照明的非视觉作用及其脑神经机制*

朱莹莹 汝涛涛 周国富,2

(1华南师范大学心理学院,广州 510631)(2华南师范大学华南先进光电子研究院,广州 510631)

照明,作为人类日常工作、生活环境中的重要构成要素之一,为我们看清物体的大小、颜色、辨别方位等提供了基本的视知觉保障。除此之外,越来越多的研究发现照明(指人工照明)还可在某种程度上满足机体的生理、心理需求,促进人类的身心健康发展,譬如改善睡眠质量、提高工作效率、缓解消极情绪、增加主观幸福感等(e.g.Boyce,2003;Figueiro,2003;Hanifin &Brainard,2007;LeGates,Fernandez,&Hattar,2014;van Gelder,2008;Warthen &Provencio,2012),这种对视知觉以外的身心状态产生的直接或间接影响即为照明的非视觉作用(nonvisual effect)。近年来,照明的非视觉作用日益引起科研工作者的广泛关注和强烈兴趣,并将其与视觉作用一起作为评价照明质量高低(好坏)的两大参照标准(Sato,1996)。

早期,科学家们一致认为人类视网膜上只存在两种感光细胞——视杆细胞和视椎细胞,人眼通过这两类细胞进行视觉体验(明视觉和暗视觉)。直到 2002年,美国 Brown大学的 Berson,Dunn和 Takao(2002)在实验中发现了哺乳动物视网膜上实际存在着第三类感光细胞—内在光敏感性视网膜神经节细胞(ipRGCs),该细胞主要分布在视网膜最内层,能够表达黑视蛋白(ipRGCs的主要感光色素)且数量极少,并与调节生理节律的视交叉上核(SCN)存在密切的神经投射关系(Berson et al.,2002)。传统感光系统(由视椎和视杆细胞组成)的作用机制已经得到了大量实验研究,结果显示该系统主要负责知觉物体颜色、大小、明暗,空间方位等视觉特征(e.g.Cao,Pokorny,Smith,&Zele,2008;Lee,Pokorny,Smith,Martin,&Valberg,1990;Sun,Pokorny,&Smith,2001a,2001b)。而以ipRGCs为代表的新型感光系统则主要对机体的生物节律、褪黑素分泌、个体行为反应及情绪状态等非视觉作用产生显著影响,其最直接的证据来自于对盲人和失明啮齿动物(视椎和视杆细胞缺失)的研究,实验结果发现在视杆和视椎细胞受到严重损坏或被完全移除的情况下,机体的视知觉功能基本丧失,但其周期节律仍然保持正常或较少受到影响(Foster et al.,1991;;Provencio,Wong,Lederman,Argamaso,&Foster,1994),甚至通过特殊光照能够将机体生物钟重置(Zaidi et al.,2007);但完全摘除眼球或 ipRGCs中黑视蛋白缺失的大鼠则会出现生物节律紊乱,睡眠调节功能失常等现象(Lucas et al.,2003;Lupi,Oster,Thompson,&Foster,2008;Tsai et al.,2009)。这些结果表明ipRGCs是一种有别于传统感光细胞的新型光感受器,且主要负责调节机体视知觉以外的非视觉效应(Berson,2003;Dacey et al.,2005;Peirson &Foster,2006)。总之,第三类感光细胞的发现打破了以往对于眼睛仅是视觉器官的观念,使人们开始逐步认识到人类视网膜上实际存在两种感光系统(视觉与非视觉感光系统),它们对个体的身心活动产生着不同作用和影响(见图1)。在提倡健康照明的今天,越来越多的研究者将注意力转移到照明对个体非视觉作用的影响及其背后的神经机制上,并试图通过实证研究将结果运用到如何创造理想的照明环境来满足人类的身心需求、增强生活幸福感等实际应用中(Custers &de Kort,2010;Smith &Eastman,2009;van Bommel,2006;Vandewalle et al.,2010;Wilhelm,Weckerle,Durst,Fahr,&Röck,2011)。

