照明的非視覺作用及其腦神經機制*

朱瑩瑩 汝濤濤 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,廣州 510631)

照明,作為人類日常工作、生活環境中的重要構成要素之一,為我們看清物體的大小、顏色、辨別方位等提供了基本的視知覺保障。除此之外,越來越多的研究發現照明(指人工照明)還可在某種程度上滿足機體的生理、心理需求,促進人類的身心健康發展,譬如改善睡眠質量、提高工作效率、緩解消極情緒、增加主觀幸福感等(e.g.Boyce,2003;Figueiro,2003;Hanifin &Brainard,2007;LeGates,Fernandez,&Hattar,2014;van Gelder,2008;Warthen &Provencio,2012),這種對視知覺以外的身心狀態產生的直接或間接影響即為照明的非視覺作用(nonvisual effect)。近年來,照明的非視覺作用日益引起科研工作者的廣泛關注和強烈興趣,并將其與視覺作用一起作為評價照明質量高低(好壞)的兩大參照標準(Sato,1996)。

早期,科學家們一致認為人類視網膜上只存在兩種感光細胞——視桿細胞和視椎細胞,人眼通過這兩類細胞進行視覺體驗(明視覺和暗視覺)。直到 2002年,美國 Brown大學的 Berson,Dunn和 Takao(2002)在實驗中發現了哺乳動物視網膜上實際存在著第三類感光細胞—內在光敏感性視網膜神經節細胞(ipRGCs),該細胞主要分布在視網膜最內層,能夠表達黑視蛋白(ipRGCs的主要感光色素)且數量極少,并與調節生理節律的視交叉上核(SCN)存在密切的神經投射關系(Berson et al.,2002)。傳統感光系統(由視椎和視桿細胞組成)的作用機制已經得到了大量實驗研究,結果顯示該系統主要負責知覺物體顏色、大小、明暗,空間方位等視覺特征(e.g.Cao,Pokorny,Smith,&Zele,2008;Lee,Pokorny,Smith,Martin,&Valberg,1990;Sun,Pokorny,&Smith,2001a,2001b)。而以ipRGCs為代表的新型感光系統則主要對機體的生物節律、褪黑素分泌、個體行為反應及情緒狀態等非視覺作用產生顯著影響,其最直接的證據來自于對盲人和失明嚙齒動物(視椎和視桿細胞缺失)的研究,實驗結果發現在視桿和視椎細胞受到嚴重損壞或被完全移除的情況下,機體的視知覺功能基本喪失,但其周期節律仍然保持正常或較少受到影響(Foster et al.,1991;;Provencio,Wong,Lederman,Argamaso,&Foster,1994),甚至通過特殊光照能夠將機體生物鐘重置(Zaidi et al.,2007);但完全摘除眼球或 ipRGCs中黑視蛋白缺失的大鼠則會出現生物節律紊亂,睡眠調節功能失常等現象(Lucas et al.,2003;Lupi,Oster,Thompson,&Foster,2008;Tsai et al.,2009)。這些結果表明ipRGCs是一種有別于傳統感光細胞的新型光感受器,且主要負責調節機體視知覺以外的非視覺效應(Berson,2003;Dacey et al.,2005;Peirson &Foster,2006)。總之,第三類感光細胞的發現打破了以往對于眼睛僅是視覺器官的觀念,使人們開始逐步認識到人類視網膜上實際存在兩種感光系統(視覺與非視覺感光系統),它們對個體的身心活動產生著不同作用和影響(見圖1)。在提倡健康照明的今天,越來越多的研究者將注意力轉移到照明對個體非視覺作用的影響及其背后的神經機制上,并試圖通過實證研究將結果運用到如何創造理想的照明環境來滿足人類的身心需求、增強生活幸福感等實際應用中(Custers &de Kort,2010;Smith &Eastman,2009;van Bommel,2006;Vandewalle et al.,2010;Wilhelm,Weckerle,Durst,Fahr,&R?ck,2011)。

圖1 光照射人眼后產生的視覺作用與非視覺作用示意圖

色溫1色溫即光源發射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時,黑體的溫度稱為該光源的色溫,單位為K(開爾文),隨著溫度不同,光的顏色亦各不相同,黑體呈現由紅—橙紅—黃—黃白—白—藍白的漸變過程,溫度越高光譜中藍色成份越多,而紅色的成份相對越少。常見色溫為2700 k～6500 k。、照度2照度是指單位面積內被照射物體所接收到的光通量,單位為勒克斯(lx)。照度越低表明光線越弱,反之越強。、顯色性3顯色性是指光源對于物體自然原色的呈現程度,通常用顯色指數(Ra)表示。Ra的數值范圍是0～100,越接近100,表示顯色性越好。作為照明的三大重要屬性,任何光環境的創設都離不開此三種屬性的參數設定。其中,顯色性作為評價光源對物體顏色還原度好壞的一個重要指標,其大小僅與我們對物體的顏色知覺(視覺作用)密切相關,通常情況下室內照明環境的顯色性越高越好。基于此,前人重點圍繞色溫和照度對光源的非視覺作用開展了一系列的實證研究,且取得了較有價值的科研成果。本文旨在對這些研究成果進行歸納和總結,并結合當前研究存在的缺憾和不足指出未來發展方向。

