《npj Biological Timing and Sleep》：Considerations and guidelines for photic measurement in field studies of the physiological effects of light
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针对光非视觉效应的实验室研究光照测量指南近期已提出。然而，在受控环境之外，独特挑战需要对这些建议进行额外考量与修改。本文旨在基于先前工作，概述影响现场光暴露及光生理效应的眼前（pre-ocular）、眼部（ocular）及眼后（post-ocular）因素及相
针对光非视觉效应的实验室研究光照测量指南近期已提出。然而，在受控环境之外，独特挑战需要对这些建议进行额外考量与修改。本文旨在基于先前工作，概述影响现场光暴露及光生理效应的眼前（pre-ocular）、眼部（ocular）及眼后（post-ocular）因素及相关考量。本文详细讨论了在实地工作中应用实验室测量指南及工具的实际限制和光照测量策略，包括不同方法的权衡取舍。本文提供了一份用于现场研究的光照测量标准操作程序（standard operating procedure, SOP），特别关注变异来源的管理，并附有一个将该程序应用于近期研究的实例。最后，本文指出了在睡眠、昼夜节律及其他光非视觉效应现场研究中光照测量所面临的未来方向与剩余挑战。
论文主体内容总结
影响光暴露及光生理效应的因素
光刺激
时间（Timing）
在影响昼夜节律调节的因素中，光暴露的时机具有独特性，因为它同时影响相移的幅度和方向。生物夜早期（biological night）的光暴露产生相位延迟（phase delay），而生物夜晚期或清晨的相同刺激则产生相位提前（phase advance）。相位响应曲线（phase response curve, PRC）描述了昼夜节律时相与相移之间的关系。在一项高度受控的实验室研究中，使用6.5小时10,000勒克斯（lx）的明亮白光脉冲生成PRC，结果显示最大相位延迟和相位提前分别出现在核心体温最低点（core body temperature minimum, CBTmin）前后约3-4小时，而在CBTmin附近或生物日期间几乎无相移。尽管PRC的整体形状高度可重复，但相移的幅度和确切时间随刺激强度、光谱、持续时间、既往光史及个体昼夜节律生理特性而变化。除相移外，其他生理效应如急性警觉特性在夜间对光的敏感性似乎高于白天。
强度（Intensity）
在相同昼夜节律时相下，光的生理效应表现出强度依赖性响应，随着光强度增加，效应逐渐增大直至饱和。这一关系通常由S形剂量-反应曲线描述，其特征包括阈值、半饱和常数（ED50）和最大响应。在一项里程碑式的实验室研究中，使用6.5小时多色白光脉冲，昼夜节律相移的ED50值约为100 lx，褪黑素抑制的ED50值约为165 lx，响应分别在约500和1000 lx时饱和。一项后续的受试者内研究报告了较低的褪黑素抑制平均ED50值（约25 lx），但也展示了在相对同质的年轻成年人群体中显著的个体间变异性，最敏感参与者50%抑制发生在约6 lx，而最不敏感者则在约350 lx。这些研究共同表明，响应范围和个体间敏感性均可存在显著差异。
光谱（Spectrum）
跨波长比较剂量-反应曲线可得到作用光谱（action spectra），描述光非视觉响应的光谱敏感性。实验室研究一致识别出光谱短波区域（470-500 nm）的峰值敏感性，这与黑视素（melanopsin）的峰值吸收紧密对应。在一项使用单色光且受试者瞳孔经药物扩大的作用光谱研究中，褪黑素抑制的ED50值从464 nm处的约2 lx到620 nm处的约400 lx不等，代表了约200倍的敏感性差异。然而，这些实验条件可能相对于典型的现实世界暴露夸大了光谱差异，因为现实中的光源主要是多色的且瞳孔可自由响应。光谱测量可用于推导α-opic量，以估计每种视锥细胞类别、视杆细胞（rhodopic）及含黑视素的内在光敏视网膜神经节细胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGCs）的刺激程度，提供生物学相关的光暴露测量指标。
空间配置（Spatial configuration）
光刺激的空间排列可影响进入眼睛的光强度和光谱质量，且最终接受光输入的视野区域也可直接改变生理响应。这在现场研究中尤为重要，因为视野中的照明通常不均匀且相对位置随时间变化。在实验室研究中，使用多色白光和药物扩大的瞳孔，下视网膜（inferior retina）的照明产生的褪黑素抑制约为上视网膜（superior retina）的2-3倍，鼻侧和颞侧视网膜刺激之间也观察到类似差异。同样，对于相同光子剂量，双眼暴露通常比单眼暴露产生更大的褪黑素抑制。尽管这些发现表明视网膜暴露区域影响光的生物学有效性，但它们仅在相对有限的实验室条件下得到证实，并可能与其他光刺激特征相互作用。
持续时间（Duration）