图1 光照射人眼后产生的视觉作用与非视觉作用示意图

色温1色温即光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时,黑体的温度称为该光源的色温,单位为K(开尔文),随着温度不同,光的颜色亦各不相同,黑体呈现由红—橙红—黄—黄白—白—蓝白的渐变过程,温度越高光谱中蓝色成份越多,而红色的成份相对越少。常见色温为2700 k～6500 k。、照度2照度是指单位面积内被照射物体所接收到的光通量,单位为勒克斯(lx)。照度越低表明光线越弱,反之越强。、显色性3显色性是指光源对于物体自然原色的呈现程度,通常用显色指数(Ra)表示。Ra的数值范围是0～100,越接近100,表示显色性越好。作为照明的三大重要属性,任何光环境的创设都离不开此三种属性的参数设定。其中,显色性作为评价光源对物体颜色还原度好坏的一个重要指标,其大小仅与我们对物体的颜色知觉(视觉作用)密切相关,通常情况下室内照明环境的显色性越高越好。基于此,前人重点围绕色温和照度对光源的非视觉作用开展了一系列的实证研究,且取得了较有价值的科研成果。本文旨在对这些研究成果进行归纳和总结,并结合当前研究存在的缺憾和不足指出未来发展方向。

1 照明对生理变化的影响

1.1 影响褪黑素分泌,调节睡眠

褪黑素(melatonin)是大脑松果体在生理条件下分泌的一种胺类激素,它与多种生理活动密切相关,如中枢神经系统、生殖系统、免疫系统等(Claustrat,Brun,&Chazot,2005)。在所有对褪黑素分泌产生影响的因素中,外界光照变化无疑是自然环境中影响其分泌的最主要的因素。多数研究发现,利用强光照射(e.g.5000 lx)可以有效抑制褪黑素分泌,提高个体的警觉性、身体温度等;相反,在完全黑暗或弱光环境下(e.g.50 lx),褪黑素分泌量显著增加,此时个体易出现疲劳、乏力、欲睡等现象(Badia,Myers,Boecker,Culpepper,&Harsh,1991;Lall et al.,2010;Panda et al.,2003)。Morita和Tokura发现除照度外,高色温的照明环境(偏蓝色的冷白光)同样可以有效抑制褪黑素分泌,尤以夜间的抑制作用最为明显(Morita &Tokura,1996)。对于轮班制工作人员而言,由于夜间褪黑素分泌量大幅提升使个体睡眠压力增大,严重影响工作效率,研究发现创设高照度的照明环境能够有效抑制褪黑素分泌,缓解睡眠压力,进而提升工作效率(e.g.Cajochen,Zeitzer,Czeisler,&Dijk,2000;Gabel et al.,2013;Lockley et al.,2006;Yoon,Jeong,Kwon,Kang,&Song,2002)。除了复合光(白光)外,单色光(单一频率或波长的光,如红光、蓝光、绿光等)对褪黑素的影响也不尽相同,例如：红色光对褪黑素的抑制力相对较弱,因而个体接受红光照射一段时间后易于快速进入深度睡眠状态;相反,人眼视网膜比较敏感的蓝、绿色光则对褪黑素分泌的抑制作用相对较强,特别是在蓝色光环境下个体的主观警觉性、工作效率等均会出现明显提高(Cajochen et al.,2005;Plitnick,Figueiro,Wood,&Rea,2010)。总之,无论是复合光还是单色光照明均能在一定程度上对人类松果体内褪黑素的分泌起到良好的促进或抑制作用,该方面的研究也为光照在临床上的应用提供了坚实的理论基础和实践依据。

1.2 调节生物节律,维持正常活动状态

人类在很早以前便形成了“日出而作,日落而息”的生活规律,一旦该活动规律被打破或受到严重干扰(如轮班,倒时差,夜间加班等)则会引起身体不适、情绪紊乱,工作效率下降等负面反应。这种负面反应的出现主要是因体内的“生物钟”(circadian clock)被打乱所致。人体的生物钟系统主要包括视网膜、下丘脑视交叉上核(SCN)和松果腺(PG),这些神经结构的相互作用调控着人体的生理和行为节律,其中视交叉上核受到来自外界环境因素(如光照周期信号)和机体自身机制(如一些化学物质)的双重调节,是生理节律最主要的起搏器(Figueiro,2003)。

研究发现,利用人工照明可以有效调节个体的生物节律,维持正常生理活动。Avery等人在实验中发现当在个体黎明起床前 90分钟时逐渐对其施加局部照明(最大值为 250lx)可有效促进觉醒、恢复主观意识(Avery,Bolte,Wolfson,&Kazaras,1994)。此外,Figueiro和Rea(2010)为考察不同季节傍晚间的自然光照对青少年夜间作息规律的影响,随机挑选了16名青少年分别在冬、春季节对其进行一周的傍晚光照测查,结果发现,不同季节内的自然光照差异对青少年的夜间作息规律存在显著影响,即与冬季相比,青少年由于在春季傍晚受到更多的自然光照射,导致夜间的休息时间明显延迟且睡眠时间相对缩短,致使第二天的学习和工作无法得到保障,因此研究者建议可根据季节变化适度减少青少年的夜间照明量及照明持续时间来保证其正常的睡眠时长和作息规律。随后,Martinez-Nicolas等人利用24h循环照明检测装置经过一周的追踪研究进一步证实了光照与机体周期节律的内在关联性,他们发现个体接收的平均晨光量,光线质量等与自身周期节律存在显著正相关(Martinez-Nicolas,Ortiz-Tudela,Madrid,&Rol,2011)。