1 照明對生理變化的影響

1.1 影響褪黑素分泌,調節睡眠

褪黑素(melatonin)是大腦松果體在生理條件下分泌的一種胺類激素,它與多種生理活動密切相關,如中樞神經系統、生殖系統、免疫系統等(Claustrat,Brun,&Chazot,2005)。在所有對褪黑素分泌產生影響的因素中,外界光照變化無疑是自然環境中影響其分泌的最主要的因素。多數研究發現,利用強光照射(e.g.5000 lx)可以有效抑制褪黑素分泌,提高個體的警覺性、身體溫度等;相反,在完全黑暗或弱光環境下(e.g.50 lx),褪黑素分泌量顯著增加,此時個體易出現疲勞、乏力、欲睡等現象(Badia,Myers,Boecker,Culpepper,&Harsh,1991;Lall et al.,2010;Panda et al.,2003)。Morita和Tokura發現除照度外,高色溫的照明環境(偏藍色的冷白光)同樣可以有效抑制褪黑素分泌,尤以夜間的抑制作用最為明顯(Morita &Tokura,1996)。對于輪班制工作人員而言,由于夜間褪黑素分泌量大幅提升使個體睡眠壓力增大,嚴重影響工作效率,研究發現創設高照度的照明環境能夠有效抑制褪黑素分泌,緩解睡眠壓力,進而提升工作效率(e.g.Cajochen,Zeitzer,Czeisler,&Dijk,2000;Gabel et al.,2013;Lockley et al.,2006;Yoon,Jeong,Kwon,Kang,&Song,2002)。除了復合光(白光)外,單色光(單一頻率或波長的光,如紅光、藍光、綠光等)對褪黑素的影響也不盡相同,例如：紅色光對褪黑素的抑制力相對較弱,因而個體接受紅光照射一段時間后易于快速進入深度睡眠狀態;相反,人眼視網膜比較敏感的藍、綠色光則對褪黑素分泌的抑制作用相對較強,特別是在藍色光環境下個體的主觀警覺性、工作效率等均會出現明顯提高(Cajochen et al.,2005;Plitnick,Figueiro,Wood,&Rea,2010)。總之,無論是復合光還是單色光照明均能在一定程度上對人類松果體內褪黑素的分泌起到良好的促進或抑制作用,該方面的研究也為光照在臨床上的應用提供了堅實的理論基礎和實踐依據。

1.2 調節生物節律,維持正常活動狀態

人類在很早以前便形成了“日出而作,日落而息”的生活規律,一旦該活動規律被打破或受到嚴重干擾(如輪班,倒時差,夜間加班等)則會引起身體不適、情緒紊亂,工作效率下降等負面反應。這種負面反應的出現主要是因體內的“生物鐘”(circadian clock)被打亂所致。人體的生物鐘系統主要包括視網膜、下丘腦視交叉上核(SCN)和松果腺(PG),這些神經結構的相互作用調控著人體的生理和行為節律,其中視交叉上核受到來自外界環境因素(如光照周期信號)和機體自身機制(如一些化學物質)的雙重調節,是生理節律最主要的起搏器(Figueiro,2003)。

研究發現,利用人工照明可以有效調節個體的生物節律,維持正常生理活動。Avery等人在實驗中發現當在個體黎明起床前 90分鐘時逐漸對其施加局部照明(最大值為 250lx)可有效促進覺醒、恢復主觀意識(Avery,Bolte,Wolfson,&Kazaras,1994)。此外,Figueiro和Rea(2010)為考察不同季節傍晚間的自然光照對青少年夜間作息規律的影響,隨機挑選了16名青少年分別在冬、春季節對其進行一周的傍晚光照測查,結果發現,不同季節內的自然光照差異對青少年的夜間作息規律存在顯著影響,即與冬季相比,青少年由于在春季傍晚受到更多的自然光照射,導致夜間的休息時間明顯延遲且睡眠時間相對縮短,致使第二天的學習和工作無法得到保障,因此研究者建議可根據季節變化適度減少青少年的夜間照明量及照明持續時間來保證其正常的睡眠時長和作息規律。隨后,Martinez-Nicolas等人利用24h循環照明檢測裝置經過一周的追蹤研究進一步證實了光照與機體周期節律的內在關聯性,他們發現個體接收的平均晨光量,光線質量等與自身周期節律存在顯著正相關(Martinez-Nicolas,Ortiz-Tudela,Madrid,&Rol,2011)。

