【原文】Hou, D., Lin, C. & Lin, Y. Diurnal Circadian Lighting Accumulation Model: A Predictor of the Human Circadian Phase Shift Phenotype. Phenomics (2022).

【领域】光的非视觉效应；节律相移；光健康

【应用】节律调节人群或场景：例如倒时差、睡眠紊乱人群

论文DOI链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s43657-021-00039-6

光照已被证明是人类昼夜节律系统重要的外部授时因子，影响其效应的因素有光谱、照射强度、光照时间点、光照时长和光照史。本研究旨在通过探索人体生理表型特征，构建一个包括时间和强度及光谱等多因素的复合指标，评估光的有效摄入量对人体生理节律相移(CPS)的影响。

实验时间选取了上午、下午和晚上不同的三个时间段，分别为8:00-12:00、13:00-17:00、18:00-22:00。通过改变光谱和照度组合，实现4种不同节律刺激水平的光照环境：(1) 昏暗环境 (DC)：CS<0.1，E<10lx; (2) 对照环境(CC)：CS<0.1,E=90lx; (3) 低水平干预 (LIC)：CS=0.35，E=987lx；(4) 高水平干预 (HIC)：CS=0.55,E=1007lx。把上述条件通过正交实验设计，形成6组实验条件，如图1 所示。

图1 本研究采用的六种照明方案及四种照明条件。CC为日间控制条件，DC为夜间控制条件，LIC为低干预条件，HIC为高干预条件

14名受试者参与了本次实验，其中男性7名，女性7名，平均年龄为24.29±2.43岁(均值±标准差)。实验测量了他们在各种实验条件下的24小时周期的核心体温曲线，试验期间采样周期30s。

采用了单因素方差分析结果表明，时间因素(F_3,40 = 29.079, p < 0.001，样本效能power= 0.98)显著影响CPS。与昏暗环境相比，与自然光同步的光照射可以提前人体的昼夜节律相位，从而抵消人体昼夜节律的内源性延迟；而在夜间暴露于偏离自然光时间的光照条件下，会延迟人体的昼夜节律，如图2所示。图2也展示，同样光照下，时长更长的H-MA模式比H-A或H-M模式都有更大幅度的相移提前效应。

图2 节律相移（CBTmin shift）在不同时间因素光照方案中的结果：（a）不同光照模式下节律相移时长和方向出现了显著性的差异（*p< 0.05; **p< 0.001)；(b)不同光照模式下核心体温24小时的周期变化曲线

另外，H-MA和L-MA两组条件光的照度和色温相当，但其组合后的CS值不同，分别为0.3和0.5（计算得到基于非视觉通路的视黑素等效照度（Ez/Emel）也不相同），实验结果表明，同样8小时的照射下，两组条件的节律相移起到了不同的调节效果(T₂₀ =−2.415,p = 0.025，样本效能power 0.76)，如图3所示。该结果也证明了，与传统的照度和色温相比，基于非视觉通路的昼夜节律刺激水平（CS）或视黑素等效照度（Ez/Emel）更能描述光照对人体节律相位影响的有效性。

图3 节律相移（CBTmin shift）在不同节律刺激剂量光照方案中的结果：（a）相同照度和色温的两组光照，通过光谱调制改变光照的节律刺激值，引起节律相移的显著差异（p<0.05）;(b）上述两组光照下与对照组C相比，核心体温峰谷值产生了相移

由于时间因素和节律刺激剂量因素均对人体昼夜节律相移具有重要影响，论文构建了DCLA指标（光生物效应日累积量），由时间因素相关的节律相移时间响应曲线D（t）和节律刺激剂量曲线CSD(t)的积分所得。并考虑到光照对人体昼夜节律相移影响的响应压缩现象，采用了Boltzmann函数来拟合DCLA对CPS的影响。结果表明，由CS计算得到的DCLA在三个指标中与CPS的拟合度最高（R² = 0.9320），残差平方和最小（RSS = 0.1184）（图4）。通过该模型，可以由光生物效应的日累计量，预测个体的节律相移时长和相移的方向。

图4 由Boltzmann拟合获得的DCLA-CPS预测模型

DCLA-CPS模型初步实现了从光摄入剂量到人体节律相移的映射，为合理安排一天中不同时间的光照剂量提供了重要的依据，为需要借助人工光照进行调节人体节律的各种重要场所的光健康应用提供了量化的依据。

在未来的研究中，可以进一步扩大样本的数量和多样性，考虑年龄和人种等多样性不同的规律及产生个体差异背后的生理机制和遗传机制，并探索通过结合视觉和非视觉效应机理，为人类在不同的复杂应用场景下提供健康光环境的科学路径。

侯丹丹为本论文第一作者，林燕丹为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划[No. 2017YFB0403700]和上海市科技重大专项[No. 2017SHZDZX01]的资助。

本文发表于由上海国际人类表型组研究院与施普林格·自然合作的同行评审国际期刊Phenomics《表型组学》（期刊主页：https://www.springer.com/journal/43657）。

论文DOI链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s43657-021-00039-6

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