此外,有研究者还比较了不同单色光对人体生物节律的影响,且普遍认为蓝色光对机体周期节律影响最为明显(Berson,2003;Dijk &Archer,2009;Vandewalle,Gais,et al.,2007;Vandewalle,Schmidt,et al.,2007)。蓝光对周期节律的调节作用与 ipRGCs中的黑视蛋白不无相关,后者是一种表达在 ipRGCs内且数量有限的感光色素,对光谱分布中的蓝光最为敏感,其主要参与调节机体的周期节律、认知加工、情绪变化等非视觉反应(Güler et al.,2008)。

上述研究说明了高照度的灯光照射或蓝光照明均可在短时间内起到调节内在生理节律,促进个体清醒、保持正常的活动状态等作用。但对于复合光与单色光究竟何种光源对机体生理节律的调节作用更显著或二者结合使用是否可达到最佳效果目前尚未有类似的比较与讨论,也未形成一致结论,仍需进一步探讨。

2 照明对心理活动的影响

2.1 认知加工

照明的非视觉作用的另一个重要表现即为对心理活动的影响,尤其是在认知加工和情绪调节方面。近年来,多数研究发现照明对个体的工作记忆、注意、问题解决、警觉性等基本认知活动均存在显著影响。例如,Kretschmer等人对老年人在夜间睡眠剥夺情况下照明对其认知加工的影响做了一系列研究,实验中色温保持恒定(4000 k),要求被试在不同照度光环境中(高 3000 lx vs 低300 lx)完成工作记忆(2-back task)和若干注意任务(选择注意、分配注意、持续性注意任务),各照明条件连续测量三个晚上(每天10 p.m.～ 04 a.m.为施测时段),将智力作为协变量进行统计分析,结果发现：高照度照明条件下被试的工作记忆、分配注意的反应正确率明显高于低照度照明环境,而选择注意和持续性注意任务则不受照明环境的影响,成绩差异不显著(Kretschmer,Griefahn,&Schmidt,2011;Kretschmer,Schmidt &Griefahn,2012)。Veitch曾就认知作业在不同光照环境下未出现显著差异的原因做出过猜测,他认为照明对认知任务的影响可能具有选择性,即并非所有认知加工任务都会受到照明环境的影响,与任务难度、解决技巧和后天训练等因素密切相关(Veitch,2001)。同样是针对老年人的研究,Riemersma-van der Lek等人(2008)发现高照度照明环境(1000 lx)有利于减缓老年人的认知功能衰减速度,特别是对患有阿尔茨海默症的老年人效果最为明显。

不同照度水平下个体的警觉性及与警觉性相关的认知加工也会产生明显差异(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任务(简单的听觉反应时任务)考察被试在无睡眠压力下室内照明环境对其警觉性的影响,结果发现与低照度光环境相比(200lx),被试在高照度光环境下(1000lx)的反应更快,警觉性更高(Smolders,de Kort,&Cluitmans,2012)。随后,Smolders等进一步研究发现,高照度的照明环境不仅有利于提高个体的主观警觉性,还能够有效缓解大脑疲劳,促进精力恢复。他们通过若干认知任务比较了两组被试(精神疲惫组和正常状态组)在高、低照明环境下的反应差异,结果显示,随着照射时间延长,两组被试在高照度照明环境下的反应差距逐渐缩小,最后趋于一致,而低照度光环境下并未发现该趋势(Smolders &de Kort,2014)。

另外,也有研究者在控制室内标准照度基础上(正常室内照度一般在300 ～ 500 lx水平),通过调控光线色温来探究其对认知活动的影响。研究发现,与低色温照明环境(暖色光)相比,高色温(蓝白光)照明环境下被试的认知加工速度、学习效率以及主观警觉性等均出现明显提高(Ferlazzo et al.,2014;Mills,Tomkins,&Schlangen,2007;Revell,Arendt,Terman,&Skene,2005)。

