【技術(shù)前沿】Phenomics發(fā)表復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院林燕丹教授課題組題為構(gòu)建光生物效應(yīng)日累積量模型預(yù)測(cè)光照對(duì)人體晝夜節(jié)律相移的影響論文
發(fā)布時(shí)間：2022-02-25
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近日，《表型組學(xué)》（Phenomics）雜志發(fā)表了復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院林燕丹教授課題組題為Diurnal Circadian Lighting Accumulation Model: A Predictor of the Human Circadian Phase Shift Phenotype的研究論文。
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https://link.springer.com/article/10.1007/s43657-021-00039-6
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“日出而作，日落而息”是人類(lèi)幾千年來(lái)適應(yīng)自然規(guī)則而產(chǎn)生的生理節(jié)律，光照已被證明是人體晝夜節(jié)律系統(tǒng)重要的外部授時(shí)因子。隨著照明技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人工照明給人類(lèi)生活帶來(lái)極大便利的同時(shí)，也打亂了人體正常的激素分泌規(guī)則和生理節(jié)律，使得人們產(chǎn)生睡眠紊亂、疲勞、困倦等不良反應(yīng)，甚至增加了癌癥的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。因此，建立一個(gè)通過(guò)衡量光攝入量能預(yù)測(cè)人體節(jié)律相移的模型，對(duì)維持人體節(jié)律穩(wěn)定，合理干預(yù)或避免人體節(jié)律/睡眠失調(diào)，提高光照環(huán)境的健康度具有重要意義。
林燕丹教授課題組聚焦光的視覺(jué)和非視覺(jué)生物效應(yīng)這一科學(xué)問(wèn)題，長(zhǎng)期開(kāi)展光生物效應(yīng)、人因工程學(xué)、顏色科學(xué)、循證醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉研究，并應(yīng)用于國(guó)防、大交通、醫(yī)療健康及智慧照明領(lǐng)域中。在十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“面向健康照明的光生物機(jī)理及應(yīng)用研究”中，林燕丹教授承擔(dān)了“健康光品質(zhì)特征指標(biāo)和評(píng)價(jià)模型”課題。在研究中，課題團(tuán)隊(duì)逐步解析了光照的節(jié)律刺激強(qiáng)度和光照的時(shí)間點(diǎn)對(duì)于節(jié)律相移的影響，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光照的時(shí)間因素對(duì)于節(jié)律相移的重要作用。
而在本研究中，課題組進(jìn)一步構(gòu)建“光生物效應(yīng)日累積量“的關(guān)鍵復(fù)合指標(biāo)，通過(guò)開(kāi)展不同光照時(shí)間點(diǎn)、持續(xù)時(shí)間和節(jié)律刺激水平的多維度光劑量正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量人體在不同組合條件下核心體溫周期的變化，探討時(shí)間因素和光節(jié)律刺激劑量因素對(duì)人體節(jié)律相移的影響規(guī)律（圖1）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者構(gòu)建了光生物效應(yīng)日累積量對(duì)人體節(jié)律相移的預(yù)測(cè)模型，并對(duì)模型進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。
圖1 本研究采用的六種照明方案及四種照明條件。CC為日間控制條件，DC為夜間控制條件，LIC為低干預(yù)條件，HIC為高干預(yù)條件。6個(gè)黃色方塊中的名稱(chēng)為不同方案的簡(jiǎn)稱(chēng)，C為控制組，H-M為高干預(yù)-上午組，H-A為高干預(yù)-下午組，H-E為高干預(yù)-夜間組，H-MA為高干預(yù)-上午&下午組，L-MA為低干預(yù)-上午&下午組。
01
光照時(shí)間點(diǎn)、光照時(shí)長(zhǎng)等時(shí)間因素對(duì)節(jié)律相移的影響顯著
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同光照時(shí)間點(diǎn)和光照時(shí)長(zhǎng)的照明方案對(duì)節(jié)律相移有顯著影響（F340 = 29.079，p < 0.001）。與昏暗的光線相比，與自然光同步的光線照射可以提前人體的晝夜節(jié)律相位，從而抵消人體晝夜節(jié)律的內(nèi)源性延遲。然而，在夜間暴露于偏離自然光時(shí)間的光照條件下，會(huì)延遲人體的晝夜節(jié)律，從而擾亂晝夜節(jié)律的穩(wěn)定性。此外，與H-A方案相比，H-MA在提前晝夜節(jié)律方面表現(xiàn)出了顯著差異，這表明光照時(shí)長(zhǎng)對(duì)人體節(jié)律相移的幅度有顯著影響。（圖2）
圖2 節(jié)律相移（CBTmin shift）在不同時(shí)間因素光照方案中的結(jié)果：（a）不同光照模式下節(jié)律相移時(shí)長(zhǎng)和方向出現(xiàn)了顯著性的差異（*p< 0.05; **p< 0.001)；(b)不同光照模式下核心體溫24小時(shí)的周期變化曲線
02
光照的節(jié)律刺激劑量對(duì)節(jié)律相移幅度的影響顯著
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的晝夜節(jié)律刺激的光照劑量在節(jié)律相移數(shù)據(jù)上表現(xiàn)出了顯著差異（T20 = -2.415，p = 0.025）。這表明光照節(jié)律刺激的劑量是影響節(jié)律相移幅度的重要因素（圖3）。這意味著在不改變光的照度和色溫的情況下，由光譜調(diào)制引起的晝夜節(jié)律刺激水平改變也可以觸發(fā)對(duì)節(jié)律相移不同的調(diào)節(jié)效果。該結(jié)果也證明了，與傳統(tǒng)的照度和色溫相比，基于非視覺(jué)通路的晝夜節(jié)律刺激水平（CS）或視黑素等效照度（Ez/Emel）都是描述對(duì)人體節(jié)律相位影響的有效指標(biāo)。
