節律刺激值和相對色溫對警覺性的影響

劉 余，周志賢，羅 明

(1.浙江大學光電科學與工程學院顏色工程實驗室，浙江 杭州 310000； 2.歐普照明股份有限公司，上海 200120)

引言

眾所周知，照明光源會影響視覺表現，晝夜節律系統，任務表現和情緒。基于此，國際照明委員會(Commission Internationale de L′Eclairage, CIE)[1]提出了包含三類視錐細胞、視桿細胞和視網膜特化感光神經節細胞(Intrinsic photosensitive retinal ganglion cells (ipRGC))5個光視素的敏感度曲線，等效照度值分別為Elc、Emc、Esc、Er和Ez。Rea等[2]提出的節律刺激值(Circadian Stimulus，CS)模型。節律刺激值由節律光轉換而來，節律光基于夜間褪黑激素抑制的有效刺激值。許多實驗使用CS作為參數實施實驗。本團隊Wang等[3]研究了照明光源對三個不同年齡段(兒童，青年，老年)的人的工作效率的影響。結果發現在更高的CS誘發更佳的任務表現。 本團隊Ye等[4]的研究結果顯示高CCT高CS的動態光使得被試工作表現更佳。

許多光生理實驗在夜間研究。Nagare等[5]研究了CS值為0.25的2 700 K和5 600 K的光，結果顯示5 600 K光源條件下褪黑激素濃度顯著低于2 700 K條件。Plitnick等[6]從 23:00—03:30研究了四個實驗光條件，兩種光譜(藍和紅)，兩種照度水平(10 lx、40 lx)。結果顯示相較于黑暗光，紅光和藍光會增加beta波，降低睡意。也有其他實驗研究光在早晨或下午對人的影響。Sahin等[7]發現從早07:00—17:00在紅色燈光下被試反應時長降低，白光下alpha波降低。Hartstein的結果[8]顯示相對于低CCT(3 500 K)，在高的CCT條件下(5 600 K)可以提高女性任務轉換測試 (task-switching test) 以及男性go/no-go 任務的反應時間。

因為CS模型基于燈光對夜間褪黑激素抑制濃度建立，所以CS模型是否適用于白天的情形未知。雖然燈光在白天的對人類的警覺性影響被廣泛研究，但是結果并不如夜間的結論一致。本實驗的目標是研究CS和CCT均不同的光源在不同時間段對任務的表現，警覺性及晝夜節律對其影響。

1 研究方法

1.1 光源條件

實驗在浙江大學一辦公室中進行，實驗環境如圖1所示。照明光源是常州千明智能照明科技有限公司生產的10個LEDcube?。JETI-Specbos 1211光譜輻射計用于測量光譜，光譜參數如表1所示。

實驗條件的選擇主要是依CCT與CS的分布而設計。CCT包含一般商業上用的3 000 K， 4000 K及5 000 K對應暖、中和冷三種。而CS分成三個等級：低(0.2～0.3)， 中(0.3～0.4)及高(0.4～0.5)。4 000 K 有三個實驗光源，3 000 K與5 000 K只有兩個實驗光源，共七個實驗光源。在實現這些光源時，希望在一個CCT下，盡量達到CS的界限值，同時使眼位照度固定在500 lx，Ra能達到80，Duv趨近于零。每個實驗光源均有代碼，便于討論實驗結果。如3L代表3 000 K 低CS 實驗條件。

圖1 實驗環境Fig.1 The experimental environment

表1 實驗光源參數Table 1 The lighting conditions parameters

1.2 實驗流程

共15個被試(9男6女；22.1±1.7 歲)參加實驗。所有招募被試均無諸如高血壓、抑郁癥和糖尿病等健康問題，也無色盲色弱和其他眼睛健康問題。實驗期間(共兩個月時間)被試不允許攝入酒精、咖啡因和其他處方藥。在實驗正式開始前一天被試要到達實驗室熟悉實驗流程和任務。他們要求達到穩定的反應時以減少練習效應。被試們要在同一時間段參加7次實驗，每次實驗之間間隔至少4天的洗脫期，以避免由前一個光源造成的任何潛在影響。其中7個被試參加早上8:20—12:00的實驗，8個被試參加晚上19:20—23:00的實驗。

借鑒之前的經驗[3], 效果較佳者被選用。本實驗一共采用6種測試方法，包含唾液樣本收集，d2注意力測試，側抑制任務，孟塞爾色棋以及閱讀。實驗流程如圖2所示。實驗開始被試在黑暗環境下靜坐0.5 h。在接下來的3 h中，唾液樣本和問卷每0.5 h收集一次數據，被試每隔1 h完成側抑制任務，d2 注意力測試和閱讀。被試在實驗開始和結束各完成孟塞爾色棋一次。

圖2 實驗流程Fig.2 The experimental procedure

唾液樣本收集時，被試需要咀嚼棉球2 min，然后置于收集容器內。實驗結束后，唾液樣本儲存在實驗室冰箱-20 ℃條件下。

d2注意力測試(the d2 test)是一個尤其有效的測量注意力的方法。d2注意力測試每張共14行，每行47個字符，要劃掉所有字母為d，上下豎杠加起來總共是兩個的符號。忽略掉字母為p或是上下豎杠加起來不為2的d字母。被試需要在20 s內處理盡可能多的目標符號。兩行包含94個符號要求被試在20 s內完成。實驗中記錄被試的完成率和錯誤率。

