节律刺激值和相对色温对警觉性的影响

刘 余，周志贤，罗 明

(1.浙江大学光电科学与工程学院颜色工程实验室，浙江 杭州 310000； 2.欧普照明股份有限公司，上海 200120)

引言

众所周知，照明光源会影响视觉表现，昼夜节律系统，任务表现和情绪。基于此，国际照明委员会(Commission Internationale de L′Eclairage, CIE)[1]提出了包含三类视锥细胞、视杆细胞和视网膜特化感光神经节细胞(Intrinsic photosensitive retinal ganglion cells (ipRGC))5个光视素的敏感度曲线，等效照度值分别为Elc、Emc、Esc、Er和Ez。Rea等[2]提出的节律刺激值(Circadian Stimulus，CS)模型。节律刺激值由节律光转换而来，节律光基于夜间褪黑激素抑制的有效刺激值。许多实验使用CS作为参数实施实验。本团队Wang等[3]研究了照明光源对三个不同年龄段(儿童，青年，老年)的人的工作效率的影响。结果发现在更高的CS诱发更佳的任务表现。 本团队Ye等[4]的研究结果显示高CCT高CS的动态光使得被试工作表现更佳。

许多光生理实验在夜间研究。Nagare等[5]研究了CS值为0.25的2 700 K和5 600 K的光，结果显示5 600 K光源条件下褪黑激素浓度显著低于2 700 K条件。Plitnick等[6]从 23:00—03:30研究了四个实验光条件，两种光谱(蓝和红)，两种照度水平(10 lx、40 lx)。结果显示相较于黑暗光，红光和蓝光会增加beta波，降低睡意。也有其他实验研究光在早晨或下午对人的影响。Sahin等[7]发现从早07:00—17:00在红色灯光下被试反应时长降低，白光下alpha波降低。Hartstein的结果[8]显示相对于低CCT(3 500 K)，在高的CCT条件下(5 600 K)可以提高女性任务转换测试 (task-switching test) 以及男性go/no-go 任务的反应时间。

因为CS模型基于灯光对夜间褪黑激素抑制浓度建立，所以CS模型是否适用于白天的情形未知。虽然灯光在白天的对人类的警觉性影响被广泛研究，但是结果并不如夜间的结论一致。本实验的目标是研究CS和CCT均不同的光源在不同时间段对任务的表现，警觉性及昼夜节律对其影响。

1 研究方法

1.1 光源条件

实验在浙江大学一办公室中进行，实验环境如图1所示。照明光源是常州千明智能照明科技有限公司生产的10个LEDcube©。JETI-Specbos 1211光谱辐射计用于测量光谱，光谱参数如表1所示。

实验条件的选择主要是依CCT与CS的分布而设计。CCT包含一般商业上用的3 000 K， 4000 K及5 000 K对应暖、中和冷三种。而CS分成三个等级：低(0.2～0.3)， 中(0.3～0.4)及高(0.4～0.5)。4 000 K 有三个实验光源，3 000 K与5 000 K只有两个实验光源，共七个实验光源。在实现这些光源时，希望在一个CCT下，尽量达到CS的界限值，同时使眼位照度固定在500 lx，Ra能达到80，Duv趋近于零。每个实验光源均有代码，便于讨论实验结果。如3L代表3 000 K 低CS 实验条件。

图1 实验环境Fig.1 The experimental environment

表1 实验光源参数Table 1 The lighting conditions parameters

1.2 实验流程

共15个被试(9男6女；22.1±1.7 岁)参加实验。所有招募被试均无诸如高血压、抑郁症和糖尿病等健康问题，也无色盲色弱和其他眼睛健康问题。实验期间(共两个月时间)被试不允许摄入酒精、咖啡因和其他处方药。在实验正式开始前一天被试要到达实验室熟悉实验流程和任务。他们要求达到稳定的反应时以减少练习效应。被试们要在同一时间段参加7次实验，每次实验之间间隔至少4天的洗脱期，以避免由前一个光源造成的任何潜在影响。其中7个被试参加早上8:20—12:00的实验，8个被试参加晚上19:20—23:00的实验。

借鉴之前的经验[3], 效果较佳者被选用。本实验一共采用6种测试方法，包含唾液样本收集，d2注意力测试，侧抑制任务，孟塞尔色棋以及阅读。实验流程如图2所示。实验开始被试在黑暗环境下静坐0.5 h。在接下来的3 h中，唾液样本和问卷每0.5 h收集一次数据，被试每隔1 h完成侧抑制任务，d2 注意力测试和阅读。被试在实验开始和结束各完成孟塞尔色棋一次。

图2 实验流程Fig.2 The experimental procedure

唾液样本收集时，被试需要咀嚼棉球2 min，然后置于收集容器内。实验结束后，唾液样本储存在实验室冰箱-20 ℃条件下。

d2注意力测试(the d2 test)是一个尤其有效的测量注意力的方法。d2注意力测试每张共14行，每行47个字符，要划掉所有字母为d，上下竖杠加起来总共是两个的符号。忽略掉字母为p或是上下竖杠加起来不为2的d字母。被试需要在20 s内处理尽可能多的目标符号。两行包含94个符号要求被试在20 s内完成。实验中记录被试的完成率和错误率。

