技術(shù)文章
長(zhǎng)期處于昏暗光線(xiàn)環(huán)境下會(huì)“變笨”
環(huán)境光線(xiàn)條件在人類(lèi)的生理和行為過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，包括生理覺(jué)醒、喚醒度、情緒和認(rèn)知等各個(gè)方面。已有許多研究驗(yàn)證了明亮光線(xiàn)有利于提高認(rèn)知功能，如明亮的教室照明提高了小學(xué)生的數(shù)學(xué)和閱讀能力；辦公室光線(xiàn)明亮有利于提高工作績(jī)效；燈光療法有利于緩解早期癡呆人群的認(rèn)知惡化。
談到光線(xiàn)條件，人們往往對(duì)光污染或者明亮光線(xiàn)條件對(duì)生態(tài)環(huán)境和身體健康的影響關(guān)注的比較多，但對(duì)光線(xiàn)不足、昏暗光線(xiàn)環(huán)境會(huì)造成哪些后果卻關(guān)注甚少。盡管有這么多研究成果，但人們對(duì)關(guān)于光調(diào)節(jié)認(rèn)知功能的神經(jīng)機(jī)制并不是很清楚，所以需要進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。
近期有一個(gè)發(fā)表在Hippocampus上的使用Noldus的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)(自動(dòng)跟蹤和分析動(dòng)物運(yùn)動(dòng)、活動(dòng)和行為的系統(tǒng))進(jìn)行的關(guān)于光線(xiàn)條件對(duì)尼羅河草鼠(Nile grass rats)的認(rèn)知功能和空間學(xué)習(xí)能力的影響的研究，由密歇根州立大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家們Joel E .Soler等人共同完成，該研究證實(shí)了環(huán)境光變化會(huì)改變大腦結(jié)構(gòu)，證實(shí)了明亮的光線(xiàn)有利于認(rèn)知功能和空間學(xué)習(xí)能力的發(fā)展，昏暗的光線(xiàn)導(dǎo)致認(rèn)知功能、學(xué)習(xí)能力下降。換言之，長(zhǎng)期處于昏暗光線(xiàn)環(huán)境下會(huì)“變笨”！
研究人員采用的實(shí)驗(yàn)樣本是尼羅河草鼠(為期5天，每天2次，實(shí)驗(yàn)間隔30s)，主要原因有兩個(gè)：
一、該動(dòng)物是用于研究空間學(xué)習(xí)與記憶、認(rèn)知功能等常用的試驗(yàn)動(dòng)物模型；二、尼羅河草鼠(Nile grass rats)與人類(lèi)相似，都是晝行動(dòng)物，白天活動(dòng)，晚上睡覺(jué)。研究人員們通過(guò)水迷宮試驗(yàn)、免疫組化和高爾基染色法等方法來(lái)對(duì)處于不同環(huán)境光條件下的動(dòng)物表現(xiàn)及變化進(jìn)行了綜合分析與比較。
以下是主要研究結(jié)果：其中brLD=明亮光線(xiàn)環(huán)境 ；dimLD=昏暗光線(xiàn)環(huán)境；dim-brLD=從昏暗光線(xiàn)環(huán)境轉(zhuǎn)移到明亮光線(xiàn)環(huán)境。
1、昏暗光線(xiàn)環(huán)境導(dǎo)致水迷宮任務(wù)表現(xiàn)不佳
如上圖圖1所示，在第1次試驗(yàn)中，明亮光線(xiàn)組和昏暗光線(xiàn)組動(dòng)物的表現(xiàn)均有所提高（主要體現(xiàn)在逃避潛伏期下降），明亮光線(xiàn)組動(dòng)物的表現(xiàn)要優(yōu)于處于昏暗光線(xiàn)組動(dòng)物的表現(xiàn)(圖1A)；在第2次試驗(yàn)中，兩組的表現(xiàn)無(wú)顯著差異(圖1B)。在空間探索試驗(yàn)期間，去除平臺(tái)后，與昏暗光線(xiàn)組相比，明亮光線(xiàn)組動(dòng)物在目標(biāo)象限中專(zhuān)注尋找(圖1C)。兩組動(dòng)物在目標(biāo)象限中所花費(fèi)的時(shí)間也有顯著差異，其中明亮光線(xiàn)組動(dòng)物在目標(biāo)象限中所花費(fèi)的時(shí)間要比昏暗光線(xiàn)組的時(shí)間要長(zhǎng)(圖1D；t(14)= 2.98, p= 0.01)。
2、明亮光線(xiàn)環(huán)境可恢復(fù)水迷宮任務(wù)表現(xiàn)
