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阅读笔记:基于视黑素EDI的非视觉光照量推荐 @PLOS Biology

已有 1633 次阅读 2022-5-23 22:14 |个人分类:科研笔记|系统分类:科研笔记

【原文】Brown, T. M., G. C. Brainard, C. Cajochen, C. A. Czeisler, J. P. Hanifin, S. W. Lockley, R. J. Lucas, M. Münch, J. B. O’Hagan, S. N. Peirson, L. L. A. Price, T. Roenneberg, L. J. M. Schlangen, D. J. Skene, M. Spitschan, C. Vetter, P. C. Zee and K. P. Wright (2022). "Recommendations for daytime, evening, and nighttime indoor light exposure to best support physiology, sleep, and wakefulness in healthy adults." PLOS Biology 20(3): e3001571. DOI: 10.1371/journal.pbio.3001571

【领域】光的非视觉效应;生理节律

【应用】光健康、节律光度量、定量预测

 

【阅读笔记】

除了支持视觉感知,光照还影响人类生理和行为的许多方面,包括昼夜节律、睡眠和警觉性、情绪、神经内分泌和认知功能,并已有关于光照用于睡眠紊乱调节和抑郁症治疗、光照影响内分泌引起癌症风险等方面的研究发表。

基于光的非视觉生理效应,利用光照促进调节内分泌、促进积极情绪和增强绩效,形成健康光环境,是光照领域需要考虑的。本论文意在考虑光对睡眠和觉醒等生理节律相关生理效应影响的基础上,对成年人日间、夜间的室内照明进行有利于健康的光照的推荐。

对于非视觉响应效应,源于人眼视网膜上存在着一种内在光敏感视网膜神经节细胞(ipRGC), 从而影响了节律周期、褪黑激素抑制、及眼球收缩等相关生理效应。不同于视锥和视杆两种细胞,ipRGCs内包含的视黑素对波长约为480nm的光刺激最为敏感(λmax 480 nm)。CIE S026定义了包括视黑素、视紫质、LMS视蛋白共五种视网膜光敏细胞光敏蛋白的光谱敏感度曲线(成为5α度量曲线),本文介绍了利用基于视黑素响应曲线定义的视黑素响应日光等效照度(melanopic EDI)作为度量单位进行定义相应光照值。这为新的光测量标准提供了重要的进展

journal.pbio.3001571.g001.PNG 

1 D65照明标准体所对应的加权5 α照度被定义为标准单位

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001571.g001

 

视黑素响应日光(D65)等效照度(Melanopic EDI)是指标准日光(D65)提供与测试光源相等的视黑素响应辐照度Emel的光辐射所需的照度。

文中指出,到目前为止,5 α光量和实际相关的ipRGC依赖反应的大小之间的关系还缺乏明确的科学共识指导。例如,如何衡量来自黑视素、视锥细胞和视杆细胞的信号? 这些权重是否随光照时间和历史而改变? 在一天的特定时间和设置中,EDI的水平是合适?

文中采用历史研究数据进行了验证(无扩瞳实验者),基本验证了EDI参数可以较好对应所测得的非视觉效应相应的人体生理参数。结果如图2所示。

 

基于此,本文提出了相应的光照建议:建议尽量减少睡眠环境中不适当的非视觉反应(黑视EDI <1lx),并在睡前(通常睡眠前3小时,保持黑视EDI <10lx),同时在白天的时间内最大化相关效果(黑视EDI >250勒克斯)该数值适应于具有正常睡眠节律的18-55岁的成年人群。对于特殊作息的人群及青少年或老年人需另外做考虑。

 

文章获得的这个推荐是基于2019年召开了一个专题讨论会,讨论会主要从三个问题入手:

1什么范围的黑视EDI能分别引起最小和最大的人类非视觉效应?

2视杆细胞和/或视锥细胞的信号是否也发挥了作用?

