《Building and Environment》：Spatial dependence of alertness on metameric lighting in low-light environments
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•空间光分布塑造了低光同色异谱照明下的警觉性。•警觉性增益取决于非视觉激活与视觉负担之间的平衡。•上方照明增加了神经负荷，却未能改善主观警觉性。•下方照明改善了反应时间及晚期皮层反应。•健康的低光工作环境需要整合光谱与空间设计。引言光是人类视觉感知的基础。它同时作为关键的環境
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空间光分布塑造了低光同色异谱照明下的警觉性。
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警觉性增益取决于非视觉激活与视觉负担之间的平衡。
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上方照明增加了神经负荷，却未能改善主观警觉性。
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下方照明改善了反应时间及晚期皮层反应。
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健康的低光工作环境需要整合光谱与空间设计。
引言
光是人类视觉感知的基础。它同时作为关键的環境因素，调节着各种非视觉生理过程，包括睡眠-觉醒周期[1]、昼夜节律[2]、警觉性[3]和情绪[4]。这些非视觉反应主要通过内在光敏视网膜神经节细胞（ipRGCs）介导，该类细胞表达黑视蛋白[5,6]。在各种非视觉反应中，警觉性对于维持清醒状态、持续注意力和快速响应刺激具有基础性作用。ipRGCs将光信号传递至参与警觉性的脑网络，从而驱动皮层激活[[7], [8], [9]]。这种能力直接影响认知表现和操作安全[3,10]。在缺乏自然日光的环境设置中，如夜间驾驶、工业控制和低光操作等，个体容易受到中枢疲劳和警觉性下降的影响[[11], [12], [13]]。因此，基于光干预以维持警觉性的研究具有明确的实际意义，同时也对非视觉反应的定量评估提出了更高的要求[14,15]。
当前研究主要关注光谱特征和光剂量如何调节警觉性。研究表明，增加环境照度或利用短波富集光源（例如高相关色温，CCT）可以有效增强夜间或睡眠剥夺条件下主观和客观的警觉性，并改善认知任务表现[[10], [11], [12]]。例如，夜间暴露于6500K CCT照明不仅抑制褪黑素分泌，还显著缩短了精神运动警戒任务（PVT）中的反应时间[16]。然而，照度或CCT等光度参数并不总能可靠地预测非视觉反应[7]。为此，国际照明委员会（CIE）引入了基于黑色素型（melanopic）的度量指标，如黑色素型等效日光照度（m-EDI）[14]，这些指标显示出更高的预测可靠性[17,18]。进一步的研究证实，补充高m-EDI照明可以显著改善睡眠剥夺条件下的警觉性和认知表现[19]。近期的同色异谱照明研究表明，即使在保持照度和视觉外观恒定的情况下，仅通过选择性调节黑色素型刺激仍可以改变主观警觉性和脑电图特征[20]。总体而言，这些研究建立了以光谱剂量为中心的非视觉评估策略。然而，大多数此类工作是在夜间或睡眠剥夺条件下进行的，白天的证据相对稀疏且异质。一项系统综述报告了警觉性和工作记忆的一致性效果，但持续注意力的研究结果存在分歧[21]。研究进一步表明，光的方向性和光源尺寸独立地调节白天的警觉性、认知表现和创造性输出[[22], [23], [24]]。一项关于白天居家工作的现场研究同样发现，光照水平往往达不到推荐目标，而额外照明可改善反应时间[25]。然而，这些工作均未研究这些空间因素与ipRGCs在视网膜上不对称分布之间的关系。
