討隨著24 h的變化光照警覺性的光譜敏感性的變化, 進一步優(yōu)化在白天能夠引起警覺性的光照系統(tǒng)的參數(shù)特征。

圖2 光照警覺性的雙通道模型(資料來源：Rautkyl? et al, 2012)

4.3 探討光照警覺性的混淆變量

現(xiàn)在的研究大都強調光照在任務中對認知神經(jīng)功能的影響。比如有研究認為在亮白光或藍光成分較多的白光環(huán)境中可以提高警覺性和神經(jīng)活動過程(Cajochen et al., 2005; Lockley et al.,2006)。但是這種光照警覺性的影響并不總是促進行為表現(xiàn)。實際上, 有研究報告了光照可能會對認知任務產(chǎn)生不利的作用或者沒有顯著差異的影響(Gabel et al., 2015; Kaida, Takeda, & Tsuzuki,2013)。同時也有研究發(fā)現(xiàn), 光照效應在抑制控制任務上的表現(xiàn)有很大的個體差異性, 并且取決于被試實驗前的警覺性狀態(tài)(Correa, Barba, &Padilla, 2016)。實驗前處于較高警覺性狀態(tài)的被試在經(jīng)過藍光成分較多的白光照射之后, 在高級認知任務上的成績更好。這提示我們在探討光照效應的時候要注意實驗之前的警覺性。所以, 對光照警覺性的混淆變量進行研究, 排除或控制一些混淆變量, 對我們更好的理解光照的非視覺效應至關重要。

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