長期處于昏暗光線環(huán)境下會“變笨”
環(huán)境光線條件在人類的生理和行為過程中發(fā)揮著重要作用，包括生理覺醒、喚醒度、情緒和認(rèn)知等各個方面。已有許多研究驗證了明亮光線有利于提高認(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；辦公室光線明亮有利于提高工作績效；燈光療法有利于緩解早期癡呆人群的認(rèn)知惡化。
談到光線條件，人們往往對光污染或者明亮光線條件對生態(tài)環(huán)境和身體健康的影響關(guān)注的比較多，但對光線不足、昏暗光線環(huán)境會造成哪些后果卻關(guān)注甚少。盡管有這么多研究成果，但人們對關(guān)于光調(diào)節(jié)認(rèn)知功能的神經(jīng)機制并不是很清楚，所以需要進一步研究與驗證。
近期有一個發(fā)表在Hippocampus上的使用Noldus的動物運動軌跡跟蹤系統(tǒng)(自動跟蹤和分析動物運動、活動和行為的系統(tǒng))進行的關(guān)于光線條件對尼羅河草鼠(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，該研究證實了環(huán)境光變化會改變大腦結(jié)構(gòu)，證實了明亮的光線有利于認(rèn)知功能和空間學(xué)習(xí)能力的發(fā)展，昏暗的光線導(dǎo)致認(rèn)知功能、學(xué)習(xí)能力下降。換言之，長期處于昏暗光線環(huán)境下會“變笨”！
研究人員采用的實驗樣本是尼羅河草鼠(為期5天，每天2次，實驗間隔30s)，主要原因有兩個：
一、該動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動物模型；二、尼羅河草鼠(Nile grass rats)與人類相似，都是晝行動物，白天活動，晚上睡覺。研究人員們通過水迷宮試驗、免疫組化和高爾基染色法等方法來對處于不同環(huán)境光條件下的動物表現(xiàn)及變化進行了綜合分析與比較。
以下是主要研究結(jié)果：其中brLD=明亮光線環(huán)境 ；dimLD=昏暗光線環(huán)境；dim-brLD=從昏暗光線環(huán)境轉(zhuǎn)移到明亮光線環(huán)境。
1、昏暗光線環(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次試驗中，明亮光線組和昏暗光線組動物的表現(xiàn)均有所提高（主要體現(xiàn)在逃避潛伏期下降），明亮光線組動物的表現(xiàn)要優(yōu)于處于昏暗光線組動物的表現(xiàn)(圖1A)；在第2次試驗中，兩組的表現(xiàn)無顯著差異(圖1B)。在空間探索試驗期間，去除平臺后，與昏暗光線組相比，明亮光線組動物在目標(biāo)象限中專注尋找(圖1C)。兩組動物在目標(biāo)象限中所花費的時間也有顯著差異，其中明亮光線組動物在目標(biāo)象限中所花費的時間要比昏暗光線組的時間要長(圖1D；t(14)= 2.98, p= 0.01)。
2、明亮光線環(huán)境可恢復(fù)水迷宮任務(wù)表現(xiàn)
為了驗證空間學(xué)習(xí)和記憶能力受損是由光線原因?qū)е碌模?/span>研究人員將初在昏暗光線條件下活動的動物轉(zhuǎn)移到了明亮的光線條件下。將其暴露于明亮光線環(huán)境四周之后再進行試驗，與昏暗光線組動物相比，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)非常優(yōu)異(圖2A)。第2次試驗，兩組動物的逃避潛伏期數(shù)據(jù)無顯著差異(圖2B)。在空間探索試驗期間，去除平臺后，從昏暗光線轉(zhuǎn)移到明亮光線環(huán)境下的動物與昏暗光線組動物相比，前者在目標(biāo)象限中專注尋找(圖2C)。兩組動物在目標(biāo)象限中所花費的時間也有顯著差異，其中從昏暗光線轉(zhuǎn)移到明亮光線環(huán)境下的動物在目標(biāo)象限中所花費的時間要比昏暗光線組的時間要長(圖2D；t(14)= 4.387, p=0.001)。
3、環(huán)境光可調(diào)節(jié)海馬BDNF表達
與明亮光線環(huán)境下的動物相比，昏暗光線環(huán)境下的動物，海馬腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)有明顯減少(圖3A)。研究人員對海馬體的三個區(qū)域(CA1、CA3和DG)的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子細(xì)胞進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，昏暗光線環(huán)境下的動物，CA1、CA3和DG三個區(qū)域的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子細(xì)胞數(shù)量均低于處于明亮光線環(huán)境下的動物，雖然只有CA1區(qū)域在統(tǒng)計學(xué)上有顯著差異(圖3B; t(10)= 3.05, p=0.012)。同樣的，從昏暗光線環(huán)境下轉(zhuǎn)移到明亮光線環(huán)境下的動物，其CA1、CA3和DG三個區(qū)域的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子細(xì)胞數(shù)量均低于處于昏暗光線環(huán)境下的動物，其中CA1 (t(10)= 7.307, p<0.001)和CA3 (t(10)= 4.183, p= 0.002)兩個區(qū)域中有顯著差異。
4、環(huán)境光調(diào)節(jié)CA1頂端樹突形態(tài)
除了對腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)表達有影響，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)分別對處于不同環(huán)境光條件下動物海馬體的CA1區(qū)域進行了分析。從圖4A,B可以看出，昏暗環(huán)境光條件下的動物，CA1頂端樹突棘密度顯著降低(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)境光條件下的動物，其CA1頂端樹突棘密度顯著增加(圖4C,D;t(10)= 10.062, p<0.001)。
總結(jié)
綜上所述，昏暗光線會影響海馬體結(jié)構(gòu)可塑性，導(dǎo)致動物海馬體功能降低，并且在訓(xùn)練過的空間任務(wù)方面表現(xiàn)較差；相反，處于明亮光線下的動物在空間任務(wù)方面表現(xiàn)較好。
其中的作用機制就是因為昏暗環(huán)境光導(dǎo)致海馬體腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子顯著減少，該物質(zhì)實際上是一種肽，能夠幫助維持海馬體和樹突棘中健康的連接，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)，對從環(huán)境光設(shè)計角度促進認(rèn)知功能的發(fā)展具有重要意義，對臨床上預(yù)防和治療認(rèn)知功能損傷提供了新的見解與方向。
參考文獻
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.
