長期處於(yu) 昏暗光線環境下會(hui) “變笨”
環境光線條件在人類的生理和行為(wei) 過程中發揮著重要作用，包括生理覺醒、喚醒度、情緒和認知等各個(ge) 方麵。已有許多研究驗證了明亮光線有利於(yu) 提高認知功能，如明亮的教室照明提高了小學生的數學和閱讀能力；辦公室光線明亮有利於(yu) 提高工作績效；燈光療法有利於(yu) 緩解早期癡呆人群的認知惡化。
談到光線條件，人們(men) 往往對光汙染或者明亮光線條件對生態環境和身體(ti) 健康的影響關(guan) 注的比較多，但對光線不足、昏暗光線環境會(hui) 造成哪些後果卻關(guan) 注甚少。盡管有這麽(me) 多研究成果，但人們(men) 對關(guan) 於(yu) 光調節認知功能的神經機製並不是很清楚，所以需要進一步研究與(yu) 驗證。
近期有一個(ge) 發表在Hippocampus上的使用Noldus的動物運動軌跡跟蹤係統(自動跟蹤和分析動物運動、活動和行為(wei) 的係統)進行的關(guan) 於(yu) 光線條件對尼羅河草鼠(Nile grass rats)的認知功能和空間學習(xi) 能力的影響的研究，由密歇根州立大學神經科學家們(men) Joel E .Soler等人共同完成，該研究證實了環境光變化會(hui) 改變大腦結構，證實了明亮的光線有利於(yu) 認知功能和空間學習(xi) 能力的發展，昏暗的光線導致認知功能、學習(xi) 能力下降。換言之，長期處於(yu) 昏暗光線環境下會(hui) “變笨”！
研究人員采用的實驗樣本是尼羅河草鼠(為(wei) 期5天，每天2次，實驗間隔30s)，主要原因有兩(liang) 個(ge) ：
一、該動物是用於(yu) 研究空間學習(xi) 與(yu) 記憶、認知功能等常用的試驗動物模型；二、尼羅河草鼠(Nile grass rats)與(yu) 人類相似，都是晝行動物，白天活動，晚上睡覺。研究人員們(men) 通過水迷宮試驗、免疫組化和高爾基染色法等方法來對處於(yu) 不同環境光條件下的動物表現及變化進行了綜合分析與(yu) 比較。
以下是主要研究結果：其中brLD=明亮光線環境 ；dimLD=昏暗光線環境；dim-brLD=從(cong) 昏暗光線環境轉移到明亮光線環境。
1、昏暗光線環境導致水迷宮任務表現不佳
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均有所提高（主要體(ti) 現在逃避潛伏期下降），明亮光線組動物的表現要優(you) 於(yu) 處於(yu) 昏暗光線組動物的表現(圖1A)；在第2次試驗中，兩(liang) 組的表現無顯著差異(圖1B)。在空間探索試驗期間，去除平台後，與(yu) 昏暗光線組相比，明亮光線組動物在目標象限中專(zhuan) 注尋找(圖1C)。兩(liang) 組動物在目標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、明亮光線環境可恢複水迷宮任務表現
為(wei) 了驗證空間學習(xi) 和記憶能力受損是由光線原因導致的，研究人員將初在昏暗光線條件下活動的動物轉移到了明亮的光線條件下。將其暴露於(yu) 明亮光線環境四周之後再進行試驗，與(yu) 昏暗光線組動物相比，發現其表現非常優(you) 異(圖2A)。第2次試驗，兩(liang) 組動物的逃避潛伏期數據無顯著差異(圖2B)。在空間探索試驗期間，去除平台後，從(cong) 昏暗光線轉移到明亮光線環境下的動物與(yu) 昏暗光線組動物相比，前者在目標象限中專(zhuan) 注尋找(圖2C)。兩(liang) 組動物在目標象限中所花費的時間也有顯著差異，其中從(cong) 昏暗光線轉移到明亮光線環境下的動物在目標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、環境光可調節海馬BDNF表達
與(yu) 明亮光線環境下的動物相比，昏暗光線環境下的動物，海馬腦源性神經營養(yang) 因子(BDNF)有明顯減少(圖3A)。研究人員對海馬體(ti) 的三個(ge) 區域(CA1、CA3和DG)的腦源性神經營養(yang) 因子細胞進行了分析，結果發現，昏暗光線環境下的動物，CA1、CA3和DG三個(ge) 區域的腦源性神經營養(yang) 因子細胞數量均低於(yu) 處於(yu) 明亮光線環境下的動物，雖然隻有CA1區域在統計學上有顯著差異(圖3B; t(10)= 3.05, p=0.012)。同樣的，從(cong) 昏暗光線環境下轉移到明亮光線環境下的動物，其CA1、CA3和DG三個(ge) 區域的腦源性神經營養(yang) 因子細胞數量均低於(yu) 處於(yu) 昏暗光線環境下的動物，其中CA1 (t(10)= 7.307, p<0.001)和CA3 (t(10)= 4.183, p= 0.002)兩(liang) 個(ge) 區域中有顯著差異。
4、環境光調節CA1頂端樹突形態
除了對腦源性神經營養(yang) 因子(BDNF)表達有影響，環境光也調節海馬體(ti) 的結構可塑性。研究人員采用高爾基染色法(Golgi-stained)分別對處於(yu) 不同環境光條件下動物海馬體(ti) 的CA1區域進行了分析。從(cong) 圖4A,B可以看出，昏暗環境光條件下的動物，CA1頂端樹突棘密度顯著降低(t(8)= 5.103, p=0.001)。而從(cong) 昏暗環境光條件轉移到明亮環境光條件下的動物，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
綜上所述，昏暗光線會(hui) 影響海馬體(ti) 結構可塑性，導致動物海馬體(ti) 功能降低，並且在訓練過的空間任務方麵表現較差；相反，處於(yu) 明亮光線下的動物在空間任務方麵表現較好。
其中的作用機製就是因為(wei) 昏暗環境光導致海馬體(ti) 腦源性神經營養(yang) 因子顯著減少，該物質實際上是一種肽，能夠幫助維持海馬體(ti) 和樹突棘中健康的連接，或者允許神經元“互相交流”的連接。研究人員Joel E .Soler提到，海馬體(ti) 腦源性神經營養(yang) 因子的顯著減少，使得該連接也變少了。由於(yu) 連接減少，從(cong) 而導致依賴於(yu) 海馬體(ti) 的學習(xi) 和記憶表現不佳，就“變笨”了。
該研究為(wei) 更好地理解環境光調節晝行生物認知功能奠定了基礎，對從(cong) 環境光設計角度促進認知功能的發展具有重要意義(yi) ，對臨(lin) 床上預防和治療認知功能損傷(shang) 提供了新的見解與(yu) 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.