此外,有研究者還比較了不同單色光對人體生物節律的影響,且普遍認為藍色光對機體周期節律影響最為明顯(Berson,2003;Dijk &Archer,2009;Vandewalle,Gais,et al.,2007;Vandewalle,Schmidt,et al.,2007)。藍光對周期節律的調節作用與 ipRGCs中的黑視蛋白不無相關,后者是一種表達在 ipRGCs內且數量有限的感光色素,對光譜分布中的藍光最為敏感,其主要參與調節機體的周期節律、認知加工、情緒變化等非視覺反應(Güler et al.,2008)。

上述研究說明了高照度的燈光照射或藍光照明均可在短時間內起到調節內在生理節律,促進個體清醒、保持正常的活動狀態等作用。但對于復合光與單色光究竟何種光源對機體生理節律的調節作用更顯著或二者結合使用是否可達到最佳效果目前尚未有類似的比較與討論,也未形成一致結論,仍需進一步探討。

2 照明對心理活動的影響

2.1 認知加工

照明的非視覺作用的另一個重要表現即為對心理活動的影響,尤其是在認知加工和情緒調節方面。近年來,多數研究發現照明對個體的工作記憶、注意、問題解決、警覺性等基本認知活動均存在顯著影響。例如,Kretschmer等人對老年人在夜間睡眠剝奪情況下照明對其認知加工的影響做了一系列研究,實驗中色溫保持恒定(4000 k),要求被試在不同照度光環境中(高 3000 lx vs 低300 lx)完成工作記憶(2-back task)和若干注意任務(選擇注意、分配注意、持續性注意任務),各照明條件連續測量三個晚上(每天10 p.m.～ 04 a.m.為施測時段),將智力作為協變量進行統計分析,結果發現：高照度照明條件下被試的工作記憶、分配注意的反應正確率明顯高于低照度照明環境,而選擇注意和持續性注意任務則不受照明環境的影響,成績差異不顯著(Kretschmer,Griefahn,&Schmidt,2011;Kretschmer,Schmidt &Griefahn,2012)。Veitch曾就認知作業在不同光照環境下未出現顯著差異的原因做出過猜測,他認為照明對認知任務的影響可能具有選擇性,即并非所有認知加工任務都會受到照明環境的影響,與任務難度、解決技巧和后天訓練等因素密切相關(Veitch,2001)。同樣是針對老年人的研究,Riemersma-van der Lek等人(2008)發現高照度照明環境(1000 lx)有利于減緩老年人的認知功能衰減速度,特別是對患有阿爾茨海默癥的老年人效果最為明顯。

不同照度水平下個體的警覺性及與警覺性相關的認知加工也會產生明顯差異(e.g.Phipps-Nelson,Redman,Dijk,&Rajaratman,2003;Revell,Arendt,Fogg,&Skene,2006;Rüger,Gordijn,Beersma,de Vries,&Daan,2006;Viola,James,Schlangen,&Dijk,2008)。Smolders等人(2012)采用PVT任務(簡單的聽覺反應時任務)考察被試在無睡眠壓力下室內照明環境對其警覺性的影響,結果發現與低照度光環境相比(200lx),被試在高照度光環境下(1000lx)的反應更快,警覺性更高(Smolders,de Kort,&Cluitmans,2012)。隨后,Smolders等進一步研究發現,高照度的照明環境不僅有利于提高個體的主觀警覺性,還能夠有效緩解大腦疲勞,促進精力恢復。他們通過若干認知任務比較了兩組被試(精神疲憊組和正常狀態組)在高、低照明環境下的反應差異,結果顯示,隨著照射時間延長,兩組被試在高照度照明環境下的反應差距逐漸縮小,最后趨于一致,而低照度光環境下并未發現該趨勢(Smolders &de Kort,2014)。

另外,也有研究者在控制室內標準照度基礎上(正常室內照度一般在300 ～ 500 lx水平),通過調控光線色溫來探究其對認知活動的影響。研究發現,與低色溫照明環境(暖色光)相比,高色溫(藍白光)照明環境下被試的認知加工速度、學習效率以及主觀警覺性等均出現明顯提高(Ferlazzo et al.,2014;Mills,Tomkins,&Schlangen,2007;Revell,Arendt,Terman,&Skene,2005)。

