【技術前沿】Phenomics發表復旦大學信息科學與工程學院林燕丹教授課題組題為構建光生物效應日累積量模型預測光照對人體晝夜節律相移的影響論文
發布時間：2022-02-25
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近日，《表型組學》（Phenomics）雜志發表了復旦大學信息科學與工程學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”是人類幾千年來適應自然規則而產生的生理節律，光照已被證明是人體晝夜節律系統重要的外部授時因子。隨著照明技術的蓬勃發展，人工照明給人類生活帶來極大便利的同時，也打亂了人體正常的激素分泌規則和生理節律，使得人們產生睡眠紊亂、疲勞、困倦等不良反應，甚至增加了癌癥的發病風險。因此，建立一個通過衡量光攝入量能預測人體節律相移的模型，對維持人體節律穩定，合理干預或避免人體節律/睡眠失調，提高光照環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和非視覺生物效應這一科學問題，長期開展光生物效應、人因工程學、顏色科學、循證醫學等多學科交叉研究，并應用于國防、大交通、醫療健康及智慧照明領域中。在十三五國家重點研發計劃“面向健康照明的光生物機理及應用研究”中，林燕丹教授承擔了“健康光品質特征指標和評價模型”課題。在研究中，課題團隊逐步解析了光照的節律刺激強度和光照的時間點對于節律相移的影響，實驗驗證了光照的時間因素對于節律相移的重要作用。
而在本研究中，課題組進一步構建“光生物效應日累積量“的關鍵復合指標，通過開展不同光照時間點、持續時間和節律刺激水平的多維度光劑量正交設計實驗，測量人體在不同組合條件下核心體溫周期的變化，探討時間因素和光節律刺激劑量因素對人體節律相移的影響規律（圖1）。根據實驗結果，作者構建了光生物效應日累積量對人體節律相移的預測模型，并對模型進行了進一步的驗證。
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為低干預條件，HIC為高干預條件。6個黃色方塊中的名稱為不同方案的簡稱，C為控制組，H-M為高干預-上午組，H-A為高干預-下午組，H-E為高干預-夜間組，H-MA為高干預-上午&下午組，L-MA為低干預-上午&下午組。
01
光照時間點、光照時長等時間因素對節律相移的影響顯著
實驗結果表明，不同光照時間點和光照時長的照明方案對節律相移有顯著影響（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律相位，從而抵消人體晝夜節律的內源性延遲。然而，在夜間暴露于偏離自然光時間的光照條件下，會延遲人體的晝夜節律，從而擾亂晝夜節律的穩定性。此外，與H-A方案相比，H-MA在提前晝夜節律方面表現出了顯著差異，這表明光照時長對人體節律相移的幅度有顯著影響。（圖2）
圖2 節律相移（CBTmin shift）在不同時間因素光照方案中的結果：（a）不同光照模式下節律相移時長和方向出現了顯著性的差異（*p< 0.05; **p< 0.001)；(b)不同光照模式下核心體溫24小時的周期變化曲線
02
光照的節律刺激劑量對節律相移幅度的影響顯著
實驗結果表明，不同的晝夜節律刺激的光照劑量在節律相移數據上表現出了顯著差異（T20 = -2.415，p = 0.025）。這表明光照節律刺激的劑量是影響節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，由光譜調制引起的晝夜節律刺激水平改變也可以觸發對節律相移不同的調節效果。該結果也證明了，與傳統的照度和色溫相比，基于非視覺通路的晝夜節律刺激水平（CS）或視黑素等效照度（Ez/Emel）都是描述對人體節律相位影響的有效指標。
圖3 節律相移（CBTmin shift）在不同節律刺激劑量光照方案中的結果：（a）相同照度和色溫的兩組光照，通過光譜調制改變光照的節律刺激值，引起節律相移的顯著差異（p<0.05）;(b）上述兩組光照下與對照組C相比，核心體溫峰谷值產生了相移。
03
光生物效應日累積量(DCLA)模型的構建
由實驗結果可知，時間因素和節律刺激劑量因素均對人體晝夜節律相移具有重要影響。因此，作者構建了同時考慮時間因素和節律刺激劑量的光生物效應日累積量（DCLA），用于預測光照對人體節律相移影響的效應。為了對DCLA進行合理的量化，本研究首先構建與時間因素相關的節律相移時間響應曲線D（t）和節律刺激劑量曲線CSD(t)，在此基礎上，通過兩個曲線的積分，構建出DCLA模型（圖4）。
圖4 DCLA模型構建示意圖
04
光生物效應日累積量(DCLA)-節律相移(CPS)預測模型的構建與驗證
考慮到光照對人體晝夜節律相移影響的響應壓縮現象，CPS不會隨著光積累的增加而無止盡地上升，且前期研究已經驗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函數來擬合DCLA對CPS的影響，該函數在前期研究中也用于擬合CPS與照度之間的關系。結果表明，由CS計算得到的DCLA在三個指標中與CPS的擬合度最高（R2 = 0.9320），殘差平方和最小（RSS = 0.1184）（圖5）。通過該模型，可以由光生物效應的日累計量，預測個體的節律相移時長和相移的方向。
圖5 由Boltzmann擬合獲得的DCLA-CPS預測模型
05
DCLA-CPS模型初步實現了從光攝入劑量到人體節律相移的映射
本研究通過設置不同光照時間點、光照時長和節律刺激劑量的光照方案，探索不同維度光照特征對人體晝夜節律相移的影響，并構建了從光攝入劑量到人體節律相移的映射模型。它不僅通過節律相移時間響應曲線描述了光照時間點和光照時長這兩個因素的組合效應，而且引入了光的非視覺通道指標，量化了光照強度和光譜對CPS的影響。此外，CPS與DCLA之間表現出了較好的擬合度（R2 = 0.9320，RSS = 0.1184）。因此，DCLA-CPS模型初步實現了從光攝入劑量到人體節律相移的映射，這為合理安排一天中不同時間的光照劑量提供了重要的依據，為需要借助人工光照調節人體節律的各種重要場所的光健康應用提供了量化的依據。
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。該研究得到了國家重點研發計劃[No. 2017YFB0403700]和上海市科技重大專項[No. 2017SHZDZX01]的資助。
Phenomics期刊簡介
滬公網安備 31011002002705號