光暴露的持续时间也影响生理响应。即使是短暂的暴露，包括单次15秒或2分钟的明亮多色光脉冲（约9500 lx），在适当的昼夜节律时间给予时也能引发显著的褪黑素抑制和相移。然而，增加暴露持续时间会产生递减的回报。在一项研究中，12分钟暴露在每分钟产生昼夜节律相位延迟的效率上，是4小时暴露的五倍以上，半最大相移发生在大约1.8小时后。尽管这种非线性关系看似稳健，但暴露持续时间效应的幅度可能取决于波长、昼夜节律时相及光刺激的其他特征。
环境、物理特征及个体行为
除光源本身外，其他因素可改变进入眼睛的光的物理特性，且这些因素在现场研究中不易控制。环境特征如地理位置、方位朝向、大气条件、窗户和天窗以及空间内表面处理均可能影响光的强度、吸收、散射、透射和反射。例如，较高海拔、较低纬度和晴朗天气可能经历更大强度的阳光。大气污染物、烟雾和湿度水平也影响光粒子的散射和吸收。将室外光引入室内时，窗户的透射特性可因其尺寸、位置、透明度、色调和遮盖物而变化。表面颜色和饰面可进一步影响光反射和扩散。此外，个体在身高和面部构造形态上的差异以及某些行为将进一步影响到达眼睛的光量。这些物理特征改变遮挡、阴影和角膜表面入射光的几何形状。其他形态差异如眉脊大小和长度、睫毛密度及眼窝深度也可能影响进入眼睛的光强度。个体光暴露模式还可能受到诸如眯眼、注视方向、头部倾斜、眨眼、使用配件（如帽子、头盔、太阳镜或渐进镜片）、有意过滤装置和软件应用以及空间内外移动等行为的影响。
眼部（Ocular）
一旦光信号进入眼睛，虹膜颜色、瞳孔动力学和晶状体健康等因素可进一步影响对光的生理响应。虹膜颜色较浅的个体相对于深色眼睛者往往对光更敏感。控制虹膜的肌肉对瞳孔的扩张或收缩也很重要，这决定了到达视网膜的光量。散瞳剂和其他药物可改变瞳孔动力学，进而影响光的生理效应。剂量反应曲线已证明，在同一受试者中，瞳孔自由收缩与药物扩大条件相比，短波长光褪黑素抑制的敏感性降低约38%。独立于瞳孔动力学，眼部生理的发育变化也可影响个体对光的响应。例如，学龄前儿童对相移和褪黑素抑制的光敏感性显著增加，在低至5 lx时即接近最大响应，但这种敏感性在青春期开始减弱。到老年期，对光的生理响应通常减弱，部分原因可能是晶状体自然黄化以及瞳孔尺寸减小。例如，一项研究发现短波长光的晶状体透射率从20岁时的约70%降至70岁时的25%，减少了到达视网膜的生物学有效光量。当光到达视网膜时，经典光感受器（视杆细胞和视锥细胞）以及含黑视素的ipRGCs为视觉和非视觉生理效应转导光，但后者响应主要由ipRGCs介导。每种光感受器类型含有独特的视蛋白（opsins），在可见光谱（约360-770 nm）内不同程度地吸收和转导光，人类黑视素的峰值光谱敏感性约为480 nm。含黑视素的ipRGCs整合光信息较慢，且响应比经典光感受器更持续。重要的是，ipRGCs与视杆和视锥光感受器通路相互作用，但这些通路如何单独及相互依赖地影响哺乳动物生物过程仍是活跃研究领域。当该系统任何组件受损时，对光的生理响应可能受损或完全丧失。
眼后（Post-ocular）
眼前和眼部因素主要决定到达视网膜的光输入量和分布，而眼后通路则决定该信号如何被传递、整合并转化为下游生理和行为响应。视网膜光信号通过视觉和非视觉通路传递至多个脑区。光信息通过视神经、视交叉和视束沿视觉神经通路到达外侧膝状体核（lateral geniculate nucleus, LGN）、膝状体间小叶（intergeniculate leaflet, IGL），最终到达大脑视觉皮层区域。驱动非视觉生理响应（如昼夜节律和神经内分泌调节）的光输入通过视网膜下丘脑束（retinohypothalamic tract, RHT）沿另一条通路到达视交叉上核（suprachiasmatic nuclei, SCN）。SCN是哺乳动物的中央昼夜节律起搏器，投射至众多其他脑区。某些神经系统疾病可导致被认为与SCN完整性变化有关的昼夜节律紊乱。光的非视觉和视觉效应也受到LGN/IGL与SCN之间间接通路的影响。此外，ipRGCs对SCN以外其他脑区有直接投射，参与瞳孔收缩、睡眠和情绪调节。因此，如果这些神经基质中的任何部分受损或改变，可能影响光的生理效应。
多种额外的情境因素可进一步调节对光的非视觉响应。生物学特征如遗传学可影响昼夜节律周期以及时型（chronotype），从而影响时相。在光敏感性方面也存在显著的个体差异，在相对同质的健康年轻成年人群体中，褪黑素抑制的差异据报道超过50倍。此外，药物和健康状况可放大这些差异。例如，某些选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（selective serotonin reuptake inhibitors, SSRIs）如西酞普兰已被证明可增加褪黑素抑制。此外，通常与昼夜节律紊乱相关的疾病（如情感障碍、睡眠障碍）可通过改变睡眠和觉醒时间影响光暴露模式。
即使是先前的光暴露（光史，light history）也能显著调节随后对光的生理响应。研究表明，在测试光脉冲之前的数小时和数天内相对光强度可调节观察到的响应幅度，包括人类的褪黑素抑制和相移。也有证据表明先前昼长（即光周期，photoperiod）可能影响人类昼夜节律生理，如某些个体的褪黑素分泌模式。模型系统研究发现，冬季光周期（短日）条件下光诱导相重置的敏感性相对高于夏季（长日）条件。与此一致，当人类被安排相对较长睡眠时长从而产生较短光周期时，表现出增加的光诱导相移。尽管光史的影响得到充分支持，但受影响的特定持续时间、时机和生理响应仍是活跃研究领域。