近幾年,單色光與心理活動的關系也開始受到廣泛關注。例如,Lockley等人(2006)要求被試在分別接受固定時長(約6.5小時)的藍(460 nm)、綠(555 nm)光照射之后立即進行警覺性作業,結果發現,被試在藍光照射之后的警覺反應時和錯誤率均顯著小于綠光環境下的警覺反應,表明藍色光環境在一定程度上能夠促進認知加工。而Vandewalle和Gais等人(2007)卻并未發現藍光對認知加工的促進作用,實驗中要求被試在任意一種色光環境(藍光473 nm vs綠光527 nm vs 紫光 430 nm)中(約1小時)完成 2-back 工作記憶任務,結果發現被試的工作記憶能力與光波波長無關,行為反應并無顯著差異,并由此推斷藍光照明并非對個體的工作績效或學習成績有顯著促進或提升作用,很可能是視覺對照明的主觀敏感或隨機反應所致。關于色光照明對人類認知行為的影響目前仍處于初步探索階段,實證依據相對較少,從以往有限的研究中我們不難發現,色光對認知加工的作用還與光波波長(wavelength),照射時間點(timing),持續時間(duration),被照群體,個體的視覺狀態(e.g.視疲勞)以及任務類型等因素密切相關。

2.2 情緒調節

情緒是機體對不斷變化的外界環境所采取的適應模式,是一種主觀體驗,它具有很大的情境性、暫時性和激動性(彭聃齡,2004)。光照作為人類生存環境的一個重要組成部分,其與情緒的關系亦頗為密切。有研究指出無論自然光還是人造光,個體一年中接受到的光照量與其精力充沛度存在顯著正相關,也就是說個體一年中接受到的光照越多其精力就越充沛,且該相關性不受被試性格特點、照射時間以及活動內容的影響(Smolders,de Kort,&van den Berg,2013)。

Baron,Rea和Daniels(1992)從照度和色溫方面考察了照明對情緒的影響,結果發現只有在低照度暖色溫(150 lx,3000 k)的照明環境下被試才表現出冷靜、平和的積極情緒,而在其他照明條件下被試均無明顯的情緒變化。而Knez卻對此提出了不同看法,認為 Baron實驗中由于光照時間過短(約 20 min)被試對照明環境無法進行充分感知和體驗,加上實驗開始前未對被試的初始情緒進行基線測評,因而研究結果仍存在爭議。基于此,Knez(1995)利用三因素被試間設計(自變量分別為照度、色溫和性別)系統考察了照明、情緒以及認知加工之間的關系。實驗中要求被試在不同照明環境下分別完成四種認知任務(記憶與再認,問題解決,回憶任務,虛擬行為評定任務),并在實驗前、中、后分別進行定時情緒測量(PANAS),結果發現：女性在暖色溫(3000 k)照明環境中認知加工成績(問題解決)顯著好于在冷色溫條件下的表現,同時消極情緒誘發最少;相反,男性則傾向于在冷色溫(4000 k)照明下進行問題解決,且誘發的消極情緒較暖色溫明顯減少,此外研究還發現男性在冷色光下記憶與再認任務的反應成績顯著好于女性,而女性則在暖色光下更易發揮記憶優勢,記憶成績明顯高于男性(Knez,1995)。由于實驗方法的局限加上被試個體差異等因素的影響,該研究并未真正揭示出照明、情緒與認知加工之間的內在關系,但其結果在一定程度上豐富了該領域的研究成果,為后人研究提供了新視角和新方向。除性別差異外,照明對情緒的影響在年齡層面上也同樣存在極大不同,如年輕人喜歡在暖色光下進行認知加工,且負性情緒誘發較少,而老年人則更偏好在冷白光照射下完成認知任務(Knez &Kers,2000)。

