夜間光照對(duì)褪黑激素抑制的模型及其量化.pdf

1、1980年Lewy等人首次發(fā)現(xiàn)了人類(lèi)生物鐘系統(tǒng)具備光感受特性，并且夜間光照會(huì)造成人體褪黑激素分泌受到抑制。作為人體重要的內(nèi)分泌激素之一，褪黑激素具備重要的生理功能，主要包括：褪黑激素及其一些衍生物是有效的抗氧化劑與羥基自由基的清除劑；具備良好的免疫增強(qiáng)能力；抑制化學(xué)誘導(dǎo)的致癌因素和抗腫瘤生長(zhǎng)能力。
　　 美國(guó)國(guó)家環(huán)境健康科學(xué)學(xué)會(huì)于2006年召開(kāi)的關(guān)于光與健康問(wèn)題的年會(huì)指出仍有許多工作需要進(jìn)行，近期的主要目標(biāo)包括：如工業(yè)化造成的夜

2、間光環(huán)境改變與人體激素分泌之間的關(guān)系；如何基于上述關(guān)系降低人類(lèi)的健康風(fēng)險(xiǎn)等。夜間光照引起的褪黑激素抑制與光的波長(zhǎng)和色溫關(guān)系密切。目前的研究表明短波長(zhǎng)的單色光以及高色溫的復(fù)色光在同光子強(qiáng)度下具有更強(qiáng)的生物鐘周期相位延遲能力、更高的褪黑激素抑制率。但是到目前為止，國(guó)內(nèi)外仍缺乏夜間光照對(duì)褪黑激素抑制效果的完善的量化計(jì)算方案。
　　 針對(duì)上述問(wèn)題，本論文提出了夜間光照與褪黑激素抑制理論計(jì)算的歸一化積分算法和協(xié)同作用模型?；趪?guó)際各研究組

3、已發(fā)表文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合了人體血液褪黑激素抑制率的相對(duì)光譜靈敏度歸一化曲線，利用該曲線歸一化光照有效光子強(qiáng)度，進(jìn)而量化夜間光照對(duì)褪黑激素的抑制。以上算法即是歸一化積分算法。?；谝晽U細(xì)胞，視錐細(xì)胞與ipRGC的神經(jīng)通路，建立了非視覺(jué)光感受系統(tǒng)視網(wǎng)膜將光子轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號(hào)的協(xié)同作用模型。在光照條件下，ipRGC接收光子，經(jīng)一系列信號(hào)傳導(dǎo)通路產(chǎn)生動(dòng)作電位，傳導(dǎo)至神經(jīng)中樞特定部位。視桿細(xì)胞通路對(duì)ipRGC產(chǎn)生的神經(jīng)信號(hào)既有促進(jìn)作用也有抑制作用

4、。視桿細(xì)胞通過(guò)AII無(wú)長(zhǎng)突細(xì)胞對(duì)ipRGC起抑制作用，通過(guò)錐雙極細(xì)胞對(duì)ipRGC起促進(jìn)作用。而其抑制作用又受到由A18無(wú)長(zhǎng)突細(xì)胞介導(dǎo)的M型與L型視錐細(xì)胞通路的抑制作用。視錐細(xì)胞通過(guò)錐雙極細(xì)胞對(duì)ipRGC有促進(jìn)作用，并且在一定程度上受M型與L型水平細(xì)胞信號(hào)的抑制。該協(xié)同作用模型可解釋非視覺(jué)光感受機(jī)制的光譜對(duì)抗性效應(yīng)。ipRGC的興奮作用以及來(lái)自S型錐細(xì)胞對(duì)ipRGC的促進(jìn)作用與視桿細(xì)胞對(duì)ipRGC的抑制作用存在對(duì)抗性效應(yīng)；視桿細(xì)胞的抑制作

5、用和S型視錐細(xì)胞的促進(jìn)作用都與M型和L型視錐細(xì)胞存在對(duì)抗性效應(yīng)。論文進(jìn)而基于協(xié)同作用模型給出了光刺激神經(jīng)信號(hào)響應(yīng)的理論算法。并將該模型和算法應(yīng)用于量化夜間光照造成的褪黑激素分泌抑制。
　　 基于上述兩種模型，我們分別對(duì)420，440，460，480，505，530，555，575，600 nm共9種單色光源與2300K(輻照強(qiáng)度62.5μW/cm2)，3000K（輻照強(qiáng)度61.6μW/cm2），4100K（輻照強(qiáng)度8.2μW/c

6、m2，27μW/cm2，82μW/cm2），5000K（輻照強(qiáng)度63.3μW/cm2），8000K(輻照強(qiáng)度9.7μW/cm2，32μW/cm2，97μW/cm2）及一種白光光源(輻照強(qiáng)度5.7μW/cm2，16.9μW/cm2，28.3μW/cm2）共計(jì)6種復(fù)色光源進(jìn)行了模擬計(jì)算，并將兩種模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
　　 從計(jì)算結(jié)果上看，歸一化積分算法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的匹配程度，但在光源為420nm以及555

7、nm單色光條件時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大誤差。在復(fù)色光條件下，歸一化積分算法計(jì)算結(jié)果在多數(shù)光源條件下與實(shí)際結(jié)果相差約±3％，但色溫為8000K輻照強(qiáng)度為32μW/cm2與白光光源輻照強(qiáng)度為5.7μW/cm2的條件下計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，分別為6%與5.5%。與歸一化積分算法相比，協(xié)同作用模型更完整、清晰地從信號(hào)傳導(dǎo)同路描述光照誘導(dǎo)的生理過(guò)程，并能完美且準(zhǔn)確地解釋對(duì)抗性效應(yīng)，因此更加嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)。
　　 本研究為室內(nèi)安全光照環(huán)境的設(shè)

8、計(jì)提供了理論依據(jù)和計(jì)算方法，并可在光污染的控制、夜間安全環(huán)境照明標(biāo)準(zhǔn)的制定等方面得到應(yīng)用?；跉w一化積分算法，我們對(duì)三種生活中常見(jiàn)的三基色熒光燈進(jìn)行了安全性評(píng)估。這三種熒光燈色溫分別為2700K，4000K和6500K，光源輻照強(qiáng)度設(shè)定為15μW/cm2，30μW/cm2，60μW/cm2以及90μW/cm2。計(jì)算結(jié)果表明2700K色溫的熒光燈是一種比較安全的照明光源，與4000K與6500K色溫光源相比，其具有較低的褪黑激素抑制率，能