近几年,单色光与心理活动的关系也开始受到广泛关注。例如,Lockley等人(2006)要求被试在分别接受固定时长(约6.5小时)的蓝(460 nm)、绿(555 nm)光照射之后立即进行警觉性作业,结果发现,被试在蓝光照射之后的警觉反应时和错误率均显著小于绿光环境下的警觉反应,表明蓝色光环境在一定程度上能够促进认知加工。而Vandewalle和Gais等人(2007)却并未发现蓝光对认知加工的促进作用,实验中要求被试在任意一种色光环境(蓝光473 nm vs绿光527 nm vs 紫光 430 nm)中(约1小时)完成 2-back 工作记忆任务,结果发现被试的工作记忆能力与光波波长无关,行为反应并无显著差异,并由此推断蓝光照明并非对个体的工作绩效或学习成绩有显著促进或提升作用,很可能是视觉对照明的主观敏感或随机反应所致。关于色光照明对人类认知行为的影响目前仍处于初步探索阶段,实证依据相对较少,从以往有限的研究中我们不难发现,色光对认知加工的作用还与光波波长(wavelength),照射时间点(timing),持续时间(duration),被照群体,个体的视觉状态(e.g.视疲劳)以及任务类型等因素密切相关。

2.2 情绪调节

情绪是机体对不断变化的外界环境所采取的适应模式,是一种主观体验,它具有很大的情境性、暂时性和激动性(彭聃龄,2004)。光照作为人类生存环境的一个重要组成部分,其与情绪的关系亦颇为密切。有研究指出无论自然光还是人造光,个体一年中接受到的光照量与其精力充沛度存在显著正相关,也就是说个体一年中接受到的光照越多其精力就越充沛,且该相关性不受被试性格特点、照射时间以及活动内容的影响(Smolders,de Kort,&van den Berg,2013)。

Baron,Rea和Daniels(1992)从照度和色温方面考察了照明对情绪的影响,结果发现只有在低照度暖色温(150 lx,3000 k)的照明环境下被试才表现出冷静、平和的积极情绪,而在其他照明条件下被试均无明显的情绪变化。而Knez却对此提出了不同看法,认为 Baron实验中由于光照时间过短(约 20 min)被试对照明环境无法进行充分感知和体验,加上实验开始前未对被试的初始情绪进行基线测评,因而研究结果仍存在争议。基于此,Knez(1995)利用三因素被试间设计(自变量分别为照度、色温和性别)系统考察了照明、情绪以及认知加工之间的关系。实验中要求被试在不同照明环境下分别完成四种认知任务(记忆与再认,问题解决,回忆任务,虚拟行为评定任务),并在实验前、中、后分别进行定时情绪测量(PANAS),结果发现：女性在暖色温(3000 k)照明环境中认知加工成绩(问题解决)显著好于在冷色温条件下的表现,同时消极情绪诱发最少;相反,男性则倾向于在冷色温(4000 k)照明下进行问题解决,且诱发的消极情绪较暖色温明显减少,此外研究还发现男性在冷色光下记忆与再认任务的反应成绩显著好于女性,而女性则在暖色光下更易发挥记忆优势,记忆成绩明显高于男性(Knez,1995)。由于实验方法的局限加上被试个体差异等因素的影响,该研究并未真正揭示出照明、情绪与认知加工之间的内在关系,但其结果在一定程度上丰富了该领域的研究成果,为后人研究提供了新视角和新方向。除性别差异外,照明对情绪的影响在年龄层面上也同样存在极大不同,如年轻人喜欢在暖色光下进行认知加工,且负性情绪诱发较少,而老年人则更偏好在冷白光照射下完成认知任务(Knez &Kers,2000)。