正是因為不同性別,不同年齡段的個體對周圍光環境的差異化需求,從而要求生活中室內照明的設置不僅要滿足基本的視知覺功能,更要滿足個性化的心理需求,尤其是特殊群體的照明需求。比如,臨床上普遍利用光療技術來治療季節性情感障礙患者的情緒紊亂問題,所謂季節性情感障礙(Seasonal Affective Disorder,SAD)是指一年中,隨著季節、光照周期、天氣氣溫等自然環境因素的變化,部分人群(女性居多)的自身情緒狀態也會隨之產生或多或少的影響,較明顯的特征是季節性抑郁發作,即秋冬季抑郁情緒明顯(Rosenthal et al.,1984)。 早在20世紀80年代已有研究者發現光照(即人工照明)可以有效緩解季節性情感障礙患者的抑郁癥狀(Rosenthal et al.,1984;Wirz-Justice et al.,1987)。Terman,Terman 和Ross,(1998)發現,光照強度與SAD的治療效果密切相關,高強度的白光治療優于一般弱光。Lewy等(1998)對治療時間進行了追蹤研究,結果顯示,早上光療的效果明顯好于夜間,特別是早晨醒來后立即進行光療,效果更佳(Lewy et al.,1998)。隨著研究的不斷深入,人們發現除白光外單一頻率的色光對SAD癥狀也會產生顯著影響,尤其是使用波長較短的藍色光對 SAD患者照射一段時間后,其抑郁癥狀會得到明顯改善(Anderson,Glod,Dai,Cao,&Lockley,2009;Craford,Holonyak,&Kish,2001;Glickman,Byrne,Pineda,Hauck,&Brainard,2006)。因藍光能夠有效抑制褪黑素分泌和調節生物節律(Lockley,Brainard,&Czeisler,2003),故與其他單色光相比成為治療 SAD的理想光源,治療效果更為顯著(詳見后文敘述)。此外,還有一些研究者提出光照對于非季節性抑郁癥同樣具有一定的治療作用(Even,Schr?der,Friedman,&Rouillon,2008;Golden et al.,2005;Martiny,2004;Oldham &Ciraulo,2014),但相比治療SAD效果稍弱(Stewart,Quitkin,Terman,&Terman,1990;Thalèn,Kjellman,Morkrid,Wibom,&Wetterberg,1995)。Kripe(1998)和 Benedetti等人(2003)研究發現,光療與藥物結合使用可大大增強非季節性抑郁患者的抗抑郁效果。另有研究表明,利用強光照射還能有效減輕產前抑郁癥患者的抑郁癥狀(Oren et al.,2002)。總體而言,光療作為一種非藥物治療方法,經過30多年的研究和發展,已成為治療季節性情感障礙的主要手段,其在臨床上的應用也在逐漸擴大和細化。但目前國內在該領域的研究相對薄弱,諸多方面(如光照的最佳時間、治療時長以及作用機制等)亟待開發和深入探索。

2.3 社會利他

前面已述,照明對機體的影響不僅體現在視知覺方面,正逐漸向生理、心理方面延伸,如生物節律,認知加工,情緒調節等。這些內在的生理、心理需求能夠通過照明得到一定的緩解和滿足。事實上,人類的外在行為表現,諸如人際交往、社會利他等在一定程度上也會受到光照環境的影響或制約。前人研究發現,個體在低照度、暖色溫的照明環境下容易表現出較多的利他行為,如對他人態度更積極,自愿付出較多的時間去幫助他人,傾向于通過合作而非逃避的方式去解決人際沖突或矛盾;當人們在高照度照明環境下進行人際溝通時態度更隨和,暴力行為或吵架行為明顯減少(aan het Rot,Moskowitz,&Young,2008;Baron et al.,1992)。由此看來,社會交往中除了“人” “事”以外,“物”(主要指物理環境)也是影響社交能否順利進行的重要組成部分。以照明為例,即：創設良好舒適的照明環境能夠在某種程度上激發個體的積極、愉悅情緒,從而使人際溝通更加和諧、順暢。從身心發展角度講,理想、愜意的光照環境有助于促進兒童、青少年等社交能力的發展,培養正向的人際互動觀。

由于當前照明在社會行為方面的研究相對較少,加上實驗任務、被試群體等差異使得現有研究結果較為分散,缺乏系統性。此外,關于照明對社會行為影響背后的神經機制以及照明和社會行為是否存在第三變量(如情緒、動機)的中介作用等問題尚未明晰。故未來應從多角度全面分析照明與社會行為的關系,開展認知神經研究,同時注重理論結合實際,充分發揮照明在人際交往、社會活動等方面的積極作用。

