非视觉光生物效应与健康照明 20120528

非视觉光生物效应与健康照明南京理工大学梁人杰过去，人们曾经一直认为眼睛的作用仅仅是观察外部世界的器官，但是，一项早在2002年列入世界十大发现之一的研究成果——人类眼睛的非视觉光生物效应，改变了这种传统的概念，人类关于照明与健康之间关系的研究，从此揭开了全新的一页。

1.人类眼睛的非视觉光生物效应2002年，美国Brown大学的Berson,D.M开展人类生物工程学的深入研究,首次揭示了人类眼睛的非视觉光生物效应。

人类眼睛的非视觉效应，也有被称为：“司辰视觉”（Cirtopic）。

从此，人们对眼睛又有了进一步的全新认识，即：人类眼睛通过光作为的一种媒介，一方面获取外部世界的光信息，经由视网膜的柱状细胞和锥状细胞产生视觉，传递到大脑，实现对世界万物的观察与了解；另一方面还通过非视觉光生物效应，控制与调节着人类体内相关激素及其生物效应的动态演变过程。

科学界发现，从来没有一种激素如光那样能对人类产生如此大的作用。

人体眼睛视觉的和非视觉的生物效应体系可如图1归纳表示。

图1 人类眼睛的视觉和非视觉光生物效应示意图2.非视觉光生物效应的发现科学家摘除大白鼠眼睛中的柱状细胞和锥状细胞，在调节灯光照射后发现大白鼠眼睛的瞳孔仍然发生变化，这就证明了哺乳动物的眼睛内确实存在一种不同于眼球中柱状细胞和锥状细胞的第三种光感受器。

而且，第三种光感受器不是发挥观察外部世界的视觉功能，而是通过接受外部环境的光信息，控制与协调人类或各种高等动物的活动规律及其强度，发挥着生物钟的管理功能，即：由人类眼睛这种非视觉效应管理着一种生物节奏系统。

如图2所示，位于大脑下丘脑的视交叉上核神经元（SCN--suprachiasmatic nucleus），接受通过眼睛视网膜传递的对应光辐射信息的生物电流，同步地刺激荷尔蒙分泌，调节人类的情绪，活跃性和注意力；在视交叉上核神经元（SNC）的左侧就是松果体（pineal gland），是由眼睛按照光环境，控制褪黑素（melatonin）的分泌，调节人类的清醒或者睡眠。

图2显示了人类大脑中眼睛视网膜、视交叉上核神经元、松果体、大脑视觉皮层（visual cortex）和神经中枢相互之间神经路径的连接关系。

在人类眼睛非视觉光生物效应的作用下，人类的生物节奏就是：每间隔24小时人体自然发生的动态生物变化的周期与过程。

在生物节奏发生的周期性动态过程中，可能主要存在着以下几种变化过程：●调节人体的体温；●控制人体的活跃或者警觉程度，影响人的学习与工作效率，或操作的失误率；●赋予人体的舒适与欢快感；●控制褪黑素分泌，调节睡眠深度；●刺激人体内分泌荷尔蒙（皮质醇等），调节心理、生理或情绪上的紧张状态等等。

生物节奏系统引起人体各种生理体征变化的动态过程，如图3所示。

如图3所示，人体荷尔蒙与褪黑素的分泌，对人体的活力与睡眠有着重要的调节和支配作用。

每天清晨，光环境为蓝光丰富的较高色温，刺激视网膜和神经细胞，身体健康的人体内荷尔蒙（皮质醇等）分泌增强，褪黑素分泌降到最低，并又经过食物补充，调动了身体的相关功能，包括血糖上升，赋予人体能量，人体活跃程度增加，精力最为充沛，有利于迎接每天开始的工作；然而，一天经历了较长的时间后，特别是在黄昏，周围的光环境也降到了低色温的状态，人体荷尔蒙水平就会下降，褪黑素的分泌呈上升趋势，身体会变得筋疲力尽，工作效率低下，需要进入休息状态。