為了驗(yàn)證空間學(xué)習(xí)和記憶能力受損是由光線(xiàn)原因?qū)е碌模?/span>研究人員將初在昏暗光線(xiàn)條件下活動(dòng)的動(dòng)物轉(zhuǎn)移到了明亮的光線(xiàn)條件下。將其暴露于明亮光線(xiàn)環(huán)境四周之后再進(jìn)行試驗(yàn)，與昏暗光線(xiàn)組動(dòng)物相比，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)非常優(yōu)異(圖2A)。第2次試驗(yàn)，兩組動(dòng)物的逃避潛伏期數(shù)據(jù)無(wú)顯著差異(圖2B)。在空間探索試驗(yàn)期間，去除平臺(tái)后，從昏暗光線(xiàn)轉(zhuǎn)移到明亮光線(xiàn)環(huán)境下的動(dòng)物與昏暗光線(xiàn)組動(dòng)物相比，前者在目標(biāo)象限中專(zhuān)注尋找(圖2C)。兩組動(dòng)物在目標(biāo)象限中所花費(fèi)的時(shí)間也有顯著差異，其中從昏暗光線(xiàn)轉(zhuǎn)移到明亮光線(xiàn)環(huán)境下的動(dòng)物在目標(biāo)象限中所花費(fèi)的時(shí)間要比昏暗光線(xiàn)組的時(shí)間要長(zhǎng)(圖2D；t(14)= 4.387, p=0.001)。
3、環(huán)境光可調(diào)節(jié)海馬BDNF表達(dá)
與明亮光線(xiàn)環(huán)境下的動(dòng)物相比，昏暗光線(xiàn)環(huán)境下的動(dòng)物，海馬腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)有明顯減少(圖3A)。研究人員對(duì)海馬體的三個(gè)區(qū)域(CA1、CA3和DG)的腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子細(xì)胞進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，昏暗光線(xiàn)環(huán)境下的動(dòng)物，CA1、CA3和DG三個(gè)區(qū)域的腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子細(xì)胞數(shù)量均低于處于明亮光線(xiàn)環(huán)境下的動(dòng)物，雖然只有CA1區(qū)域在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有顯著差異(圖3B; t(10)= 3.05, p=0.012)。同樣的，從昏暗光線(xiàn)環(huán)境下轉(zhuǎn)移到明亮光線(xiàn)環(huán)境下的動(dòng)物，其CA1、CA3和DG三個(gè)區(qū)域的腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子細(xì)胞數(shù)量均低于處于昏暗光線(xiàn)環(huán)境下的動(dòng)物，其中CA1 (t(10)= 7.307, p<0.001)和CA3 (t(10)= 4.183, p= 0.002)兩個(gè)區(qū)域中有顯著差異。
4、環(huán)境光調(diào)節(jié)CA1頂端樹(shù)突形態(tài)
除了對(duì)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)表達(dá)有影響，環(huán)境光也調(diào)節(jié)海馬體的結(jié)構(gòu)可塑性。研究人員采用高爾基染色法(Golgi-stained)分別對(duì)處于不同環(huán)境光條件下動(dòng)物海馬體的CA1區(qū)域進(jìn)行了分析。從圖4A,B可以看出，昏暗環(huán)境光條件下的動(dòng)物，CA1頂端樹(shù)突棘密度顯著降低(t(8)= 5.103, p=0.001)。而從昏暗環(huán)境光條件轉(zhuǎn)移到明亮環(huán)境光條件下的動(dòng)物，其CA1頂端樹(shù)突棘密度顯著增加(圖4C,D;t(10)= 10.062, p<0.001)。
總結(jié)
綜上所述，昏暗光線(xiàn)會(huì)影響海馬體結(jié)構(gòu)可塑性，導(dǎo)致動(dòng)物海馬體功能降低，并且在訓(xùn)練過(guò)的空間任務(wù)方面表現(xiàn)較差；相反，處于明亮光線(xiàn)下的動(dòng)物在空間任務(wù)方面表現(xiàn)較好。
其中的作用機(jī)制就是因?yàn)榛璋淡h(huán)境光導(dǎo)致海馬體腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子顯著減少，該物質(zhì)實(shí)際上是一種肽，能夠幫助維持海馬體和樹(shù)突棘中健康的連接，或者允許神經(jīng)元“互相交流”的連接。研究人員Joel E .Soler提到，海馬體腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的顯著減少，使得該連接也變少了。由于連接減少，從而導(dǎo)致依賴(lài)于海馬體的學(xué)習(xí)和記憶表現(xiàn)不佳，就“變笨”了。