3 照明的非視覺作用的腦神經機制

腦是人類身心活動的物質載體,人的任何心理、行為表現都受到大腦神經活動的調節。隨著科研手段的不斷發展,人們開始利用先進的認知神經技術(e.g.PET,fMRI,ERP,TMS)探測人類心理、行為背后的神經機制,照明的非視覺作用也不例外。早期,Perrin等人利用功能性磁共振成像技術(fMRI)發現被試在高照度照明條件下(>8000 lx)進行認知作業時,與警覺、注意等心理活動相關的頂-枕腦區(特別是頂內溝)被顯著激活(Perrin et al.,2004)。隨后,Vandewalle等人同樣利用fMRI技術對照明誘發的非視覺作用背后的腦機制進行了一系列探索(see review Vandewalle,Maquet,&Dijk,2009),例如,2006年,Vandewalle等發現在高照度室內照明環境下(>7000 lx),被試完成聽覺警覺性任務時,后丘腦及與注意相關的大腦皮層區得到明顯激活,而在低照度光照環境下的相關激活并不明顯(Vandewalle et al.,2006)。隨后,Vandewalle和 Gais等人(2007)對單色光誘發的非視覺作用的神經機制進行了考察,結果發現,與綠色光相比,個體在藍色光環境下加工工作記憶任務時會顯著激活大腦前額葉、頂葉及丘腦等與工作記憶相關的腦區(Vandewalle,Gais,et al.,2007),特別是發現了腦干在調節藍光與認知活動中的關鍵作用,尤其是位于腦干的藍斑核在照明一開始便出現顯著激活(Vandewalle,Schmidt,et al.,2007)。 近期,Vandewalle等人又提出,個體在不同色光環境下加工情緒信息時大腦活動亦存在明顯差異,即：被試在藍光照射下對情緒信息的反應更加敏感,海馬、杏仁核、下丘腦等與情緒相關的腦區被顯著激活,尤其是下丘腦后部在SAD患者中出現特有激活(正常被試組未發現該腦區激活);相反,在綠色光環境中情緒刺激只在照射剛開始時激活部分與情緒加工相關的腦區,但隨著照射時間延長,激活程度逐漸減弱(Vandewalle,Schwartz,et al.,2010;Vandewalle et al.,2011)。同時,也有部分研究者(Grass &Kasper,2008;Lam et al.,1996;Rot,Benkelfat,Boivin,&Young,2008;Willeit et al.,2008)發現位于腦干中縫附近的中縫核團在照明的非視覺作用,特別是情緒調節方面也發揮著重要作用,該核團的主要特點是產生神經元的遞質 5-羥色胺(5-HT),而大量研究表明5-HT與抑郁癥的產生密切相關(Lemonde et al.,2003;Ruhe,Mason,&Schene,2007;Stockmeier et al.,1998;Szewczyk,Albert,&Rogaeva,2010),實驗發現利用強光照射能有效提高中縫核內的5-HT含量及其合成率進而緩解抑郁癥狀(Willeit et al.,2008;Grass &Kasper,2008),該研究結果從腦機制層面進一步補充說明了臨床上利用光照來治療抑郁癥的針對性和有效性。盡管利用具有高空間分辨率的 fMRI技術使我們對照明的非視覺作用背后的腦神經機制有了初步了解,但這對于全面系統認識其內在的龐大神經通路來說僅僅是冰山一角,許多問題仍需深入探索和解決,比如：諸多照明方面的影響因素,像光照時間點(timing)、持續時間(duration)、光譜分布(spectral distribution) 等與認知加工、情緒調節以及腦區激活的內在關系究竟如何;特殊群體(如 SAD患者,睡眠障礙者,學習困難兒童)在此方面的腦機制與常人又存在何種差異 。

照明對認知活動的影響也得到了來自電生理學方面的研究證據。關聯性負變(contingent negative variation,CNV)作為事件相關電位(ERP)中反映人腦復雜心理活動的負走向電位,其波幅大小與個體對外部刺激的注意、期待、動機、朝向反應等心理活動有關,尤其與注意的保持能力關系最為密切(Walter,Cooper,Aldridge,McCallum,&Winter,1964)。CNV波幅升高表明個體的注意保持能力較強,反之則較差且易對無關刺激進行關注導致心理資源過度消耗(Timisit-Berthier,1991)。既然CNV可作為評估個體認知加工過程中注意力保持或警覺性的指標,那么關于照明環境對個體認知加工,特別是注意/警覺性的影響是否也能夠通過CNV波幅變化予以體現？早在1992年Deguchi和Sato(1992)就使用經典的CNV任務范式考察了不同色溫下(3000 k,5000 k,7500 k)誘發的CNV成分變化,結果發現,被試在高色溫(7500 k)照明環境下誘發的CNV波幅明顯高于低色溫環境,表明高色溫照明條件下被試注意保持能力相對較強,朝向反應更明顯。該研究從電生理學角度說明了照明環境對機體心理活動確實會產生顯著影響,特別是一些基本的認知功能,如注意、動機、朝向反應等,同時也為后人深入挖掘照明的非視覺效應背后的神經機制開辟了新路徑,提供了新方向。