圖3 節(jié)律相移（CBTmin shift）在不同節(jié)律刺激劑量光照方案中的結(jié)果：（a）相同照度和色溫的兩組光照，通過(guò)光譜調(diào)制改變光照的節(jié)律刺激值，引起節(jié)律相移的顯著差異（p<0.05）;(b）上述兩組光照下與對(duì)照組C相比，核心體溫峰谷值產(chǎn)生了相移。
03
光生物效應(yīng)日累積量(DCLA)模型的構(gòu)建
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，時(shí)間因素和節(jié)律刺激劑量因素均對(duì)人體晝夜節(jié)律相移具有重要影響。因此，作者構(gòu)建了同時(shí)考慮時(shí)間因素和節(jié)律刺激劑量的光生物效應(yīng)日累積量（DCLA），用于預(yù)測(cè)光照對(duì)人體節(jié)律相移影響的效應(yīng)。為了對(duì)DCLA進(jìn)行合理的量化，本研究首先構(gòu)建與時(shí)間因素相關(guān)的節(jié)律相移時(shí)間響應(yīng)曲線D（t）和節(jié)律刺激劑量曲線CSD(t)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)兩個(gè)曲線的積分，構(gòu)建出DCLA模型（圖4）。
圖4 DCLA模型構(gòu)建示意圖
04
光生物效應(yīng)日累積量(DCLA)-節(jié)律相移(CPS)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建與驗(yàn)證
考慮到光照對(duì)人體晝夜節(jié)律相移影響的響應(yīng)壓縮現(xiàn)象，CPS不會(huì)隨著光積累的增加而無(wú)止盡地上升，且前期研究已經(jīng)驗(yàn)證了相位前移和相位后移都存在最大幅度的極限值。基于該特征，我們采用了Boltzmann函數(shù)來(lái)擬合DCLA對(duì)CPS的影響，該函數(shù)在前期研究中也用于擬合CPS與照度之間的關(guān)系。結(jié)果表明，由CS計(jì)算得到的DCLA在三個(gè)指標(biāo)中與CPS的擬合度最高（R2 = 0.9320），殘差平方和最?。≧SS = 0.1184）（圖5）。通過(guò)該模型，可以由光生物效應(yīng)的日累計(jì)量，預(yù)測(cè)個(gè)體的節(jié)律相移時(shí)長(zhǎng)和相移的方向。
圖5 由Boltzmann擬合獲得的DCLA-CPS預(yù)測(cè)模型
05
DCLA-CPS模型初步實(shí)現(xiàn)了從光攝入劑量到人體節(jié)律相移的映射
本研究通過(guò)設(shè)置不同光照時(shí)間點(diǎn)、光照時(shí)長(zhǎng)和節(jié)律刺激劑量的光照方案，探索不同維度光照特征對(duì)人體晝夜節(jié)律相移的影響，并構(gòu)建了從光攝入劑量到人體節(jié)律相移的映射模型。它不僅通過(guò)節(jié)律相移時(shí)間響應(yīng)曲線描述了光照時(shí)間點(diǎn)和光照時(shí)長(zhǎng)這兩個(gè)因素的組合效應(yīng)，而且引入了光的非視覺(jué)通道指標(biāo)，量化了光照強(qiáng)度和光譜對(duì)CPS的影響。此外，CPS與DCLA之間表現(xiàn)出了較好的擬合度（R2 = 0.9320，RSS = 0.1184）。因此，DCLA-CPS模型初步實(shí)現(xiàn)了從光攝入劑量到人體節(jié)律相移的映射，這為合理安排一天中不同時(shí)間的光照劑量提供了重要的依據(jù)，為需要借助人工光照調(diào)節(jié)人體節(jié)律的各種重要場(chǎng)所的光健康應(yīng)用提供了量化的依據(jù)。
Light is an important external factor that affects human circadian rhythms. This study aimed to explore the effects of different dimensions of diurnal light exposure on the physiological circadian phase shift (CPS) of the human body. A strict light exposure experiment with different timing schemes (8:00–12:00, 13:00–17:00, 18:00–22:00), durations (4 h, 8 h) and effective circadian stimulus levels (circadian stimulus: 0.35, 0.55) was performed in an enclosed laboratory. Fourteen participants, including seven males and seven females, with a mean age of 24.29 ± 2.43 (mean ± standard deviation), participated in this experiment and experienced all six lighting schemes. The results showed that both time factor (F3,40 = 29.079, p < 0.001, the power of the sample size = 0.98) and circadian stimulus levels (T20 = -2.415, p = 0.025, the power of sample size = 0.76) significantly affect the CPS. On this basis, a diurnal circadian lighting accumulation (DCLA) - CPS model was proposed in the form of the Boltzmann function, and was validated by experimental data with high correlation (R2 = 0.9320, RSS = 0.1184), which provides strong support for rationally arranging the light level at different times of the day.
Abstract
博士生侯丹丹為本論文第一作者，林燕丹教授為通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃[No. 2017YFB0403700]和上海市科技重大專(zhuān)項(xiàng)[No. 2017SHZDZX01]的資助。
Phenomics期刊簡(jiǎn)介
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