日间光暴露对睡眠的优化效果及作用机制.pdf
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1、心理科学进展 2023,Vol.31,No.9,16981713 2023 中国科学院心理研究所 Advances in Psychological Science https:/doi.org/10.3724/SP.J.1042.2023.01698 1698 日间光暴露对睡眠的优化效果及作用机制*何美亨1,2 汝涛涛2 李 乐3 李丝雨1,2 张辰泽1,2 周国富2,3(1华南师范大学心理学院 光与身心健康实验室,广州 510631)(2华南师范大学 国家绿色光电子国际联合研究中心,广州 510006)(3华南师范大学 华南先进光电子研究院,广州 510006)摘 要 光照作为最重要的授时
2、因子,对机体的昼夜节律与睡眠具有显著的调节作用。已有研究发现日间更多的光照暴露,特别是晨间高强度光照会显著促进个体的夜间睡眠,但这一优化效果会受到光照参数和个体特征等的调节。日间光照可以通过前置或延迟机体的生物节律进而对睡眠产生间接影响;而日光暴露是否会通过调节睡眠内稳态压力直接影响睡眠尚不明晰。未来研究可探究日光水平与时间对睡眠的交互影响,面向特定人群如长期室内办公者、轮班工作人员或睡眠障碍群体构建健康人因照明模式。关键词 日间光照,睡眠,健康照明,作用机制,生物节律 分类号 B845 睡眠对个体的成长和发展具有重要意义。但在现实生活中,存在睡眠问题如慢性睡眠限制、失眠或睡眠效率低下等的人群
3、范围越来越广且有低龄化倾向。有研究分析表明,睡眠障碍在我国十分普遍(Li et al.,2018;Lu et al.,2017),特别是在新冠疫情期间,睡眠问题尤为突出(Li et al.,2021)。而不良的睡眠又与情绪障碍(Emens et al.,2020)、高 血 压(Wang et al.,2020)、糖 尿 病(Cappuccio et al.,2010)等一系列身心健康问题密切相关。因此,改善睡眠品质,对于提升国民身心健康水平具有十分重要的社会价值。光照作为人们生活中必不可少的环境因素,无处不在。作为所有哺乳类动物内在生物节律最为重要的授时因子,环境光在调节机体昼夜节律的同时也会
4、对个体的睡眠产生影响(Blume et al.,2019;Prayag,Munch,et al.,2019)。研究发现,长 收稿日期:2022-08-21*广州市科技计划(2019050001;2021 to RT)、广东省光信息材料与技术重点实验室(2017B030301007)、广州市电子纸显示材料与器件重点实验室(201705030007)、国家高等学校学科创新引智计划 111 引智基地项目、华南师范大学心理学院研究生科研创新基金资助项目(PSY-SCNU202120)。通信作者:汝涛涛,E-mail: 期处于光线不足或不合理光暴露环境下,个体会出现生物节律紊乱、睡眠质量低下以及情感障碍
5、等健康问题(Khaing et al.,2019;van Duijnhoven et al.,2019)。为此,越来越多的研究者开始探讨日间光暴露与夜间睡眠的关系,而基于这些研究成果构建“以人为本”的室内健康照明环境(Human Centric Lighting,HCL)可以在满足个体视觉工作需求的同时,优化夜间睡眠、提升心理幸福感,不失为一种有效且重要的干预策略。因此,本文将从光照的生物节律效应的角度,对日间光照对夜间睡眠的作用效果,制约因素及潜在机理等方面进行系统梳理与探讨。1 光照的生物节律效应 光照通过视觉神经通路帮助我们形成视觉功能(Image forming function)的同
6、时,也会通过哺乳动物视网膜特有的第三类新型感光细胞内在光敏性神经节细胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells,ipRGCs)对个体心理功能产生显著的激活作用,如警觉性(Smolders et al.,2018;Souman et al.,2018)、认知功能(Huiberts et al.,2015;Ru et al.,2021)、情绪(Bedrosian&Nelson,2017;Ru,et al.,2019;李芸 等,2022)等,与此同时,也会对机体的激素分泌(Figueiro&Rea,2012)、in 第 9 期 何美亨