侧抑制任务(Eriksen flanker test)用于评估被试疲劳程度。该测试有288个刺激源，每个刺激源在屏幕上呈现70 ms，刺激源之间随机间隔2 000～2 500 ms。被试要判断目标字母，也就是中间的字母是“H”还是“O”并按下相应的键。

脑电波(Electroencephalogram, EEG)活动常用于衡量疲劳程度。脑电波数据由eemagine Medical Imaging Solutions GmbH 公司生产的32通道的脑电帽记录。采样频率为500 Hz。本实验中主要分析被试阅读时Fz位置的脑电波信号。

孟塞尔色棋(Farnsworth Munsell 100 hue test)用于检测颜色分辨能力。色棋由4个托盘组成，共85个可移动的色相棋子，被试按颜色顺序放置色棋。错误得分作为实验结果记录。

阅读材料由实验室提供，被试静坐在实验灯光下阅读20 min，并且下巴放置在下颚托上减少头部移动。

2 结果与讨论

IBM SPSS Statistics 22 software©用于实验分析。所有实验数据是经过均归一化后得到。每个时间点的EEG数据减去初始黑暗环境适应期的数据，其他测试结果均减去黑暗环境适应结束后第一次收集的数据。所有测试均用一般线性模型中的重复测量方法分析， “光源×时间”作为被试内因素，时间段(早上和晚上)作为被试间因素。主要结果总结如下：

2.1 皮质醇含量

皮质醇含量高，代表警觉性越强。实验结果如图3所示，皮质醇含量有显著的时间(时间段差异)主效应(F(6,72)=15.444,P<0.001)和时间段(早晚差异)主效应(F(1,12)=7.898,P=0.016)。皮质醇水平随着暴露在光下时长增加逐渐下降，且早上的皮质醇水平比晚上的皮质醇水平下降得更剧烈。此与皮质醇节律相关，早上皮质醇含量(平均0.279 μg/mL)比晚上(平均0.104 μg/mL)高，较能展现时间段差异。

2.2 d2注意力测试

完成率有显著的时间主效应(F(2,26)=21.306,P<0.001)。黑暗适应期结束后第一次测试的完成率显著小于暴露在光下1 h和2 h后的完成率，表示长时间暴露在光下会比黑暗环境结束后警觉性更高。光×时间段的事后比较结果显示(见图4)无论早上还是晚上，被试的完成率在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光源下被试警觉性更高。在早上被试的完成率在5H光源下高于4H和3H光源，早上在高CCT光源下被试警觉性更高。这与预期的结果一致，高CS与高CCT能提高警觉性。

图3 皮质醇含量在早上和晚上随时间变化Fig.3 Cortisol concentration changes with time in the morning and evening

图4 早上和晚上七个实验光源下d2注意力测试的完成率Fig.4 Processing rate of the d2 test under seven lighting conditions in the morning and evening

2.3 侧抑制任务

反应时有显著的时间主效应(F(2,26)=4.752,P=0.043)，结果显示在光下暴露2 h反应时显著小于前两次测试。光×时间段的事后比较显示(见图5)，无论早上还是晚上被试的反应时在4H光源下高于4M光源少于4L光源，5H光源下少于5L光源，该实验结果显示在高CS光源下被试警觉性更高。在早上，5H光源下被试反应时少于4H和3H光源；在晚上，5H和4H光源下被试反应时少于3H光源，这显示高CCT光源下被试警觉性更高。

图5 早上和晚上7个实验光源下侧抑制任务的反应时Fig.5 Reaction time of Eriksen flanker test under seven lighting conditions in the morning and evening

2.4 EEG

Fz点的beta/alpha波有显著的时间主效应(F(3,15)=8.075,P=0.019)，暴露在光下被试的beta/alpha波显著高于黑暗环境适应下的beta/alpha波，显示暴露在光下时被试更警觉。光×时间段的事后比较显示(见图6)，无论是早上还是晚上被试的反应时间在4H光源下高于4M光源少于4L光源，5H光源下少于5L光源，该实验结果显示在高CS光源下被试警觉性更高。在早上被试的完成率在5H光源下高于4H，4H高于3H光源，早上在高CCT光源下被试警觉性更高。

2.5 孟塞尔色棋

实验结果如图7所示，孟塞尔色棋的错误分数有显著的时间主效应(F(3,15)=8.075,P=0.019)，事后多重比较被试在3L和3H条件下的错误分数高于其他光条件(ps<0.03)。

图6 早上和晚上7个实验光源下脑电波beta/alpha能量Fig.6 Beta/alpha power of EEG under seven lighting conditions in the morning and evening

图7 早上和晚上7个实验光源下孟塞尔色棋错误得分Fig.7 Error score of Farnsworth-Munsell 100 hue test under seven lighting conditions in the morning and evening

3 结论

本文主要研究了CS和CCT均不同的光源在不同时间段对被试的任务表现、辨色能力和警觉性，以及昼夜节律对其影响。结果显示，多数结果显示有时间主效应，这意味着被试长时间暴露在光源下会比黑暗适应期结束时更清醒。d2注意力测试，侧抑制任务和EEG结果显示无论早晚高CS和高CCT光源下被试感觉更加清醒。孟塞尔色棋结果显示早上和晚上低CCT下被试辨色能力差。未来的任务是将不同数据库资料整合，建立数学模型，了解CS与CCT对人警觉性的影响。