Rautkyl?,Puolakka 和 Halonen,(2012)試圖從“雙通道神經通路”的角度來解析照明與個體主觀情緒和警覺狀態三者之間的關系(見圖2)。該模型認為照明對個體警覺性的影響可能是直接的,也可能是間接的由情緒狀態決定的,并由此提出雙通道神經通路——大腦邊緣系統(limbic system)和周期節律系統(circadian system)對其做出進一步解釋。其中,邊緣系統(如杏仁核)與個體的情緒體驗、情緒刺激加工等有關,而警覺性作為注意的主要特征之一在一定程度上又會受到情緒狀態的影響(Parasuraman,1998),所以照明對注意警覺性的作用可能是經由情緒腦區的誘發而產生;生物節律系統主要通過視交叉上核(SCN)調控褪黑素分泌來調節個體的警覺性(Rautkyl? et al.,2012)。根據該模型理論,研究者可以通過分析兩條平行神經通路在不同照明條件下的大腦激活模式與個體報告的主觀情緒狀態和警覺性的相應變化從而推斷出照明、情緒、警覺性之間的內在聯系。例如：有研究發現,即使機體在無褪黑素分泌或分泌較少的情況下(如白天),照明仍能提高注意的警覺性(Smolders et al.,2012),根據“雙通道神經通路”模型可推斷,該結果可能是光線照射視網膜后激活大腦邊緣系統,特別是情緒加工腦區激活后誘發情緒變化進而導致警覺性發生改變。雖然Rautkyl?等人提出的“雙通道神經通路”模型尚處于理論假設階段,并未得到相關實驗驗證,但其為進一步揭示照明對個體情緒和警覺性影響的神經機制提供了重要的理論指導和實證依據。

此外,多數研究發現,單色光中藍光產生的非視覺作用尤為凸顯,主要表現為個體警覺性增加,工作效率提高,以及一些特殊群體的情緒問題得到明顯改善等(詳見前文所述)。隨著研究的深入,藍光對機體產生的非視覺作用背后的神經機制也逐漸明晰。黑視蛋白(Melanopsin)是一種表達在 ipRGCs上的感光色素,它具有直接感光特性,并通過視網膜下丘腦束一系列的信號級聯過程將光刺激信號傳遞至晝夜節律調控中心的視交叉上核(SCN),從而調節視交叉上核的神經活動(Qiu et al.,2005)。ipRGCs對機體非視覺效應的調節作用主要通過該感光色素來完成。研究發現,黑視蛋白對波長在 460～480 nm范圍內的藍光光譜最為敏感,而對其他單色光的光譜敏感性相對較低(e.g.Dacey et al.,2005;Hattar,Liao,Takao,Berson,&Yau,2002;Hankins,Peirson,&Foster,2008;Sekaran,Foster,Lucas,&Hankins,2003);相反,在傳統感光系統中,感光細胞對波長在 505～560 nm的綠光敏感性最強,其他相對較弱(Solomon &Lennie,2007)。這種黑視蛋白對藍光光波最為敏感的反應優勢使得藍光與其他單色光相比更易產較強的非視覺作用,這也是臨床上普遍使用藍光來治療 SAD的主要原因。但是,藍光到達 ipRGCs上的黑視蛋白后對情緒和認知的具體作用路徑及其內在神經機制,以及是否會因光波波長(藍光波長范圍約為460～480 nm)、光子密度(photon density)、光照時長(duration)的不同而誘發不同的非視覺效應等問題目前仍無明確定論,需要該領域研究者投入更多的時間和精力進行挖掘和探討。

圖2 雙通道神經通路(Rautkyl? et al,2012)

4 未來研究方向

4.1 擬合模型,量化結果

光與身心的關系作為一個新興的跨學科研究領域近年來頗受關注。研究發現,無論是自然光還是人造光都會對人類的視覺或非視覺作用產生重要影響。盡管從宏觀上看,照明對人類非視覺的調節作用主要表現在生物節律、睡眠調節、認知加工、情緒以及社會行為等方面,但微觀上依舊難以準確把握這種影響程度的大小,以及如何調控照明環境使其積極作用達到最大化和最優化。換句話說,即如何將照明對睡眠、情緒、甚至社會行為等作用程度定量化,例如：若想通過調節室內照明環境來提高夜間工人的工作效率和主觀警覺性,根據前人研究可選擇3000 lx照度來創設照明環境以提升員工的警覺性和工作效率(Kretschmer,Schmidt,&Griefahn,2013),也可選擇2000 lx照度產生類似效果(Juslén,Verbossen,&Wouters,2007),甚至相對較低的 1000 lx照明同樣能夠達到提升績效的作用(Smolders et al.,2012)。照此類推,是否4000 lx、5000 lx及更高的照度水平均可以作為提升夜間工作效率和警覺性的參數指標(1000 lx ≤ 照度 ≤ ∞)？若是如此,哪種照明條件下的工作效率最佳,警覺性最高？不同工種(context)、光照時間、相關色溫、光照時長以及視疲勞等又在多大程度上影響照度水平的選擇？這些問題并非利用單一的因果關系實驗就能完全解決,須通過構建統計模型將測得結果進行擬合量化比較,實現精準測量與結果分析,根據擬合結果找出不同工作環境下的最優照明參數。正如 Figueiro所說,要想真正理解照明與人類身心健康之間的內在關系關鍵在于弄清照明對不同情境下機體身心變化的影響程度,即開展量化研究(Figueiro,2013)。