3)不同类型的非视觉效应响应(如睡眠/觉醒、情绪等)机制是否存在差异?

journal.pbio.3001571.g002 (2).PNG 

Fig 2. Recommendations for melanopic light exposures in relation to the sensitivity of melatonin suppression, circadian phase resetting, and subjective alerting responses.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001571.g002

 

在以上三项内容深入讨论后,会后形成的专家共识通过专家投票,发表了一份preprints[1],作为以上形成的推荐值的依据,内容基本同本次发表的论文。

文中举例现有各种照明标准中只规定了视觉效应的照度需求。若光谱选择不当,将引起EDI值很低的情况,这并不符合日间健康照明所需要的正常能非视觉效应光照的摄入量。因而,通过调节光源光谱、调整照明设计增加垂直照度等方式增加EDI值,在满足原有照度需求的情况下,能对非视觉生物效应的光照提出响应可量化的要求。文中提供了一些相应研究的计算结果,表明大部分情况下EDI的实现可以理论上可以同时保证其它标准参数的实现,如颜色质量。但是睡前EDI<10lx的要求对于大部分需要100lx以上的晚间场景是无法正常实现的。

文中介绍了大量的已发表文献中,已经对EDI进行了应用或可以转化为EDI证明其对非视觉效应评价的有效性,是一个相当不错的对非视觉效应能进行量化评估的指标。

文中提出,未来,实现非视觉刺激光的量效效应,还需要更多大规模的纵向研究,才能更好地量化评估绩效、健康结果等信息;特别是,光对某些内分泌疾病和睡眠的影响需要引起充分关注。考虑到视锥和/视杆通道的综合效应,未来可能需要一个更为综合的模型,更全面评估节律、睡眠、内分泌,以及认知响应。

  

【思考和评论】

本文特点之一是大佬云集,联合照明领域、心理、医学和生物学领域专家共同发文,阵容强大。据文中介绍,2019年受Brown and Wright两位组织者邀请,这些专家参加了Workshop on Circadian and Neurophysiological Photometry,并受邀成为这篇文章的作者;因而这篇文章代表了相当一部分领域大佬的观点。

本文利用视黑素响应曲线的方式,一旦照射光谱和能量确定,就能计算出唯一等效的EDI值;该度量方法继承了明视觉和暗视觉光度量类似的计算系统,这是这一系统的有优点,在非视觉系统的度量上,是一个巨大的突破。

由于人眼的视觉和非视觉效应,不仅发生于视网膜细胞层面,而是通过逐级传输,进入人的大脑,且两通道之间存在交互效应。基于ipRGC细胞的视黑素响应所计算的等效光照量,如何映射复杂的大脑综合效应,文中采用历史研究数据进行了验证(无扩瞳实验者),在此基础上得出推荐值。但本文中及其主要所引用文献对其指标可用性方面,仅与视觉通道参数进行了比较,并未与同类非视觉效应的量化指标做比较,比如本人上一篇博客所介绍的CS体系[2]

文中由图2所得出的最小量和最大量的定义没有进行进一步的数量依据的说明;另外文中提到的workshop所提及的问题,包括视觉系统和非视觉系统的交互效应、不同场景的非视觉效应的差异,这些原文作者也认为应该有更多的研究。另外本文并没有来自亚洲人群的研究结果;时间效应如何获得?并未提及。

当然,这些都不影响EDI作为一个量化非视觉效应的方式,给了我们更多的度量学的可能,且其中提出的未来研究的建议可以指导未来更多的科学研究;也在更多的数据上可以更好迭代、优化。

科学研究之所以有趣,在于他往往没有完美,只有更好。甚至,在于他往往并不只有唯一路径,所以,探索之路上科研者才能勇往直前,不断创新。

 

【1】. Brown TM, Brainard GC, Cajochen C, Czeisler CA, Hanifin JP, Lockley SW, et al. Recommendations for Healthy Daytime, Evening, and Night-Time Indoor Light Exposure. preprints. 2020.

【2】.阅读笔记:定量预测昼夜节律对光的响应特性@Frontiers in Neuroscience林燕丹科学网博客文章,链接地址:https://blog.sciencenet.cn/blog-1197804-1336711.html





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1 刘炜

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