而这些规律是与人体眼睛的第三种光感受器密切相关的。

3.人类眼睛非视觉光生物效应的光谱特性人类拥有的非视觉效应是眼球视网膜上第三种光感受器的贡献（图2）。

在明视觉条件下，人眼锥状细胞发挥对环境光谱色彩的分辨能力，光谱灵敏度的峰值在555nm的波长上。

对于大白鼠而言，科学家通过各种光谱照射研究证明，当白天光辐射的波长约在465nm时，大白鼠脑部的褪黑素分泌量最高，也就是非视觉生物效应最强，因此，野外的老鼠大都主要是白天睡觉，昼伏夜出。

而对于人类而言，则是昼出夜伏为主。

因为人类是在黑暗环境下褪黑素分泌增强，有利深度睡眠（图3）。

研究结果显示，人类非视觉生物效应最强的光谱波长在450nm至495nm的范围（图4）。

图4就是人类具有视觉效应的锥状细胞与拥有非视觉效应的第三种光感受器的光谱灵敏度分布特性示意图，显示了视觉效应与非视觉效应对应的敏感色彩。

由光谱学可知，人类第三种光感受器的最敏感光谱是在蓝色的光谱范围，了解这种现象，对人性化健康照明，以及人类工作效率的控制具有重大意义。

例如：应用富含蓝色光谱的冷白色光源照明，必定对人类增强活力，集中精力，提高工作效率有益。

第三种光感受器光生物效应展现给人类的前景是：研究和探讨如何给人类带来有益于身体健康和提高工作效率的照明及其智能控制。

一直以来，医学、生物学、心理学都在研究各种生物的生理活动规律，例如：昼夜活动节律中的昼出夜伏、昼伏夜出和昼夜活动等。

动物的情绪、智力、体温、代谢率、心率、血液中生理生化指标等也都具有昼夜节律性。

人体眼睛的第三种光感受器及其人体生物效应对人类健康的影响，给了国内外学术界和医学界以极大启发，研究正在不断深入，方兴未艾。

4.天人合一——健康照明日月行天，星移斗转，日出日落。

人类的非视觉光生物效应，揭示了人类的生活的自然规律基本上是昼出夜伏，而不能日夜颠倒。

因此，人的健康要注重生活规律与自然规律和谐统一，天人合一，科学安排作息时间。

很多医学临床研究证明，儿童夜间开灯睡眠，极易造成性早熟；乳腺癌发病的女性，大部分是经常熬夜或通宵达旦，而且白天也没休息好；伦敦国际儿童白血病会议指出，儿童白血病发病率增高与长期夜晚暴露在灯光下相关；现代人生活内容丰富，节奏紧张，自然的生物节律经常被打乱，睡眠障碍者也越来越多。

显然，在人类生物学研究领域里，光好像还比激素起到更大的作用，如果违反自然规律，健康就必然会受到威胁。

5.光谱运用——医疗照明人类眼睛非视觉光生物效应的研究表明，光也可以等同于某些药物来治疗某些疾病。

一项研究成果已经证明，合适的蓝色光谱照明可改善老年人群的睡眠质量，治疗老年慢性睡眠紊乱症。

老年人因年龄的增长，眼睛晶状体逐渐变厚，瞳孔收缩，造成传入视网膜光通量减少。

对于某些老年人，例如，特别是有老年痴呆症的人，由于神经系统衰退，破坏了身体生理系统的节奏，也就是破坏了每天24小时重复的生物循环。

他们的生理系统可能需要比正常人更强的光刺激。

因此，加强类似室外日光光谱的照明水平，可以给生理系统提供更强的信号来抵消因视网膜衰老造成的光通量损失。

但是，目前的住宅或疗养院的普通照明系统都是为一般照明要求和节约电能而设计的，不能满足刺激老年人生理系统康复的要求。

有关照明研究机构的测试和研究已经揭示，在适当的光强度，光的空间分布及其持续时间下，合适的蓝色光谱对刺激生理系统最有效，可以调节体内的褪黑素，提高老年人的睡眠质量。