正是因为不同性别,不同年龄段的个体对周围光环境的差异化需求,从而要求生活中室内照明的设置不仅要满足基本的视知觉功能,更要满足个性化的心理需求,尤其是特殊群体的照明需求。比如,临床上普遍利用光疗技术来治疗季节性情感障碍患者的情绪紊乱问题,所谓季节性情感障碍(Seasonal Affective Disorder,SAD)是指一年中,随着季节、光照周期、天气气温等自然环境因素的变化,部分人群(女性居多)的自身情绪状态也会随之产生或多或少的影响,较明显的特征是季节性抑郁发作,即秋冬季抑郁情绪明显(Rosenthal et al.,1984)。 早在20世纪80年代已有研究者发现光照(即人工照明)可以有效缓解季节性情感障碍患者的抑郁症状(Rosenthal et al.,1984;Wirz-Justice et al.,1987)。Terman,Terman 和Ross,(1998)发现,光照强度与SAD的治疗效果密切相关,高强度的白光治疗优于一般弱光。Lewy等(1998)对治疗时间进行了追踪研究,结果显示,早上光疗的效果明显好于夜间,特别是早晨醒来后立即进行光疗,效果更佳(Lewy et al.,1998)。随着研究的不断深入,人们发现除白光外单一频率的色光对SAD症状也会产生显著影响,尤其是使用波长较短的蓝色光对 SAD患者照射一段时间后,其抑郁症状会得到明显改善(Anderson,Glod,Dai,Cao,&Lockley,2009;Craford,Holonyak,&Kish,2001;Glickman,Byrne,Pineda,Hauck,&Brainard,2006)。因蓝光能够有效抑制褪黑素分泌和调节生物节律(Lockley,Brainard,&Czeisler,2003),故与其他单色光相比成为治疗 SAD的理想光源,治疗效果更为显著(详见后文叙述)。此外,还有一些研究者提出光照对于非季节性抑郁症同样具有一定的治疗作用(Even,Schröder,Friedman,&Rouillon,2008;Golden et al.,2005;Martiny,2004;Oldham &Ciraulo,2014),但相比治疗SAD效果稍弱(Stewart,Quitkin,Terman,&Terman,1990;Thalèn,Kjellman,Morkrid,Wibom,&Wetterberg,1995)。Kripe(1998)和 Benedetti等人(2003)研究发现,光疗与药物结合使用可大大增强非季节性抑郁患者的抗抑郁效果。另有研究表明,利用强光照射还能有效减轻产前抑郁症患者的抑郁症状(Oren et al.,2002)。总体而言,光疗作为一种非药物治疗方法,经过30多年的研究和发展,已成为治疗季节性情感障碍的主要手段,其在临床上的应用也在逐渐扩大和细化。但目前国内在该领域的研究相对薄弱,诸多方面(如光照的最佳时间、治疗时长以及作用机制等)亟待开发和深入探索。

2.3 社会利他

前面已述,照明对机体的影响不仅体现在视知觉方面,正逐渐向生理、心理方面延伸,如生物节律,认知加工,情绪调节等。这些内在的生理、心理需求能够通过照明得到一定的缓解和满足。事实上,人类的外在行为表现,诸如人际交往、社会利他等在一定程度上也会受到光照环境的影响或制约。前人研究发现,个体在低照度、暖色温的照明环境下容易表现出较多的利他行为,如对他人态度更积极,自愿付出较多的时间去帮助他人,倾向于通过合作而非逃避的方式去解决人际冲突或矛盾;当人们在高照度照明环境下进行人际沟通时态度更随和,暴力行为或吵架行为明显减少(aan het Rot,Moskowitz,&Young,2008;Baron et al.,1992)。由此看来,社会交往中除了“人” “事”以外,“物”(主要指物理环境)也是影响社交能否顺利进行的重要组成部分。以照明为例,即：创设良好舒适的照明环境能够在某种程度上激发个体的积极、愉悦情绪,从而使人际沟通更加和谐、顺畅。从身心发展角度讲,理想、惬意的光照环境有助于促进儿童、青少年等社交能力的发展,培养正向的人际互动观。

由于当前照明在社会行为方面的研究相对较少,加上实验任务、被试群体等差异使得现有研究结果较为分散,缺乏系统性。此外,关于照明对社会行为影响背后的神经机制以及照明和社会行为是否存在第三变量(如情绪、动机)的中介作用等问题尚未明晰。故未来应从多角度全面分析照明与社会行为的关系,开展认知神经研究,同时注重理论结合实际,充分发挥照明在人际交往、社会活动等方面的积极作用。

