汪统岳，邵戎镝，郝洛西

(1.同济大学 建筑与城市规划学院，上海 200092；2.高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室(同济大学)，上海 200092)

引言

在地下控制中心、矿井坑道和水下船舱等密闭空间内，人员行动和视野受限，空间封闭压抑，缺少日光和自然景观意象的刺激，且光环境变化不大，难以感知外界的昼夜变化，容易导致时间感知错乱、节律紊乱和睡眠障碍等问题[1]，引起疲劳和意外事故[2]。传统单调的照明模式已不能满足密闭空间人员作业生活的健康需求，亟需考虑人体心理和节律需求的动态光照模式[3]。

光照作为强有力的节律授时因子，影响着人体的激素分泌、昼夜节律和睡眠作息等方面[4]。日间光照的不足会导致夜间褪黑素分泌浓度的减少[5]，夜间不恰当的光照刺激容易扰乱褪黑素和皮质醇等激素的正常分泌，引起节律紊乱和睡眠障碍等问题[6]。南极科考队员在长期缺乏日光的极夜期间，睡眠和觉醒时间显著延迟，出现更多碎片化的睡眠活动节律，昼夜节律的稳定性逐渐降低，且视网膜对蓝光的敏感性增加[7]。睡眠问题一直是水下艇员最突出的问题，且随着航行时间的延长更加严重，睡眠质量明显下降[8,9]。马强等对103名艇员进行了问卷调查，发现密闭环境会导致人员的睡眠能力和疲劳恢复能力明显下降，对记忆能力、反应能力和负性情绪的影响也较大，主要原因就是昼夜颠倒、环境限制和日照缺乏等密闭空间特有的环境因素[10,11]。Arne等[12]对14名艇员在67天的潜艇任务期间的睡眠和认知表现进行了现场监测，发现睡眠时段是零散的，且持续时间很短，入睡潜伏期和反应时间持续增加，睡眠和认知能力逐渐恶化。2019年10月，国际照明委员会(CIE)针对光的非视觉作用，发表了题为“建议在适当的时间进行适宜的光照”立场声明[13]，并推荐在白天采用高强度的生理等效照度有助于提高警觉性、改善昼夜节律和睡眠，在夜间采用低强度的光照刺激从而利于睡眠，但是具体的光照参数阈值有待明确。光照的时刻对节律相位的影响作用明显[14]，晨间的光照刺激可以提前褪黑素分泌的相位，从而促进更早的入睡时间[15]；夜间的光照刺激则会延迟褪黑素的分泌和睡眠时间[16]；白天的光照刺激可以增强夜间的褪黑素分泌，同时加强昼夜节律，降低对夜间光照的敏感性[17]。Nie等[18]让3名受试者在地下密闭环境中轮班工作了38天，采用色温(CCT)和昼夜节律因子(circadian action factor，CAF)可调的LED动态照明来模拟天然光变化，结果发现受试者的节律保持稳定并有所增强，血液褪黑激素的峰值浓度明显增加，模拟日光的 LED 动态照明方式在密闭环境中有效地诱导和增强了昼夜节律。Lowden等[19]在没有窗户的核电站控制室中对7名轮班工人采用动态照明模式进行研究，相对于传统恒定的光照模式而言，适当的动态照明可以提高警觉性、促进睡眠和更好地适应快速轮班工作。Eowyn等[20]在采光缺乏的工厂中对80名轮班工人进行动态照明，白天采用强光刺激，改善了工人的睡眠效率和睡眠潜伏期，并增强了上班期间的警觉性。因此，白天和夜间的适宜动态光照参数组合可以促进人体的昼夜节律，使其与24 h的昼夜周期保持同步。