7、等:日间光暴露对睡眠的优化效果及作用机制 1699 生物节律和睡眠产生显著的调节作用(Cajochen,Freyburger,et al.,2019;Nie et al.,2020),这些被统称为光照的非图像视觉功效(Non-image forming function,NIF)(汝涛涛 等,2019)。其中,光照对生物节律和睡眠的调节又被称为光照的生物节律效应。2 光照对生物节律的调节 人类的睡眠觉醒周期是昼夜节律行为模式的一个突出表现(Blume et al.,2019),而光作为重要的授时因子,对这一睡眠觉醒周期具有重要影响(Dautovich et al.,2019)。位于下丘脑的视交
8、叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN)是人体生物节律系统的重要起搏器,光照通过 ipRGCs 将光信号传递至 SCN,从而对个体的生物节律进行调节。基于生物节律的角度,有研究认为光照对人类生理节律有两方面的影响:光照对褪黑激素的急性抑制反应和光照对昼夜节律相位的调节(Blume et al.,2019)。研究发现,环境光对生物节律的重置效果依赖于光照作用的时间。一方面,晨间光暴露可以前置个体生物节律相位(Dumont&Carrier,1997;Misiunaite et al.,2020)。如早期一项研究发现在接受为期 3 天的晨间亮光暴露(8:3013:30,600
9、013000 lx)后,被试的生物节律相位提前了约 1.2 小时(Dumont&Carrier,1997)。新近的一项研究发现,日间(8:0018:00)办公室采用优化动态光模式(早上最低为 500 lx,中午逐渐增加到最低1000 lx,下午降低且最高不超过 2500 lx)较之于传统办公照明模式显著提前了被试的褪黑素开始分泌时间(Benedetti et al.,2022)。另一方面,夜间光暴露则会延迟个体生物节律相位(Dumont&Carrier,1997;Hartstein et al.,2022;Khalsa et al.,2003)。如 Dumont 和 Carrier(1997)
10、的研究发现,在夜间光暴露下(18:3023:30,600013000 lx)被试的生物节律相位延迟了约 1.6 小时。另一项研究也发现在夜间持续 6.7 小时约 10000 lx 强光作用下个体褪黑素的相位反应时间延迟了约 3.6 小时(Khalsa et al.,2003)。由此提示,光照作为重要的授时因子,可以前置或延后机体的生物节律相位,从而间接对个体睡眠觉醒活动模式产生影响。3 光照对睡眠的影响 在探讨光照与夜间睡眠关系的研究中,研究者通常会采用客观和主观两种测量方式评估睡眠。主观睡眠一般通过睡眠日志、睡眠量表等测量,客观睡眠多通过佩戴腕表,或者通过睡眠测量的金标准多导睡眠监测仪(po
11、lysomnographic,PSG)等来监测。主观睡眠参数主要包括睡眠开始时间、入睡潜伏期、睡眠效率、睡眠时长和睡眠中点等;而通过 PSG 等设备的监测除了能获取上述指标外,还能获得不同睡眠结构特点与其他睡眠活动,如睡眠纺锤波数量、慢波睡眠(slow wave sleep,SWS)、快速眼动睡眠(rapid eye movement sleep,REMS)的持续时间与潜伏期等更加微观参数。此外,与睡意和警觉度密切相关的生化指标如褪黑素和皮质醇浓度等也是衡量睡眠的客观指标之一。光照的非视觉效应存在明显的时间效应(time of day)。因此,光照与睡眠的关系研究通常分为日间与夜间两个方面。3
12、.1 夜间光照对睡眠的影响 由于人工照明技术的迅速发展,人类“日出而作,日落而息”的自然行为模式早已被打破,人工白昼现象日益普遍,再加上夜间各类电子显示产品的广泛使用,对人们的睡眠健康产生了极大危害。总体而言,研究结果较为一致地提示,夜间光暴露会对睡眠产生负性影响,包括延长入睡潜伏期、减少深度睡眠的时长、增加夜间睡眠扰动等(Cho et al.,2018;Cho et al.,2013;Obayashi et al.,2014)。早期一项研究发现夜晚的光照水平越亮,暴露时间越长,个体进入睡眠的准备时间则越长(Obayashi et al.,2014)。与之类似,一项实验室研究采用 PSG 监测