3 照明的非视觉作用的脑神经机制

脑是人类身心活动的物质载体,人的任何心理、行为表现都受到大脑神经活动的调节。随着科研手段的不断发展,人们开始利用先进的认知神经技术(e.g.PET,fMRI,ERP,TMS)探测人类心理、行为背后的神经机制,照明的非视觉作用也不例外。早期,Perrin等人利用功能性磁共振成像技术(fMRI)发现被试在高照度照明条件下(>8000 lx)进行认知作业时,与警觉、注意等心理活动相关的顶-枕脑区(特别是顶内沟)被显著激活(Perrin et al.,2004)。随后,Vandewalle等人同样利用fMRI技术对照明诱发的非视觉作用背后的脑机制进行了一系列探索(see review Vandewalle,Maquet,&Dijk,2009),例如,2006年,Vandewalle等发现在高照度室内照明环境下(>7000 lx),被试完成听觉警觉性任务时,后丘脑及与注意相关的大脑皮层区得到明显激活,而在低照度光照环境下的相关激活并不明显(Vandewalle et al.,2006)。随后,Vandewalle和 Gais等人(2007)对单色光诱发的非视觉作用的神经机制进行了考察,结果发现,与绿色光相比,个体在蓝色光环境下加工工作记忆任务时会显著激活大脑前额叶、顶叶及丘脑等与工作记忆相关的脑区(Vandewalle,Gais,et al.,2007),特别是发现了脑干在调节蓝光与认知活动中的关键作用,尤其是位于脑干的蓝斑核在照明一开始便出现显著激活(Vandewalle,Schmidt,et al.,2007)。 近期,Vandewalle等人又提出,个体在不同色光环境下加工情绪信息时大脑活动亦存在明显差异,即：被试在蓝光照射下对情绪信息的反应更加敏感,海马、杏仁核、下丘脑等与情绪相关的脑区被显著激活,尤其是下丘脑后部在SAD患者中出现特有激活(正常被试组未发现该脑区激活);相反,在绿色光环境中情绪刺激只在照射刚开始时激活部分与情绪加工相关的脑区,但随着照射时间延长,激活程度逐渐减弱(Vandewalle,Schwartz,et al.,2010;Vandewalle et al.,2011)。同时,也有部分研究者(Grass &Kasper,2008;Lam et al.,1996;Rot,Benkelfat,Boivin,&Young,2008;Willeit et al.,2008)发现位于脑干中缝附近的中缝核团在照明的非视觉作用,特别是情绪调节方面也发挥着重要作用,该核团的主要特点是产生神经元的递质 5-羟色胺(5-HT),而大量研究表明5-HT与抑郁症的产生密切相关(Lemonde et al.,2003;Ruhe,Mason,&Schene,2007;Stockmeier et al.,1998;Szewczyk,Albert,&Rogaeva,2010),实验发现利用强光照射能有效提高中缝核内的5-HT含量及其合成率进而缓解抑郁症状(Willeit et al.,2008;Grass &Kasper,2008),该研究结果从脑机制层面进一步补充说明了临床上利用光照来治疗抑郁症的针对性和有效性。尽管利用具有高空间分辨率的 fMRI技术使我们对照明的非视觉作用背后的脑神经机制有了初步了解,但这对于全面系统认识其内在的庞大神经通路来说仅仅是冰山一角,许多问题仍需深入探索和解决,比如：诸多照明方面的影响因素,像光照时间点(timing)、持续时间(duration)、光谱分布(spectral distribution) 等与认知加工、情绪调节以及脑区激活的内在关系究竟如何;特殊群体(如 SAD患者,睡眠障碍者,学习困难儿童)在此方面的脑机制与常人又存在何种差异 。

照明对认知活动的影响也得到了来自电生理学方面的研究证据。关联性负变(contingent negative variation,CNV)作为事件相关电位(ERP)中反映人脑复杂心理活动的负走向电位,其波幅大小与个体对外部刺激的注意、期待、动机、朝向反应等心理活动有关,尤其与注意的保持能力关系最为密切(Walter,Cooper,Aldridge,McCallum,&Winter,1964)。CNV波幅升高表明个体的注意保持能力较强,反之则较差且易对无关刺激进行关注导致心理资源过度消耗(Timisit-Berthier,1991)。既然CNV可作为评估个体认知加工过程中注意力保持或警觉性的指标,那么关于照明环境对个体认知加工,特别是注意/警觉性的影响是否也能够通过CNV波幅变化予以体现？早在1992年Deguchi和Sato(1992)就使用经典的CNV任务范式考察了不同色温下(3000 k,5000 k,7500 k)诱发的CNV成分变化,结果发现,被试在高色温(7500 k)照明环境下诱发的CNV波幅明显高于低色温环境,表明高色温照明条件下被试注意保持能力相对较强,朝向反应更明显。该研究从电生理学角度说明了照明环境对机体心理活动确实会产生显著影响,特别是一些基本的认知功能,如注意、动机、朝向反应等,同时也为后人深入挖掘照明的非视觉效应背后的神经机制开辟了新路径,提供了新方向。