4.2 照明與高級認知

以往研究多在關注照明對人們的基本認知活動(如工作記憶、分配注意、集中注意、問題解決能力等)產生的積極作用,而對于較高級的認知活動(如邏輯推理、想象、聯想能力等)是否也能通過外在照明環境的變化得到提升以及提升空間大小等尚未有人進行專門探討。根據前人研究可推斷,個體在加工簡單的認知任務時利用外在照明環境能夠幫助其激發一定的心理能量用以補充不斷消耗的認知資源,以促進該認知任務的完成(如前人研究中使用的警覺性任務,注意加工任務,簡單的工作記憶任務等)。但這些被激發的心理能量是否足以補充高級認知活動中所消耗的認知資源則很難進行判定,亦或是那些高級的認知功能更多的與后天學習、訓練有關,僅僅通過光照來誘發短暫而有限的心理資源遠不足以達到改變或提升高級認知加工績效的目的。此外,高級認知加工往往伴隨著認知任務難度也相應加大,那么照明與認知加工難易程度又會存在何種關聯,是線性相關(即隨著認知任務難度增大,照明水平隨之升高才能發揮促進作用),還是曲線相關(類似倒 U曲線,即隨著任務難度由易到難,照明水平出現“上升——趨于平穩——下降”趨勢),或是并無任何關聯。總之,人的心理活動復雜多樣,認知操作也有難有易,有繁有簡,單純的選擇某個或某些認知加工任務來考察照明對心理活動的影響尚顯偏頗,結論缺乏說服力。因此,多角度、系統性地探究照明在認知活動方面的作用將成為該領域未來發展的主要方向之一,同時也將為創設舒適合理的照明環境提供客觀的理論指導和實驗依據。

4.3 動態照明的潛在優勢

人的身心狀態無時無刻都在變化,即便同一天內在不同時段下個體的身心狀態也會相差甚遠,比如早上較清醒,中午易困倦,晚上最疲憊;即使在同一天的同一時間段內,人們通常要進行多種不同性質的活動(體力、腦力、娛樂活動等),生理、心理隨之產生的變化也不盡相同。個體身心狀況的這種動態變化在一定程度上對室內光環境提出了不同的照明需求,因此,在結合人們身心變化規律和生物節律的基礎上,創設動態的照明條件使之適應身心的階段性變化以保證機體處于最佳學習和工作狀態就顯得尤為必要。所謂動態照明是指在某一時段內根據人們的生理節律和活動特點來調控照明環境的照度或色溫使之有利于促進當前活動的高效完成、提高機體警覺性及主觀幸福感等(Canazei,Dehoff,Staggl,&Pohl,2014;Moeller et al.,2011),它是與靜態照明(指室內照明始終固定在某一參數水平)相對而言的一種新型照明方式。有研究提出,根據學校學生一天的上課、考試及娛樂等活動情況,在不同時間段內創設不同的照明環境使之與學生課內外活動一一對應,可以增加學生的課堂學習積極性,提高考試時的警覺性,以及在進行娛樂活動時能夠更好的放松和休息(Sleegers et al.,2012)。除學校之外,工廠、商店、醫院等不同的工作場所都可考慮結合工人、顧客和病人的生理、心理狀態及活動情況運用動態化的智能照明方式,特別是利用當前先進的LED(light emitting diode)照明技術創設具有針對性的動態照明環境,在滿足基本照明需求的同時充分激發照明的非視覺作用,促進身心健康發展。

5 小結

照明與人類的生活息息相關,它不僅為人類知覺物體大小、顏色、辨別方位等提供了基本的視覺功能,而且還直接或間接的對人類的生理、心理活動產生重大影響。合理的照明環境有利于提高個體的工作記憶能力、注意力、問題解決能力以及緩解情緒情感障礙(SAD)等。與視覺作用相比,照明的非視覺作用更具理論與實踐意義,但由于前人在實驗方法、研究對象、照明環境操控等方面仍存在較大不足,使得照明的非視覺作用及其背后的神經機制研究相對零散、缺乏系統性。因此,未來研究需更加全面、深入的挖掘照明在非視覺功能(e.g.認知、情緒、社會行為,生物節律)方面的表現,運用先進的認知神經科學技術探究其背后的神經機制,構建統計模型,量化研究結果。此外,動態照明,特別是 LED新型綠色光源的使用可有效彌補靜態照明的不足,有利于結合實際情境創設個性化的照明環境以滿足特殊需求,促進身心健康發展。

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