褪黑素作为昼夜节律的标志物，其浓度变化呼应日出日落的昼夜变化，存在周期性震荡的波动规律，常用来评价光照对节律的影响。本研究主要从光照的强度、时刻和光谱的角度出发，在密闭人因实验室内，探索日间光照的缺乏对人体褪黑素分泌和睡眠节律的影响，以传统恒定的光照模式为参照组，并采用不同的光照强度、光照刺激的时间和光谱成分等动态照明场景作为实验组，每次密闭实验持续38 h，尝试对密闭空间内作业人员的睡眠节律和褪黑激素水平进行主动干预，比较各光照要素的短期作用效果，初步明确各项指标的测量方法和变化趋势，为后续的长期密闭实验做准备。

1 实验方法

1.1 实验被试

由于密闭人因实验需要满足被试的日常生活需求，开展难度较大、风险性较高，对被试的身体、心理素质要求也很高。考虑到实验空间有限，参照“太空180”大科学试验(4人)、“月宫365”实验(4人)和“Mars500”模拟火星载人飞行试验(6人)等长期密闭实验的小样本研究方法，本实验采用重复测量设计，招募了4名青年被试，年龄25岁～30岁，其中男女各两名。日常作息规律，均无酒精和药物依赖史，未服用过抗精神病药物。本研究通过了同济大学医学与生命科学伦理委员会的审查(编号：2021tjdx069)，被试均签订了知情同意书。

1.2 实验场景

(1)实验室布置。

实验室由独立的无窗空间改造而成，分为工作区、生活区和辅助功能等空间(图1)。工作区的天棚安装了25块可无极调光调色的大功率LED面板灯，可实现较高的照度水平，色温在2 700～6 500 K范围内可调；生活空间分为两间卧室，布置完全相同，每间内有两张上下铺，最多可容纳4人；辅助空间能够满足餐饮、洗漱等生活需求。

图1 实验室平面布置图Fig.1 Layout of the laboratory

(2)光照场景参数。

参考正常的办公作业空间，工作区主要选用6 500 K色温的光照模式；为了实现明显的节律干预效果，基于高档办公室的照明设计标准值[21]，设定桌面照度为500 lx，根据实测的眼部垂直照度和光谱数据，计算得出昼夜节律刺激值CS约为0.3，可实现明显的夜间褪黑素抑制效果[22]。参照现状模式采用模拟日光色温6 500 K的白光LED进行常规照明，强光模式分别在上午(9：00—12：00)和夜间(21：00—24：00)采用高强度的光照(CS=0.5)进行节律刺激，不改变光照的色温和光谱，研究光照强度和光照时刻对密闭空间人员褪黑素节律的影响。前3周实验均采用6 500 K的白光LED进行照明，只是光照的强度和光照时刻有所差异；第4周则是在夜间采用2 700 K的低色温，保证眼部照度相似，尽量减少夜间光照对生物节律的刺激，具体光照参数见表1。

表1 实验场景及光照参数Table 1 Experimental groups and lighting parameters

采用Konica公司生产的手持式分光辐射照度计CL-500A对桌面和眼部的照度及色温进行了标定，并测定了实验光源在6 500 K和2 700 K两种色温模式下的光谱功率分布(图2)。

图2 不同色温下的相对光谱功率分布Fig.2 Relative spectral power distribution at different color temperatures

1.3 实验流程

被试每周五晚8点进入实验室，首先适应环境，采用正常的光照模式，期间可使用笔记本电脑进行办公作业，按照流程进行光照刺激和指标采集(图3)，周日上午10点测试完成后离开。每周末实验完成后，休息5天，保持正常的生活作息规律，直到下一周的同样时间再次进入实验室，进行下一次光照。分别在4个周末进行了4种模式的光照刺激，合计16人次的密闭实验。实验期间统一饮食，避免含有咖啡因、茶和酒精的食物，防止对睡眠节律造成干扰；也禁止食用香蕉，避免影响唾液褪黑素浓度的检测。