Rautkylä,Puolakka 和 Halonen,(2012)试图从“双通道神经通路”的角度来解析照明与个体主观情绪和警觉状态三者之间的关系(见图2)。该模型认为照明对个体警觉性的影响可能是直接的,也可能是间接的由情绪状态决定的,并由此提出双通道神经通路——大脑边缘系统(limbic system)和周期节律系统(circadian system)对其做出进一步解释。其中,边缘系统(如杏仁核)与个体的情绪体验、情绪刺激加工等有关,而警觉性作为注意的主要特征之一在一定程度上又会受到情绪状态的影响(Parasuraman,1998),所以照明对注意警觉性的作用可能是经由情绪脑区的诱发而产生;生物节律系统主要通过视交叉上核(SCN)调控褪黑素分泌来调节个体的警觉性(Rautkylä et al.,2012)。根据该模型理论,研究者可以通过分析两条平行神经通路在不同照明条件下的大脑激活模式与个体报告的主观情绪状态和警觉性的相应变化从而推断出照明、情绪、警觉性之间的内在联系。例如：有研究发现,即使机体在无褪黑素分泌或分泌较少的情况下(如白天),照明仍能提高注意的警觉性(Smolders et al.,2012),根据“双通道神经通路”模型可推断,该结果可能是光线照射视网膜后激活大脑边缘系统,特别是情绪加工脑区激活后诱发情绪变化进而导致警觉性发生改变。虽然Rautkylä等人提出的“双通道神经通路”模型尚处于理论假设阶段,并未得到相关实验验证,但其为进一步揭示照明对个体情绪和警觉性影响的神经机制提供了重要的理论指导和实证依据。

此外,多数研究发现,单色光中蓝光产生的非视觉作用尤为凸显,主要表现为个体警觉性增加,工作效率提高,以及一些特殊群体的情绪问题得到明显改善等(详见前文所述)。随着研究的深入,蓝光对机体产生的非视觉作用背后的神经机制也逐渐明晰。黑视蛋白(Melanopsin)是一种表达在 ipRGCs上的感光色素,它具有直接感光特性,并通过视网膜下丘脑束一系列的信号级联过程将光刺激信号传递至昼夜节律调控中心的视交叉上核(SCN),从而调节视交叉上核的神经活动(Qiu et al.,2005)。ipRGCs对机体非视觉效应的调节作用主要通过该感光色素来完成。研究发现,黑视蛋白对波长在 460～480 nm范围内的蓝光光谱最为敏感,而对其他单色光的光谱敏感性相对较低(e.g.Dacey et al.,2005;Hattar,Liao,Takao,Berson,&Yau,2002;Hankins,Peirson,&Foster,2008;Sekaran,Foster,Lucas,&Hankins,2003);相反,在传统感光系统中,感光细胞对波长在 505～560 nm的绿光敏感性最强,其他相对较弱(Solomon &Lennie,2007)。这种黑视蛋白对蓝光光波最为敏感的反应优势使得蓝光与其他单色光相比更易产较强的非视觉作用,这也是临床上普遍使用蓝光来治疗 SAD的主要原因。但是,蓝光到达 ipRGCs上的黑视蛋白后对情绪和认知的具体作用路径及其内在神经机制,以及是否会因光波波长(蓝光波长范围约为460～480 nm)、光子密度(photon density)、光照时长(duration)的不同而诱发不同的非视觉效应等问题目前仍无明确定论,需要该领域研究者投入更多的时间和精力进行挖掘和探讨。

图2 双通道神经通路(Rautkylä et al,2012)

4 未来研究方向

4.1 拟合模型,量化结果

光与身心的关系作为一个新兴的跨学科研究领域近年来颇受关注。研究发现,无论是自然光还是人造光都会对人类的视觉或非视觉作用产生重要影响。尽管从宏观上看,照明对人类非视觉的调节作用主要表现在生物节律、睡眠调节、认知加工、情绪以及社会行为等方面,但微观上依旧难以准确把握这种影响程度的大小,以及如何调控照明环境使其积极作用达到最大化和最优化。换句话说,即如何将照明对睡眠、情绪、甚至社会行为等作用程度定量化,例如：若想通过调节室内照明环境来提高夜间工人的工作效率和主观警觉性,根据前人研究可选择3000 lx照度来创设照明环境以提升员工的警觉性和工作效率(Kretschmer,Schmidt,&Griefahn,2013),也可选择2000 lx照度产生类似效果(Juslén,Verbossen,&Wouters,2007),甚至相对较低的 1000 lx照明同样能够达到提升绩效的作用(Smolders et al.,2012)。照此类推,是否4000 lx、5000 lx及更高的照度水平均可以作为提升夜间工作效率和警觉性的参数指标(1000 lx ≤ 照度 ≤ ∞)？若是如此,哪种照明条件下的工作效率最佳,警觉性最高？不同工种(context)、光照时间、相关色温、光照时长以及视疲劳等又在多大程度上影响照度水平的选择？这些问题并非利用单一的因果关系实验就能完全解决,须通过构建统计模型将测得结果进行拟合量化比较,实现精准测量与结果分析,根据拟合结果找出不同工作环境下的最优照明参数。正如 Figueiro所说,要想真正理解照明与人类身心健康之间的内在关系关键在于弄清照明对不同情境下机体身心变化的影响程度,即开展量化研究(Figueiro,2013)。

