光学仪器  2017, Vol. 39 Issue (4): 60-65   PDF    
特种LED光组合减轻抑郁症症状的机理研究
王丹妮1, 张大伟1, 王成2     
1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093;
2. 上海理工大学 医疗器械与食品学院, 上海 200093
摘要: 抑郁症是一种患病率高、易复发的精神疾病,会造成生活质量下降,认知功能损伤等问题,严重时还会产生自杀想法和自杀行为。研究表明,机体褪黑激素含量的减少可能引发抑郁症。研究光照强度、光谱分布等对褪黑激素分泌的影响,光线疗法对抑郁症的作用以及利用LED光谱可调且智能化的优点,根据不同场合和时间段的需求,整合出不同维度的光,给人们带去舒适的体验,创造利于身心健康的光环境,从治疗和预防两方面更好控制抑郁症。
关键词: 抑郁症     褪黑激素     照度     光谱分布     光疗     健康光照    
Research on mechanism of combination of special LED on reducing symptoms of depression
WANG Danni1, ZHANG Dawei1, WANG Cheng2     
1. School of Optical-Electrical and Computer Engineer, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;
2. Institute of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: Depression is a mental illness with high prevalence and recurrence.It will cause the low life quality and the problem such as cognitive impairment and lead to suicide when the disease is severe.Research has shown that less melatonin levels of the organism can induce the depression.This article mainly introduced the relationship between the secretion of melatonin and light intensity with spectral distribution, the effects of light therapy for depression.According to the LED spectral adjustable and intelligent, we integrate the different dimensions of light to bring people comfortable experience and create light environment conducive to the physical and mental health for the treatment and prevention to relieve the depression well.
Key words: depression     melatonin     illuminance     spectral distribution     phototherapy     healthy lighting    
引言

抑郁症是一种会导致患者功能残疾、患病率高且反复发作的精神疾病, 影响患者的生活和工作, 加重了家庭和社会的负担。现代社会的快速发展以及无处不在的竞争机制更是加重了抑郁症的患病率, 也使得抑郁症越来越年轻化。据世界卫生组织统计全世界抑郁症的发病率约为11%, 共有超过3.4亿名患者[1], 已成为世界第4大疾患。预计到2020年, 抑郁症可能成为仅次于冠心病的第2大疾病[2]

药物治疗结合心理辅导是目前临床实践中最常用的治疗方法, 药物治疗的效果不如预期, 约有40%的患者对抗抑郁药物没有反应[3], 同时, 抗抑郁药存在明显的副作用, 如:依赖性、损害认知与记忆[4-5]和脏器功能受损等, 影响患者的健康。心理疗法见效缓慢, 只适用于轻度抑郁症。大量研究发现, 机体褪黑激素的含量减少与抑郁症有关。照度和光谱等参数会影响褪黑激素的分泌, 因此, 光线疗法可能成为代替药物治疗抑郁症的一种安全、有效的治疗方法。

1 褪黑激素与抑郁症的关系

抑郁症患者通常伴有睡眠障碍, 是昼夜节律紊乱的表现。褪黑激素能调整人体生物钟, 改善睡眠的作用, 这已在临床上得到证实[6]。抑郁症的发病机理十分复杂, 研究发现, 抑郁症患者夜间褪黑激素的浓度较正常人低, 褪黑激素是由5-羟色胺在N乙酰转移酶的作用下, 将乙酰基从乙酰辅酶A转移到5-羟色胺氨基形成乙酰血清素后合成的[7]。脑内5羟色胺的含量下降可能会降低褪黑激素的分泌, 褪黑激素的昼夜和季节分泌节律发生变化可能会导致季节性情感紊乱以及内源性抑郁症[8], 研究发现[9-10], 抑郁症患者发病期间褪黑激素分泌减少, 待症状缓解后褪黑激素的分泌量有一定回升, 这也说明了褪黑激素与抑郁症存在密不可分的联系。

2 光照影响褪黑激素的分泌

视觉系统中, 视网膜包含3种感光细胞, 分别为视杆细胞、视锥细胞和视网膜神经节细胞。其中视网膜神经节细胞不参与视觉成像, 它是内在感光的, 主要负责人体的非视觉生物效应, 协调人体的生理节律周期。光进入人眼后的作用过程如图 1所示, 光线投射到视网膜上后, 通过自主感光的视网膜神经节细胞(ipRGC)将信号传递给视交叉上核(SCN), SCN通过其特定的神经通路连接到松果体来分泌褪黑激素[11]。褪黑激素的分泌存在昼夜节律性, 白天褪黑激素的分泌较少, 黑夜后快速增加, 凌晨2~3点达到顶峰。褪黑激素进入血液后流向全身从而调节生物节律和神经内分泌等。