側抑制任務(Eriksen flanker test)用于評估被試疲勞程度。該測試有288個刺激源，每個刺激源在屏幕上呈現70 ms，刺激源之間隨機間隔2 000～2 500 ms。被試要判斷目標字母，也就是中間的字母是“H”還是“O”并按下相應的鍵。

腦電波(Electroencephalogram, EEG)活動常用于衡量疲勞程度。腦電波數據由eemagine Medical Imaging Solutions GmbH 公司生產的32通道的腦電帽記錄。采樣頻率為500 Hz。本實驗中主要分析被試閱讀時Fz位置的腦電波信號。

孟塞爾色棋(Farnsworth Munsell 100 hue test)用于檢測顏色分辨能力。色棋由4個托盤組成，共85個可移動的色相棋子，被試按顏色順序放置色棋。錯誤得分作為實驗結果記錄。

閱讀材料由實驗室提供，被試靜坐在實驗燈光下閱讀20 min，并且下巴放置在下顎托上減少頭部移動。

2 結果與討論

IBM SPSS Statistics 22 software?用于實驗分析。所有實驗數據是經過均歸一化后得到。每個時間點的EEG數據減去初始黑暗環境適應期的數據，其他測試結果均減去黑暗環境適應結束后第一次收集的數據。所有測試均用一般線性模型中的重復測量方法分析， “光源×時間”作為被試內因素，時間段(早上和晚上)作為被試間因素。主要結果總結如下：

2.1 皮質醇含量

皮質醇含量高，代表警覺性越強。實驗結果如圖3所示，皮質醇含量有顯著的時間(時間段差異)主效應(F(6,72)=15.444,P<0.001)和時間段(早晚差異)主效應(F(1,12)=7.898,P=0.016)。皮質醇水平隨著暴露在光下時長增加逐漸下降，且早上的皮質醇水平比晚上的皮質醇水平下降得更劇烈。此與皮質醇節律相關，早上皮質醇含量(平均0.279 μg/mL)比晚上(平均0.104 μg/mL)高，較能展現時間段差異。

2.2 d2注意力測試

完成率有顯著的時間主效應(F(2,26)=21.306,P<0.001)。黑暗適應期結束后第一次測試的完成率顯著小于暴露在光下1 h和2 h后的完成率，表示長時間暴露在光下會比黑暗環境結束后警覺性更高。光×時間段的事后比較結果顯示(見圖4)無論早上還是晚上，被試的完成率在3H光源下高于3L光源，4H光源下高于4M光源高于4L光源，5H光源下高于5L光源，表示在高CS光源下被試警覺性更高。在早上被試的完成率在5H光源下高于4H和3H光源，早上在高CCT光源下被試警覺性更高。這與預期的結果一致，高CS與高CCT能提高警覺性。

圖3 皮質醇含量在早上和晚上隨時間變化Fig.3 Cortisol concentration changes with time in the morning and evening

圖4 早上和晚上七個實驗光源下d2注意力測試的完成率Fig.4 Processing rate of the d2 test under seven lighting conditions in the morning and evening

2.3 側抑制任務

反應時有顯著的時間主效應(F(2,26)=4.752,P=0.043)，結果顯示在光下暴露2 h反應時顯著小于前兩次測試。光×時間段的事后比較顯示(見圖5)，無論早上還是晚上被試的反應時在4H光源下高于4M光源少于4L光源，5H光源下少于5L光源，該實驗結果顯示在高CS光源下被試警覺性更高。在早上，5H光源下被試反應時少于4H和3H光源；在晚上，5H和4H光源下被試反應時少于3H光源，這顯示高CCT光源下被試警覺性更高。

圖5 早上和晚上7個實驗光源下側抑制任務的反應時Fig.5 Reaction time of Eriksen flanker test under seven lighting conditions in the morning and evening

2.4 EEG

Fz點的beta/alpha波有顯著的時間主效應(F(3,15)=8.075,P=0.019)，暴露在光下被試的beta/alpha波顯著高于黑暗環境適應下的beta/alpha波，顯示暴露在光下時被試更警覺。光×時間段的事后比較顯示(見圖6)，無論是早上還是晚上被試的反應時間在4H光源下高于4M光源少于4L光源，5H光源下少于5L光源，該實驗結果顯示在高CS光源下被試警覺性更高。在早上被試的完成率在5H光源下高于4H，4H高于3H光源，早上在高CCT光源下被試警覺性更高。

2.5 孟塞爾色棋

實驗結果如圖7所示，孟塞爾色棋的錯誤分數有顯著的時間主效應(F(3,15)=8.075,P=0.019)，事后多重比較被試在3L和3H條件下的錯誤分數高于其他光條件(ps<0.03)。

圖6 早上和晚上7個實驗光源下腦電波beta/alpha能量Fig.6 Beta/alpha power of EEG under seven lighting conditions in the morning and evening

圖7 早上和晚上7個實驗光源下孟塞爾色棋錯誤得分Fig.7 Error score of Farnsworth-Munsell 100 hue test under seven lighting conditions in the morning and evening

3 結論

本文主要研究了CS和CCT均不同的光源在不同時間段對被試的任務表現、辨色能力和警覺性，以及晝夜節律對其影響。結果顯示，多數結果顯示有時間主效應，這意味著被試長時間暴露在光源下會比黑暗適應期結束時更清醒。d2注意力測試，側抑制任務和EEG結果顯示無論早晚高CS和高CCT光源下被試感覺更加清醒。孟塞爾色棋結果顯示早上和晚上低CCT下被試辨色能力差。未來的任務是將不同數據庫資料整合，建立數學模型，了解CS與CCT對人警覺性的影響。