图3 实验流程和测试方法Fig.3 Experimental process and test methods

1.4 测试方法

采用ELISA酶联免疫法检测唾液中的褪黑素浓度，利用唾液采集管进行采集，采集前10 min内禁止饮食和喝水。唾液样本采用saliva ELISA试剂盒进行测量，唾液褪黑素的检测范围为0～50 pg/mL，批内差(the intra-assay coefficient of variation (CV))小于10.8%，批间差(the inter-assay CV)小于13.0%。经过哈佛医学院的睡眠检测认证[24]和前期在同济大学附属同济医院采用多导睡眠记录仪(PSG)与睡眠手环的比对试验，选用智能睡眠手环(华为B4 pro)对被试的睡眠质量进行评价。实验期间全程佩戴睡眠手环，监测入睡时间、睡眠时长、觉醒次数和睡眠得分等参数。

2 实验结果

2.1 褪黑素浓度变化

(1)密闭1天后的早晚浓度对比。

分别将被试进入实验室1天后的夜间24点和上午9点的褪黑素浓度与前一天的同一时刻进行对比，第二天夜间24点的褪黑素浓度明显低于第一天，可能与白天缺乏足够的光照刺激有关，导致了夜间褪黑素浓度的整体降低(图4)。其中参照现状模式的变化最显著，夜间和晨间强光模式也呈现降低的趋势。夜间强光模式的光照刺激最强，导致了褪黑素浓度抑制效果最明显；晨间强光模式的夜间光照与参照现状模式相同，但是上午进行了强光刺激，有一定的相位前移效果，因此夜间的浓度略高于参照现状模式；夜间黄光模式的第二晚夜间采用低色温光照，节律刺激值最低，对褪黑素的抑制效果最弱，导致了浓度的上升趋势，甚至高于前一晚的24点。夜间黄光模式在夜间睡前的减少光照刺激的方案效果优于晨间强光模式在上午进行强光刺激的效果，表明夜间采用低色温低节律刺激的光照对褪黑素节律的保护效果明显。

图4 连续两晚24点的褪黑素浓度对比Fig.4 Comparison of melatonin concentration at 24 o’clock for two consecutive nights

第二天上午9点的褪黑素浓度普遍高于前一天，节律相位呈现后移的趋势(图5)。夜间强光模式的晨起褪黑素浓度最高，说明夜间的强光刺激不仅会抑制睡前的褪黑素分泌，还会诱导节律相位后移，导致第二天醒来后的褪黑素浓度升高。晨间强光模式的上午褪黑素浓度略低于参照现状模式，但显著高于前一天，表明晨间的强光刺激对节律相位的前移起到了一定的诱导作用；只有夜间黄光模式的晨起褪黑素浓度低于前一天，表明睡前采用低色温的光照刺激可有效干预睡眠节律，也会影响第二天上午醒来的褪黑素分泌。

图5 连续两天上午9点的褪黑素浓度对比Fig.5 Comparison of melatonin concentration at 9 o’clock for two consecutive mornings

(2)逐时的褪黑素浓度变化。

在每周2天的密闭时间内，分别采用不同的光照模式，观察夜间的褪黑素变化规律(图6)。第二天夜间，各种光照模式下的褪黑素浓度随着光照时间的推移均存在先降低后升高的波动性变化，表明光照对褪黑素的抑制作用与褪黑素的自然分泌规律之间存在互相博弈的过程，起初的光照刺激抑制了正常的褪黑素分泌，导致了浓度的下降，随着工作时间的增加，现有的光照水平只能在一定程度上抑制褪黑素的分泌速率，难以改变褪黑素浓度逐渐增加的趋势。

图6 各组被试周六夜间睡前逐时的褪黑素浓度变化Fig.6 Hourly changes of melatonin concentration in each group before sleep on Saturday nights

在夜间21点时，各组的褪黑素浓度没有明显差异。但是在22点，夜间强光模式下，光照1 h后的褪黑素抑制效果最明显，晨间强光模式只是在上午进行了强光刺激，夜间的褪黑素浓度相对于参照现状模式呈现升高趋势；夜间黄光模式为同等照度下的黄光刺激，对褪黑素的抑制作用最低。23点时，夜间强光模式的光照刺激虽然最强，但是褪黑素浓度略有升高；晨间强光模式的褪黑素浓度仍在降低；夜间黄光模式的褪黑素浓度已经开始呈现上升趋势。24点时褪黑素浓度趋于稳定，夜间强光模式的褪黑素浓度最低，晨间强光和夜间黄光模式的褪黑素浓度较高。