图 1 光进入人眼后的非视觉通道 Figure 1 The non-visual channel of light entering the eye
2.1 光谱分布对褪黑激素的影响

褪黑激素是一种受光周期影响的激素, 是机体表达黑暗的化学信号, 相同照度下, 机体生理系统和松果体对光谱分布不同的光源有不同的灵敏度响应。视网膜中视杆细胞对弱光敏感, 产生暗视觉; 视锥细胞能感受强光, 产生明视觉; 视网膜神经节细胞则与节律周期有关。视杆细胞的最大响应波长为507 nm, 视锥细胞的最大响应波长为555 nm。最初的研究认为, 峰值在509 nm的光对褪黑激素的抑制最明显[12], 该值与暗视觉的最大光谱响应波长接近。随着研究的深入, Brainard等[13]发现视杆、视锥细胞并不是参与抑制褪黑激素的主要光感受器, 峰值波长在446~477 nm之间的光比长波长的光更有效地抑制夜间褪黑激素的分泌, 这个波长区间正好在视网膜神经节细胞的最大响应波长附近, 如图 2所示。Wright等[14]分别用470 nm、497 nm、525 nm、595 nm和660 nm的LED每天照射受试者一定时间, 结果表明470 nm的蓝光LED照射40~50 min时对褪黑激素的抑制率最大。鲁玉红等[15]通过实验用468 nm、457 nm和453 nm的蓝光LED照射健康人体进一步表明在峰值波长为468 nm的蓝光下, 被试者的工作效率最高且不易感到疲劳。因此初步认为短波长的光对机体生理节律周期的敏感度要高于长波长的光。

图 2 明暗视觉和生理节律的光谱灵敏度 Figure 2 The spectral sensitivity of photopic and scotopic vision and circadian rhythms
2.2 光强对褪黑激素的影响

褪黑激素不仅受光谱成分的影响, 对光照强度也有着灵敏的反应。不同生物体有各自的光强灵敏度。大鼠的松果体对光强十分敏感, 小于10 lx的光照就能使N乙酰转移酶的活性下降50%[16]。猴子需要500~600 lx的光照才能抑制褪黑激素的分泌[17]。而人类与其他哺乳动物相比似乎需要更高的光强度才能抑制褪黑激素[18]。Lewy等[19]在凌晨2~4点用500 lx和2 500 lx的光分别照射2 h, 发现暴露在2 500 lx光照下的个体在前10~20 min内褪黑激素浓度快速下降, 1 h左右到达最低且保持稳定, 待进入黑暗环境42 min内褪黑激素的浓度会快速上升, 甚至高于光照前。而处于500 lx光照下个体的褪黑激素浓度几乎没有变化, 进入黑暗环境后非但没有上升还略微下降。进一步用1 500 lx的光照射健康个体后测试发现其效果与2 500 lx的光相似, 使褪黑激素的浓度降低50%。Mclntyre等[20]通过实验研究了5种不同强度的光照对褪黑激素的抑制率。如图 3所示, 光强为3 000 lx、1 000 lx、500 lx、350 lx和200 lx的同一种光在午夜照射健康人体1 h后, 褪黑激素的抑制率分别为71%、67%、44%、38%和16%。光照越强对褪黑激素的抑制作用越明显, 照度弱的光需要照射一段时间后才能抑制褪黑激素的分泌, 即使增加照射时间也无法达到高照度光的抑制效果。比较Lewy和Mclntyre的实验发现相同光强的褪黑激素抑制率不同, 可能是光照时间的不同造成的。已知白天人体的褪黑激素浓度低, 进入午夜后, 褪黑激素开始快速分泌, 在凌晨2~3点达到峰值, 推测午夜至凌晨1点对光的干扰最为敏感。因此, 光照强度、光谱分布影响褪黑激素分泌的同时, 光照时间也会造成人体褪黑激素含量的差别。

图 3 不同光强下褪黑激素分泌量 Figure 3 Melatonin production under different light intensity
3 光线疗法治疗抑郁症