如图5所示，一种可直接向眼睛传输蓝光光谱并设计成类似于一种护目镜，已成功对51岁到81岁之间的一批测试者进行了临床试验，取得了较好的效果。

研究人员测试了测试者的褪黑激素水平。

如果蓝光眼镜能减轻测试者白天的睡意，那其褪黑激素水平就会下降。

结果发现，仅接受1小时蓝光眼镜强弱光照射，就可以使人褪黑激素水平分别下降35％到60％，这样就有可能有效治疗睡眠紊乱症。

显然，调节蓝光能让人们夜晚睡得香，白天更有朝气。

主要是通过调节人体生物钟，让人恢复正常的睡眠模式。

6.科学用光——保健照明科学研究证实，“拨正”人体的生物钟是健康保健的要素之一。

而遵循人类眼睛的非视觉光生物效应调节光的照明参数，是最好的解决方案之一。

全日三班工作制在很多行业是必须的，例如：钢铁厂夜班工人、医护人员、矿工、战略战术值勤与夜间巡逻的军人、通宵上班的警察，飞行员，航天员等，常会引起时差颠倒，生物钟紊乱，极易疲倦劳累，此外，环球旅行也经常造成人体时差反应，生物钟节律紊乱，睡眠失调，困倦萎靡。

长期以往可能导致慢性生物钟失衡,引发一系列健康问题,甚至胃部不适，心脏发病等。

因此，关注光的非视觉光生物效应，就能“拨正”人体的生物钟，确保身体健康。

例如：晚上夜班工作的人群，需要白天休息好，以恢复体力。

这就应该在完全遮挡白天室外光线的卧室内充足地睡眠。

因为人体有利于睡眠的褪黑素是在黑暗条件下分泌较强。

为此，卧室的窗帘应该是完全遮光的，就如同在黑夜一般，伸手不见五指。

这里，“遮光”成为了健康保健的重要因素。

7.动态照明——以人为本室内的人工照明如果能够真正仿真室外自然光照明的变化规律，那么这种动态的照明就真正实现了“以人为本”，“天人合一”。

室外自然光照明能帮助我们设定生物钟，提升活力和增强舒适感。

因此，新型的人工照明应该超越以往人工照明的传统方法，应该对照明的亮度和照明的色温，即：光谱，能够同时进行动态调节。

例如：通过智能照明控制和光学系统，把高色温和低色温的二组光源混合，就能实现这一目的。

这种照明的动态自动控制是完全智能化的。

如图6有利于人体生物节奏与健康的室内动态照明的智能控制策略所示。

在白天的工作学习时段，室内人工动态照明系统，可以帮助人们精神充足，警觉性提高，注意力集中，特别适合于办公室、工厂车间、学校教室、医院手术台、机要部门、核能控制室等等场合，大大提高工作效率和学习效率，并杜绝差错。

在下班之余，室内人工动态照明系统，可以营造温馨舒适休闲和有利于健康的光环境。

在黑夜，室内人工动态照明系统，则可帮助人们像婴儿一样深度睡眠。

8.结语人类眼睛的非视觉光生物效应揭示了光和照明对人类健康，精神状态，舒适度，警觉性，注意力，工作效率等等的关系。

在人类生物学领域里好像还没有哪种激素能像光那样起到如此大的作用。

光也可以等同于某些药物来治疗某些疾病，而且没有化学药物的种种副作用。

21世纪的现代照明技术结合人类眼睛的非视觉光生物效应，将给人类的健康和快乐带来更美好的福音。

有关的研究和创新正在不断诞生。

参考文献1.Berson, D.M.,Dunn, F.A,Motoharu Takao.Phototrasduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock[J].Science(2002),295,1070～10732.章海聪《照明科学新进展—眼睛的非视觉效应》照明工程学报200617（3）3.梁人杰《智能照明控制系统》2006南京理工大学南京工业职业技术学院4.梁人杰《照明与控制》2009.南京理工大学南京工业职业技术学院5.居家奇陈大华林燕丹《照明的非视觉生物效应及其实践意义》6.《时代之光简报》2010年第8期。