基于第二天上午9点的褪黑素浓度结果，夜间强光模式的第二天上午浓度最高，相位有后移的趋势，晨间强光模式和夜间黄光模式的第二天上午浓度较低，相位有前移的趋势(图7)；其中夜间黄光模式的变化更加明显，说明夜间的光照作用效果更加显著。上午10点时，各组的褪黑素浓度迅速降低，组间差异较小，趋于白天的稳定水平。其中夜间黄光模式的降低幅度最小，说明在上午9点时浓度已经基本稳定，接近白天的清醒水平，节律相位有前移的趋势。夜间强光模式的褪黑素浓度降低幅度最大，其次是晨间强光模式，说明光照刺激的时刻不仅会影响夜间褪黑素的正常分泌，也会对第二天上午的褪黑素浓度产生影响。

图7 各组被试周日起床后逐时的褪黑素浓度变化Fig.7 Hourly changes of melatonin concentration in each group after getting up on Sunday

2.2 睡眠数据

基于睡眠手环得出的入睡时间、醒来时间、睡眠时长和清醒次数等数据，对被试在各种光照模式下的睡眠质量进行综合评价(图8～图11)。参照现状模式的第2晚入睡时间提前、睡眠时长增加，睡眠得分也有所提高，有可能是适应了实验环境的缘故，但觉醒次数变多。夜间强光模式在夜间受到的光照刺激最强，其入睡时间明显晚于其他模式，且睡眠时长最短，睡眠得分最低，表明被试在该光照模式下的睡眠质量最差。夜间黄光模式的入睡时间有所提前，但睡眠时长变短、觉醒次数增加，整体的睡眠得分下降，没有起到很好的睡眠改善效果。晨间强光模式的入睡时间有所延迟，睡眠时长基本不变，但觉醒次数有所减少，整体睡眠质量有所降低。

图10 各组被试两晚的清醒次数变化Fig.10 Changes of waking times of each group in two nights

图11 各组被试两晚的睡眠得分变化Fig.11 Changes of sleep scores in each group during the two nights

因此，睡前的强光刺激对睡眠潜伏期的影响显著强于上午的强光刺激效果，睡前低色温低节律刺激的光照模式对睡眠潜伏期的减少有积极的诱导作用。密闭1天后，各光照场景下的第2晚清醒次数普遍增加，采用了强白光刺激的夜间和晨间强光模式的清醒次数最低，有可能是白天缺乏高强度的光照刺激导致了觉醒次数的增加，还需要进一步的长期实验进行验证。

3 讨论

光照的强度、光谱功率分布、光照时刻、时间周期和光照历史等因素对人体的生物节律会产生综合作用[25,26]。本次密闭人因实验在屏蔽天然光的前提下，探讨了短期日光缺乏对人体褪黑素分泌和睡眠节律的整体影响；通过改变光照刺激的时刻(分别在夜间和早晨进行强光刺激)和光照强度(夜间的生理节律刺激值CS的变化)，初步探索光照强度的变化和不同的光照时刻对密闭空间人员褪黑素浓度和睡眠质量的影响。

密闭1天后的睡前(24点)和醒后(9点)的褪黑素浓度有明显变化，第2天夜间24点的褪黑素浓度明显降低，第二天上午9点的褪黑素浓度明显升高，第二天的节律相位整体有后移的趋势。刘红等[27]在“月宫365实验”中对4名被试分别在第21天、42天和63天进行了尿液褪黑素的检测，发现在没有自然光的条件下，褪黑素浓度峰值的时间普遍发生了延迟。Mills[28]让1名男性被试在地下密闭洞穴中独自生活了105天，发现入睡和醒来时间每天都会发生推迟，但始终保持着24 h时左右的睡眠觉醒周期。在本次实验中，密闭1天后的褪黑素节律已经开始出现延迟的趋势，更明显的相位变化还需要长期的密闭实验进行验证。