空间光分布对于非视觉反应的重要性不亚于光谱特征和照度水平。这是因为ipRGCs在视网膜上呈不对称分布，在视网膜下部的密度和敏感性更高[[26], [27], [28]]。此外，ipRGCs接受来自S锥体的广泛输入，进一步将空间光入射与非视觉反应联系起来[29]。因此，来自不同方向的光可以产生不同的非视觉效果。而且，现实世界中的照明很少是均匀半球形的。由于眼部光学系统会倒置入射图像，视网膜下部最好由视线上方来的光照达。然而，眉弓和上眼睑悬垂在眼眶上方，优先衰减陡峭的上方入射角，加上习惯性的头部姿势和注视方向进一步限制了这一通路，在真实观看条件下使有效黑色素型刺激减少高达60%[30]。这种生理不对称性结合物理遮挡，在非视觉警觉性与视觉舒适性之间造成了对抗。视觉舒适性指的是个体对空间光环境的舒适体验程度[[31], [32], [33]]。在低光环境中，光源与其周围之间的亮度对比十分显著，不适眩光通常是主要的视觉舒适关注点。例如，增加上方照明以达到推荐的m-EDI水平[18]可能增强非视觉刺激，但也存在不适眩光的风险。眩光破坏暗适应，引发防御性瞳孔反应，并损害任务表现，可能会抵消较高光谱剂量的警觉性益处[[31], [32], [33], [34], [35], [36], [37]]。然而，当前的非视觉模型（基于m-EDI）在很大程度上忽略了空间几何和眩光[14,38,39]，而视觉舒适模型则忽视了非视觉效应[[31], [32], [33]]。因此，光谱剂量框架无法解释非视觉益处和视觉负担如何在不同空间条件下进行权衡。在实践中，当前的健康建筑标准规定了黑色素型剂量目标[18]，但尚未提供关于光源位置或入射几何方面的指导——这一点在低光环境中尤为重要。具体而言，在低光环境中，尚不清楚空间靶向刺激是否受到局部视觉不适的约束，以及这种效果在主观、行为和神经层面是否存在差异。
除了上述视网膜和眼部机制外，空间变化的光入射预期还会激活非视觉觉醒通路，产生下游的皮层效应。ipRGC信号通过视交叉上核传递至视交叉上核，并由此到达脑干觉醒中枢，如蓝斑[40]。这种光驱动的脑活动调节不仅限于视觉处理，还延伸至听觉注意和工作记忆任务[9]。N200和P300本身就是公认的冲突监控[41]和注意资源分配的模态通用标记，通常通过听觉奇偶任务范式诱发，因此它们提供了这一相同觉醒通路的神经读数。
在此，我们研究了空间光分布如何调节非视觉反应及其与低光环境中视觉舒适性的相互作用。我们假设上方照明会引发更强的非视觉刺激，但对视觉舒适性的代价更大，而下方照明则会产生较为温和的刺激，同时更好地保持舒适性。利用同色异谱照明平台，我们在46名健康成人中比较了上方（30°/42°）、下方（20°）和复合照明，结合奇偶任务和多维度脑电图。警觉性在主观、行为和神经层面进行评估，视觉舒适性则通过不适眩光进行评价。我们的结果表明，上方照明尽管靶向ipRGCs密集的视网膜下部，却未能改善主观警觉性，并伴随不适眩光。相比之下，下方照明减少了视觉不适，缩短了反应时间，并增强了晚期皮层激活。进一步分析表明，在主观、神经和行为层面存在层级阈值。这些发现表明，空间光分布是非视觉反应的关键因素，应整合到未来的健康照明设计中，表明仅黑色素型剂量是警觉性的不完全预测因子，并为夜间驾驶和工业控制等低光职业环境提供了实用指导。
章节摘要
方法
为了研究光的空间特征如何在低光环境中调节警觉性，我们开发了一个基于五通道LED照明系统的实验平台，该系统具有多种空间光分布。在以下章节中，我们描述了基于静默替代方法生成具有匹配视觉外观但不同m-EDI的同色异谱照明的过程[43]，四种空间光条件及其对应的不适眩光评价（第2.1节）
结果
我们首先报告主观和行为结果，随后是来自脑电图频谱、ERP和ERSP分析的神经生理学发现，最后以所有指标上的综合剂量-反应模型作为结论。
讨论
尽管健康建筑标准和先前的研究一致认为增加m-EDI可以增强警觉性[18,60]，但结果表明，在低光环境中这种效果可能并非线性增加。相反，空间光分布似乎调节着警觉性，表明仅黑色素型剂量目标对于低光环境而言不是充分的设计指导。多模态数据表明，高m-EDI带来的非视觉增益与诱导的局部不适眩光和视觉负担相互竞争
结论
在本研究中，我们研究了空间光分布如何与低光环境中同色异谱照明的警觉性效果相关。我们评估了主观评分、行为表现和脑电图时频指标。结果表明，m-EDI的警觉性效果在不同条件下有所变化，而非均匀一致。上方照明在特定角度（30°）下提供了有限的客观警觉性益处，但未能改善主观警觉性，表明存在干扰
基金
本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何特定资助。
CRediT作者贡献声明
李浩怡： 论文撰写 - 审阅与编辑，论文撰写 - 初稿，可视化，验证，资源，方法学，调查研究，形式化分析，数据管理，概念化。秦邦： 概念化，调查研究，方法学，监督指导，验证，软件，数据管理，论文撰写 - 审阅与编辑。姚琦： 监督指导。蒋文成： 软件，验证。苏秋硕： 调查研究。李丹： 软件。胡旭衡： 调查研究。陈神飞： 监督指导。
数据可用性
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