自1984年, Rosenthal等[21]发现2 500 lx的光照能缓解季节性情感障碍患者的抑郁情绪后, 经过30多年的研究, 光线疗法现已成为治疗季节性情感障碍(SAD)的标准疗法。SAD是由于光照不足, 褪黑激素分泌过多使人体昼夜节律紊乱造成的。治疗原理是通过强光照射抑郁症患者一段时间, 患者体内的褪黑激素浓度急剧下降, 照射结束后不久褪黑激素分泌出现反弹, 调整睡眠觉醒周期相位(早晨光照使相位提前, 晚上光照使相位延后), 激活HPA轴(下丘脑垂体肾上腺轴), 使其从异常中恢复从而达到改善抑郁症状的效果。Terman[22]经过大量病例的统计分析发现复发性或慢性抑郁症在一年中随时会发生, 但在冬天会加剧, 因而认为非季节性抑郁症仍存在季节性。因此, 研究认为光线疗法可能也适用于非季节性抑郁症。Wirz等[23]让29个患有复发性抑郁症的患者接受3周光照治疗(5 000 lx, 2 h)后, 抑郁评定量表的分数提高了64.1%, 抑郁情绪得到明显的改善。Goel等[24]每天早晨用10 000 lx的光照射慢性抑郁症患者1 h, 持续5个星期, 患者的抑郁程度与对照组相比改善了50%。Golden等[25], Pail等[26]通过实验也得到了相同的结论。近年来, 美国西奈山医学院的科学家[27]发现用光刺激腹侧被盖区的多巴胺神经元产生很高的超极化激活电流, 使得钾离子通道电流增大, 从而逆转抑郁症状。虽然国内外光线疗法的治疗数据不多, 但其治疗效果确是不可忽略的。

4 LED营造健康的照明环境

人们的生活已经离不开照明, 无处不在的灯光不仅为我们带来了方便也成了诸多健康问题的隐形杀手。人工照明的出现延长了人们的工作时间, 也打乱了人类原本24小时的生物节律, 使得各种疾病蜂拥而至, 抑郁症便是其中一员。抑郁症的治疗是目前的研究热点, 光疗也成为其治疗的有利候选。为了更好地缓解抑郁症, 营造一个利于身心发展的健康照明环境与治疗同样重要。健康的照明环境在保证良好的视觉功效的基础上, 还应考虑光照与昼夜节律、情绪的关系。光照对昼夜节律的影响上文已说明。在情绪方面, 照度与情绪呈倒U型分布[28], 一定照度范围内, 随着光照度的增加, 被照者表现出更多的积极情绪, 但并不能一味的增大, 若超出阈值, 负面情绪就会增加。因此, 过暗或过亮的光照都不利于人的健康。研究发现高色温会显著抑制褪黑激素的分泌, 让人充满紧张感, 长期照射会使人感觉疲惫[29], 低色温产生更多的幸福感。重庆大学对于教室光照环境的相关研究[30]表明:上午9~12点这段时间内使用色温6 000 K左右的白光LED并逐渐将照度增加至1 000 lx, 褪黑激素的抑制率约为0.99, 该光照环境下学生的视觉、心理主观感受最佳; 下午2~5点采用500 lx的中高色温白光LED, 并将色温从高向低过度, 褪黑激素的抑制率约为0.89, 该混光模式下人身体、视觉体验的满意度最高。休息时间选用2 700 K, 300 lx的低色温、低照度的暖白光LED, 此时褪黑激素抑制率较低约为0.59, 身体和心理都比较放松。

人的主观感受随着时间和场合在不断地变化, 先前的研究都采用白炽灯、荧光灯作为治疗光源, 这些灯具无法满足健康照明的要求, 而LED与传统光源相比, 光谱分布可调, 在调节人体昼夜节律方面有明显的优势。已知人眼光感受器对蓝光光谱的灵敏度最高, 蓝光对褪黑激素的抑制最强, 红光的抑制作用最弱, 强光瞬间可以抑制褪黑激素的分泌, 弱光则需要作用一段时间才起效。因此, 人在蓝光含量丰富及高照度水平的照明条件下比较活跃, 工作效率高, 不含蓝光且照度低的照明环境更适合休息。以照度、色温为变量, 控制不同LED照明方式的出光比调节色温和亮度, 得到适合不同场合和时间段的光照, 实现动态照明。光照强度和光谱分布会影响褪黑激素的分泌, 变化的光照时刻调节着人体褪黑激素的浓度, 使人体生理节律周期正常运作, 促进人们的身心健康, 在一定程度上能预防和缓解抑郁症。

5 结语

抑郁症的发病机理复杂, 至今尚不明确, 但已证实抑郁症与褪黑激素的关系密切, 研究发现抑郁症患者体内的褪黑激素含量低于正常人。而光照强度、光谱分布、色温等均能影响褪黑激素的分泌, 调节机体生理节律。用高色温、大功率的LED来治疗抑郁症是一种有别于传统治疗方法的新突破。虽然国内外的研究数据还不够充分, 但不能忽视其作用, 光疗或将成为治疗抑郁症的趋势。此外, 健康的照明环境也同样重要, 不适宜的光照直接影响人的视觉、身体感受引发身心疾病。我们利用LED光谱分布可调且智能的优势, 从视觉、生理和情绪三个方面出发, 根据场合和时间点调制出最适宜的光照, 实现动态照明, 营造利于身心健康的光环境, 从而带给人们舒适的体验。总之, 光疗结合健康的光照环境能从治、防两个角度更好地缓解抑郁症的趋势。

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