夜间强光模式明显抑制了褪黑素的分泌，也导致了第二天上午醒来后的褪黑素浓度升高；入睡时间出现延迟，睡眠得分下降，睡眠质量明显降低。而晨间强光模式将强光刺激的时刻改为上午，夜间的褪黑素浓度降低幅度略低于参照现状模式，晨起后的褪黑素浓度增幅也略低于参照现状模式，对节律相位起到了一定的前移作用，但是效果不及夜间采用低色温光照刺激的黄光模式，说明睡前夜间的光照作用效果更加显著。Hohn等[29]研究了夜间使用手机对昼夜节律、睡眠和警觉性的影响，让14名男性被试分别在睡眠实验室度过了三晚，其中一晚可以正常使用手机90 min，第二晚对手机增加了蓝光过滤器以减少短波长的光照刺激，第三晚不得使用手机，只能阅读纸质材料；结果发现使用手机时的主观嗜睡程度减少，但第二天上午皮质醇的觉醒反应、早期慢波睡眠和客观警觉性降低；不使用手机的夜间褪黑素浓度和皮温增加；表明光照不仅会影响昼夜节律和夜间嗜睡程度，还会进一步影响第二天早晨的睡眠生理和警觉性，使用蓝光滤镜可以减少这些负面影响。本次实验的结果与之相似，夜间光照的强度不仅会影响睡前的褪黑素分泌，也会对早上醒来的褪黑素浓度产生影响，睡前的光照刺激越强，上午醒后的褪黑素浓度越高，而上午的强光刺激也会减少夜间光照对褪黑素分泌的抑制作用。

在睡眠方面，考虑到环境的适应性，参照现状模式第2晚的手环睡眠得分有所提高，但觉醒次数增加，睡眠质量的整体趋势变好。夜间黄光组的入睡时间有所提前，晨间强光组的入睡时间并没有实现预期的提前效果，睡眠得分均有所降低，对睡眠质量的改善效果尚不明显。Mars500项目[30,31]对6名健康的多国志愿者进行了持续520天的火星旅行高保真模拟，长期密闭对心理和行为变化的影响存在显著的个体差异，但是总体睡眠和休息的时间比例增加，清醒的时间减少，睡眠质量变差，睡眠—觉醒时间发生了变化，且认知能力和积极情绪均降低。由于本研究在每周末的实验中只进行了一天的光照干预，初步探索了短期密闭空间内的褪黑素浓度和睡眠质量变化趋势，更明显的节律偏移效应和睡眠质量变化需要后续进行长周期的实验。唐博等[32]对养老院的5名高龄老人的眼部光照剂量和时空规律进行了短期研究，记录了眼部照度、光谱和节律刺激CS值的逐时变化，并进行觉醒度和光环境感受的主观评价，发现老人的眼部曝光量时空分布差异明显；个体差异和空间类型对眼部曝光的影响显著，但是眼部曝光与觉醒度评价和光环境感受间的相关性尚不显著，后续将扩大样本量和环境监测手段，将更多的环境变量与光环境参数进行综合分析。考虑到个体差异，后续研究会对被试的睡眠类型进行严格的筛选和作息规律控制，进行更大样本量的试验。手环得出的觉醒次数相对于主观评价得出的觉醒次数偏低，后续实验应结合睡眠日志进行主观调查，采用多导睡眠记录仪等设备，进一步完善睡眠监测的方法。

除了密闭空间，在地下商场、地铁交通、大进深办公空间、工业建筑等缺乏天然光的空间，利用光照干预人体节律，使其相位适应各自的轮班工作时间，减少昼夜节律紊乱对身心健康带来的危害，对保障人员的作业能力具有重要的现实意义。