同样照度下，日光和电灯对大脑、心率的影响真的不一样？

光环境对人类健康与福祉的影响远超越视觉范畴，其通过非视觉通路深刻调控着生理节律、认知功能及情绪状态。其中，日光作为最强大的外界授时因子，在人体昼夜节律系统的同步化中扮演核心角色，其动态的光谱与强度变化是塑造生物演化适应性的关键。然而，当前研究多采用静态电力照明与高度受控的实验室范式，该范式虽在建立光剂量-反应关系上具有优势，却难以复现真实环境中日光所固有的时空复杂性与动态变化，如光强与光谱的持续演变、方向性以及窗外视野提供的心理效益。这种实验室控制与生态效度之间的脱节，限制了对日光独特生理与认知影响的深入理解。为弥合这一鸿沟，亟需一种创新的实验方法能够在保持必要实验控制的同时，有效捕捉并比较日光与电力照明在非视觉效应上的本质差异，从而为优化建成环境中的健康照明策略提供科学依据。

研究已于期刊Journal of Physics: Conference Series发表。

研究方法

为系统探究这一问题，本研究提出了一套多日半受控实验方案，在瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)四间模拟真实办公室的环境中开展。实验采用被试内设计，每名参与者需完成两次为期两天、每天11小时的访视，分别暴露于日光和电力照明条件下，两次访视间设有72小时基线期。核心控制策略是实现非视觉刺激等效性，即通过匹配两种光源下的视见函数加权照度与黑视素等效日光照度(melEDI)，确保非视觉通路初始输入强度相当，从而公平比较其“内在”属性的差异。为此，日光条件(A和B)通过不同透射特性的滤光片控制垂直照度：中性清晰滤光片保留视野，半透明漫射滤光片消除视野，以单独评估视野因素的作用。电力条件(C和D)使用可调光谱的LED平板灯，其每日光谱与照度根据前一日日光条件的实测平均值编程复制，其中条件D还依据文献中不同波段光对非视觉效应的影响差异(如蓝光促警觉、红光不抑制褪黑素)，引入了依时序变化的光谱调节。实验同步记录环境参数(照度、光谱辐照度)，并通过可穿戴设备监测参与者的个人光暴露、生理信号(心率、心率变异性、皮电、呼吸率、核心体温)、前额叶皮层活动(功能性近红外光谱，fNIRS)，同时结合标准化问卷评估情绪、动机、警觉性及睡眠质量，并采用N-back和PVT任务测量注意与工作记忆表现。

图1. 光环境示意图

图2. 测量设备

实验结果

该实验设计将产生多维度纵向数据，旨在揭示不同光照条件的细微影响。首先，持续监测的光谱与照度数据将量化日光与电力照明在每日动态变化模式(如光谱漂移、强度波动)上的本质差异。其次，整合生理与神经数据有望揭示光照条件对自主神经系统(以心率变异性为指标)、昼夜节律相位(以核心体温日节律为标记)及前额叶皮层血氧动力学(通过fNIRS测量)的特异性调节模式。预期带有动态变化和清晰视野的日光条件(A)可能更有助于维持警觉性和积极情绪并降低压力指标，而光谱优化的电力照明(D)可能在特定时段对认知表现产生类似日光的促进效应。此外，主观问卷与认知任务数据将用于关联客观生理指标，共同构建从光暴露到主观体验、生理唤醒直至认知行为的完整影响链条，精确解析光剂量与生物反应之间的复杂关系。

结论

本研究提出的方法论框架为在生态效度与实验控制之间寻求关键平衡提供了可行的系统性方案。通过严谨的非视觉刺激等效性匹配，该方案有效解耦了光的光学属性(强度、光谱)与感知属性(动态性、视野)，使得研究人员能够在接近真实工作环境的情景下，独立评估两类因素的各自贡献。该方法不仅考虑了光强与光谱的剂量匹配，更创新性地将时间动态和视觉语境纳入研究范畴，推动了光非视觉效应研究从静态还原论向动态整合范式的转变。尽管实施复杂，该平台为后续机制解析奠定了基础，其成果有望为建筑照明设计、健康政策制定及个人化光暴露指导提供可直接转化的科学证据，通过优化人造光环境来弥补现代生活方式中自然光缺失带来的健康代价。

Citation: Bratschi, C., Andersen M. (2025). A methodological framework to isolate and compare the non-visual effects of daylight and electric light. Journal of Physics: Conference Series.
DOI: 10.1088/1742-6596/3140/10/102002

通讯作者：Catherine Bratschi, 洛桑联邦理工学院(EPFL)，瑞士