該研究為更好地理解環(huán)境光調(diào)節(jié)晝行生物認(rèn)知功能奠定了基礎(chǔ)，對(duì)從環(huán)境光設(shè)計(jì)角度促進(jìn)認(rèn)知功能的發(fā)展具有重要意義，對(duì)臨床上預(yù)防和治療認(rèn)知功能損傷提供了新的見(jiàn)解與方向。
參考文獻(xiàn)
1、Barkmann C, Wessolowski N, Schulte-MarkwortM. Applicability and efficacy of variable light in schools. Physiol Behav.2012; 105(3):621–7.
2、Baron R, Rea M, Daniels S. Effects of indoorlighting (illuminance and spectral distribution) on the performance ofcognitive tasks and interpersonal behaviors: the potential mediating role ofpositive affect. Motivation and Emotion. 1992; 16(1):1–33.
3、Chellappa SL, Gordijn MC, Cajochen C.Can light make us bright? Effects of light on cognition and sleep. Prog BrainRes. 2011; 190:119–33.
4、Forbes D, Culum I, Lischka AR, Morgan DG,Peacock S, Forbes J, Forbes S. Light therapy for managing cognitive, sleep,functional, behavioural, or psychiatric disturbances in dementia. CochraneDatabase Syst Rev. 2009; (4):CD003946.
5、Heschong L. Daylighting makes a difference.Educational Facility Planner. 2002; 37:5–14.
Joel E. Soler1, Alfred J. Robison, Antonio A. Núñez1, andLily Yan.Light Modulates hippocampal function and spatial learning ina Diurnal Rodent Species: a study using male Nile Grass Rat.Hippocampus. 2018 March; 28(3): 189–200.
6、LeGates TA, Fernandez DC, Hattar S.Light as a central modulator of circadian rhythms, sleep and affect. Nat RevNeurosci. 2014; 15(7):443–54.
7、Mills P, Tomkins S, Schlangen L. The effectof high correlated colour temperature office lighting on employee wellbeing andwork performance. J Circadian Rhythms. 2007; 5(2):2–10.
8、Mott M, Robinson D, Walden A, Bernette J,Rutherford A. Illuminating the Effects of Dynamic Lighting on Student Learning.Sage Open. 2012 Apr-Jun; 1–9.
9、Vandewalle G, Maquet P, Dijk DJ.Light as a modulator of cognitive brain function. Trends Cogn Sci. 2009;13(10):429–38.
10、Yamadera H, Ito T, Suzuki H, Asayama K, ItoR, Endo S. Effects of bright light on cognitive and sleep-wake (circadian)rhythm disturbances in Alzheimer-type dementia. Psychiatry Clin Neurosci. 2000;54(3):352–3.