13、被试在整晚暗光暴露下(40 lx)的睡眠情况,结果发现,尽管光照强度很低,但较之于接近黑暗的控制条件,被试 N1 期睡眠时长与清醒次数显著增加,慢波睡眠显著减少(Cho et al.,2013)。此外,个体视网膜上的 ipRGCs的最敏感波长接近蓝光,夜间短波长蓝光或富含蓝光的复合白光暴露会睡眠产生更大的干扰。如最近一项研究考察了夜间在相同照度(160 lx)下,睡前 1 小时(21:3022:30)不同蓝光含量的复合白光(2000 K vs.6000 K)暴露对青少年睡眠的影响。结果显示,与低蓝光环境相比,持续 10 天的富含蓝光环境作用下青少年的睡眠质量显著更低,次日晨间主观警觉性也显著更
14、低(Wen et al.,2021)。而上述这种蓝光危害即使在很低强度的光线下也依然显著。如睡前使用 iPad 阅读两小时(30 lx,峰值在450 nm)较之于纸质书阅读(3 lx,峰值在in 1700 心 理 科 学 进 展 第 31 卷 612 nm)足以导致显著更低的睡前睡意、更长的入睡潜伏期、更短的 REM 睡眠时长和次日晨间更高的困倦水平(Chang et al.,2015)。而夜间光照对睡眠的影响被认为主要是通过延迟机体生物节律、抑制褪黑素分泌等生理过程来产生(Blume et al.,2019)。3.2 日间光照对睡眠的影响 3.2.1 日间光暴露与夜间睡眠的相关研究 不同于夜
15、间光照对睡眠的负面影响,研究发现日间光照能够显著改善夜间睡眠质量。如研究者考察了在真实生活情境中,日间光照强度对绝经后妇女情绪和睡眠的影响,结果发现,日间平均光照强度与主客观睡眠潜伏期、主观入睡困难、客观入睡后清醒次数等指标呈负相关,同时与主观抑郁评分呈负相关(Youngstedt et al.,2004)。另一项研究结果发现,24 小时内的平均光强度与有晚睡偏好的青少年客观入睡时间及次日清醒时间呈负相关;最后暴露在10 lx 的时间与客观入睡时间呈正相关,与主客观的整体睡眠时长呈负相关(Gasperetti et al.,2021)。此外,有田野研究考查室内办公环境中员工日间光暴露与睡眠的关
16、系,结果发现,日光暴露总量与主观睡眠质量呈正相关(Hubalek et al.,2010)。而 Boubekri 等人(2014)的研究进一步发现,靠窗工位办公的员工会接触到更多光线,主观报告身心更健康、睡眠质量更高及客观睡眠时长更长。Figueiro 等人(2021)在疫情期间的调查研究也发现,白天(室内或者室外)接触的光照暴露量越多,个体自我报告的睡眠越好。此外,部分田野研究提示光照暴露与睡眠关系存在显著的季节(time of year)与时间(time of day)效应(Figueiro&Rea,2016;Figueiro et al.,2017;Gasperetti et al.,2
17、021;Wams et al.,2017)。如Figueiro和Rea(2016)的田野研究比较了冬季和夏季办公室日间(8:0017:00)的光照水平及其与睡眠的关系,结果发现夏季较之于冬季日间光照量显著更多;夏季的客观睡眠质量(入睡潜伏期、睡眠时长和睡眠效率)也显著优于冬季。然而也有研究报告了不一致的结果,如一项针对 65 岁以上老年人的调查研究发现,虽然夏季日光暴露量显著高于冬季,但主观睡眠质量在夏冬季之间并无显著差异(Flores-Villa et al.,2020)。除季节差异外,日间不同时间点光照作用对睡眠的影响也存在差异。如上述 Youngstedt 等人(2004)发现晨间(清醒
18、后 4 小时内)平均光照强度与主客观睡眠时间及主观睡眠质量呈正相关;与主客观睡眠潜伏期、主观入睡困难及主观睡眠中清醒次数等呈负相关。而 Figueiro 等人(2017)基于真实办公场景的研究发现员工日间接触的昼夜节律光照(circadian light,CLA)水平越高(富含短波长的亮光),其睡眠质量越高;进一步分析发现早上(8:0012:00)接触更高CLA水平的员工较之于低CLA水平的员工,其入睡潜伏期更短,睡眠效率更高,且主观睡眠质量也显著更高(Figueiro et al.,2017)。同样地,Gasperetti 等人(2021)也发现晨间(4:009:00)的光照暴露水平越高,客
19、观入睡时间及次日清醒时间越早;下午(14:0019:00)光照暴露水平越高,第二天清醒时间也越早;而晚上(19:00半夜)光照暴露水平越低,主观睡眠时间越长;但并未发现早上 9:00 到下午 14:00 间的光照暴露水平与主客观睡眠指标的显著相关。总体而言,上述田野研究结果较为一致地提示,日间较高强度的光照或更多的光暴露量与夜间睡眠积极关联。同时,日间光照对睡眠的影响依赖于光照作用时间,即接触光暴露的时间越早,晨间高强度光暴露越多,夜间的睡眠情况越好。但值得注意的是,基于田野研究的证据凸显了日间光照与睡眠的相关关系,但无法揭示两者之间是否存在因果关联。3.2.2 短时程日光影响夜间睡眠的实证研