4.2 照明与高级认知

以往研究多在关注照明对人们的基本认知活动(如工作记忆、分配注意、集中注意、问题解决能力等)产生的积极作用,而对于较高级的认知活动(如逻辑推理、想象、联想能力等)是否也能通过外在照明环境的变化得到提升以及提升空间大小等尚未有人进行专门探讨。根据前人研究可推断,个体在加工简单的认知任务时利用外在照明环境能够帮助其激发一定的心理能量用以补充不断消耗的认知资源,以促进该认知任务的完成(如前人研究中使用的警觉性任务,注意加工任务,简单的工作记忆任务等)。但这些被激发的心理能量是否足以补充高级认知活动中所消耗的认知资源则很难进行判定,亦或是那些高级的认知功能更多的与后天学习、训练有关,仅仅通过光照来诱发短暂而有限的心理资源远不足以达到改变或提升高级认知加工绩效的目的。此外,高级认知加工往往伴随着认知任务难度也相应加大,那么照明与认知加工难易程度又会存在何种关联,是线性相关(即随着认知任务难度增大,照明水平随之升高才能发挥促进作用),还是曲线相关(类似倒 U曲线,即随着任务难度由易到难,照明水平出现“上升——趋于平稳——下降”趋势),或是并无任何关联。总之,人的心理活动复杂多样,认知操作也有难有易,有繁有简,单纯的选择某个或某些认知加工任务来考察照明对心理活动的影响尚显偏颇,结论缺乏说服力。因此,多角度、系统性地探究照明在认知活动方面的作用将成为该领域未来发展的主要方向之一,同时也将为创设舒适合理的照明环境提供客观的理论指导和实验依据。

4.3 动态照明的潜在优势

人的身心状态无时无刻都在变化,即便同一天内在不同时段下个体的身心状态也会相差甚远,比如早上较清醒,中午易困倦,晚上最疲惫;即使在同一天的同一时间段内,人们通常要进行多种不同性质的活动(体力、脑力、娱乐活动等),生理、心理随之产生的变化也不尽相同。个体身心状况的这种动态变化在一定程度上对室内光环境提出了不同的照明需求,因此,在结合人们身心变化规律和生物节律的基础上,创设动态的照明条件使之适应身心的阶段性变化以保证机体处于最佳学习和工作状态就显得尤为必要。所谓动态照明是指在某一时段内根据人们的生理节律和活动特点来调控照明环境的照度或色温使之有利于促进当前活动的高效完成、提高机体警觉性及主观幸福感等(Canazei,Dehoff,Staggl,&Pohl,2014;Moeller et al.,2011),它是与静态照明(指室内照明始终固定在某一参数水平)相对而言的一种新型照明方式。有研究提出,根据学校学生一天的上课、考试及娱乐等活动情况,在不同时间段内创设不同的照明环境使之与学生课内外活动一一对应,可以增加学生的课堂学习积极性,提高考试时的警觉性,以及在进行娱乐活动时能够更好的放松和休息(Sleegers et al.,2012)。除学校之外,工厂、商店、医院等不同的工作场所都可考虑结合工人、顾客和病人的生理、心理状态及活动情况运用动态化的智能照明方式,特别是利用当前先进的LED(light emitting diode)照明技术创设具有针对性的动态照明环境,在满足基本照明需求的同时充分激发照明的非视觉作用,促进身心健康发展。

5 小结

照明与人类的生活息息相关,它不仅为人类知觉物体大小、颜色、辨别方位等提供了基本的视觉功能,而且还直接或间接的对人类的生理、心理活动产生重大影响。合理的照明环境有利于提高个体的工作记忆能力、注意力、问题解决能力以及缓解情绪情感障碍(SAD)等。与视觉作用相比,照明的非视觉作用更具理论与实践意义,但由于前人在实验方法、研究对象、照明环境操控等方面仍存在较大不足,使得照明的非视觉作用及其背后的神经机制研究相对零散、缺乏系统性。因此,未来研究需更加全面、深入的挖掘照明在非视觉功能(e.g.认知、情绪、社会行为,生物节律)方面的表现,运用先进的认知神经科学技术探究其背后的神经机制,构建统计模型,量化研究结果。此外,动态照明,特别是 LED新型绿色光源的使用可有效弥补静态照明的不足,有利于结合实际情境创设个性化的照明环境以满足特殊需求,促进身心健康发展。

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