20、究 为了探究日间光照与睡眠的因果关系,研究者通过真实办公场景或实验室情境下的实证研究考察了日间光照对夜间睡眠的影响(表 1),但研究结果并不十分一致。如早期一项研究发现,晨间(6:009:00)亮光(2000 lx)或暗光(1 lx)作用下被试的客观入睡时间、入睡潜伏期和主观睡眠质量均无显著差异,但在晨间亮光较之于暗光暴露下被试清醒时间显著更早(Dijk et al.,1987)、N2 期睡眠时间与 REM 期的数量显著更少(Dijk et al.,1989)。最近国内一项对长时室内学习大学生的田野干预研究发现,为期 5 天(8:009:30)的晨间亮光作用(1000 lx,6500K)较之于
21、控制光(300 lx,4000K)显著提高了大学生的睡眠效率,降低了睡眠碎片化指数(He et al.,2022)。此外,有研究发现,在冬季对南极哈雷研究站的研究人员进行为期 14天的晨间亮光干预(8:309:30,5300 K),参与者的睡眠效率、入睡潜伏期和碎片化指数与对照条件 in 第 9 期 何美亨 等:日间光暴露对睡眠的优化效果及作用机制 1701 in 1702 心 理 科 学 进 展 第 31 卷 in 第 9 期 何美亨 等:日间光暴露对睡眠的优化效果及作用机制 1703 相比并未显著变化,但其入睡清醒时间与生物节律显著提前(Corbett et al.,2012)。而最近一项
22、干预研究对比了上午(6:0012:00)两种不同的视黑素等效日光照度(melanopic equivalent daylight illuminance,mel EDI,即 192 mel EDI vs.44 mel EDI)对早班工人睡眠的影响,结果并未发现两种照度下睡眠各项指标的显著差异;但与基线光相比,高 mel EDI干预后被试的入睡潜伏期缩短,睡眠效率提高(van de Putte et al.,2022)。此外,有临床研究采用晨间亮光暴露对有睡眠障碍问题的患者进行干预治疗(Dowling et al.,2005;Raikes et al.,2020;Turco et al.,201
23、8;Zalta et al.,2019)。如 Raikes 等人(2020)采用 30min 的晨间(8:0010:00)蓝光暴露(480 nm)治疗脑损伤患者的睡眠障碍问题,结果发现在 6 周干预后,患者白天睡意和抑郁情绪的严重程度较基线明显缓解,且睡眠潜伏期缩短,睡眠质量显著提高。另一项采用晨间亮光干预治疗原发性胆管炎患者睡眠障碍的研究发现,在 15 天的晨间亮光干预(照度 10000 lx,起床后立即暴露 45 min)后,干预组入睡和清醒时间提前,主观睡眠质量显著提高(Turco et al.,2018)。但也有研究未发现晨光干预的积极作用。如 Dowling 等人(2005)对阿尔兹
24、海默症患者的睡眠问题进行了为期 10 周的晨间亮光干预(2500 lx,9:3010:30),然而与控制组(150 200 lx)相比,并未发现患者整体睡眠情况有明显提升。这些不一致的结果可能是由于患者群体之间的差异性导致。3.2.3 全天化日光影响夜间睡眠的实证研究 除了短时程日光暴露,也有研究考察了长时程人工光暴露对睡眠的影响(表 1)。如 Wakamura和 Tokura(2000)考察个体醒后到睡前连续 4 天的亮光(6000 lx)和暗光(200 lx)暴露对核心体温和睡眠的影响。结果发现,尽管亮光较之于暗光条件下被试的上床时间、清醒时间和床上时间无显著差异,但主观睡眠体验更好,睡意
25、评分更低。与此同时,Stefani等人(2021)在严格控制的实验室条件下对比了全天化(醒后至睡前)的动态光与静态光对日间认知功能与夜间睡眠的影响,其动态光的设置为早晨醒后,光照从 1 lx,3500 K 逐渐增加,在 2.5 h 后达到 83 lx,5000 K 并保持不变,持续7.5 h 后逐渐降低至睡前 1 lx,2700 K;静态光固定在 87 lx,4000 K。结果发现,动态光较之于静态光 模式下认知加工绩效无显著改善,但被试 N1 期和 N2 期睡眠的潜伏期显著缩短;同时静态光较基线夜相比,夜间褪黑素分泌时间显著延迟,而动态光下无明显差异(Stefani et al.,2021)
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