（物理电子学专业论文）基于瞳孔收缩的非视觉感光系统的研究.pdf

携旦大挚博士学位论文 摘要 摘要 光不仅通过人眼的视觉系统产生视觉图像，而且通过生理、心理和生物的途 径影响人的昼夜节律和健康。本征感光视网膜神经节细胞的发现为光的非视觉效 应提供了神经学依据。此类感光细胞通过非视觉神经通路调节生物钟节律、参与 瞳孑l 对光反射，对诸如情绪、睡眠质量、警觉甚至健康产生影响。照明既有视觉 效应又有生物效应，两者对光照量、光谱、光分布及光照时刻的要求各不相同， 因此迫切需要建立基于健康需求的全新的照明规范和框架体系。 本论文在对国内外关于非视觉感光系统最新研究动态进行充分调研的基础 上，全面系统地介绍了人眼的视觉系统和非视觉系统的神经通路，重点分析了第 三类非视觉感光细胞的特征，以及它们对褪黑素抑制和瞳孔对光反射等的作用。 在此基础上，本论文确定了以瞳孔收缩为参数对非视觉系统进行深入研究。本论 文主要研究了基于瞳孔收缩的光谱响应特性，昼夜节律特性和不同视网膜区域的 特性等三个方面。 本论文根据现有的实验条件，建立一套基于红外数字图像处理法的瞳孔收缩 动态研究实验装置。利用m a t l a b 开发环境，自行编写视频图像处理软件获取 每帧图像中的瞳孔直径像素点，得到不同光刺激下的瞳孔收缩动态响应曲线。以 此为依据，对瞳孔收缩响应的动态过程进行深入细致地分析。共有4 8 人次先后 参与了本论文三部分的实验测试，共得到1 0 6 2 分钟，约7 0 g 大小的视频文件。 通过对实验数据的统计分析，本论文定性分析了三类不同性质的视网膜感光 细胞在不同视觉条件下对瞳孔收缩响应过程的贡献和作用。通过回归分析和合理 的数学模型推导明视觉条件下的瞳孔收缩光谱响应曲线。通过定性与定量分析相 结合的研究方法，明晰三类感光细胞对于瞳孔收缩的作用。本论文认为瞳孔收缩 具有实时性和可重复性，而且三类感光细胞参与瞳孔收缩不同的响应阶段，以瞳 孔收缩为研究对象，可对非视觉效应中三类感光细胞的相互作用机制进行更深入 地研究，通过大量的样本实验和翔实的数据分析有可能推导出三类不同感光细胞 共同作用下的非视觉效应的数学模型。 本论文对基于瞳孔收缩的昼夜节律特性和视网膜不同区域光照下的瞳孔收 缩进行讨论，从不同角度不同内容对非视觉感光系统的研究课题进行拓展，为更 全面地了解基于瞳孔收缩的非视觉感光系统的特性提供参考和信息。 橇旦火擎博士学位论文摘要 本论文除了实验研究，还将理论研究结果与照明实践相结合，采用现场照明 光环境测量和照明效应调查问卷相结合的方法，对室内照明光环境与人的感受、 健康状态的关系进行分析。对基于健康因素考虑的室内照明光环境的设计提出了 建设性的意见。 本课题的研究对于了解本征感光视网膜神经节细胞的功能起到一定的促进 作用，对基于健康需求的室内照明规范和评价系统的建立有着一定的理论意义和 实际意义。 关键词：本征感光视网膜神经节细胞；非视觉效应；瞳孔收缩；光谱响应；昼夜 节律；健康照明 中图分类号：t b l 、q 4 3 i i 橇旦大擎 博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t l i g h t ，w h i c hc r e a t e si m a g e st h r o u g hh u m a ne y e s ，c a na f f e c tc i r c a d i a i nr h ”h ma n d h e a l t ho fh u m a nb o d i e si np h y s i o l o g i c a l ，p s y c h o l o g i c a l ，a n db i o l o g i c a lw a y s t h e d e t e c t i o no fi n t r i n s i c a l l yp h o t o s e n s i t i v er e t i n a l g a n g l i o nc e l l s ( i p r g c s ) p r o v i d e s n e u r o l o g i c a lg r o u n d sf o rt h en o n - v i s u a le f f e c t so fl i g h t t h e s ec e l l sr e g u l a t ec i r c a d i a n c l o c k ，a n dt a k ep a r ti np u p i l l a r yl i g h tr e f l e xt h r o u g hn o n - v i s u a ln e u r a lp a t h w a y s ， w h i c hc a na f f e c tm o o d ，s l e e pq u a l i t y , a l e r t n e s se v e nh e a l t h i n e s s n o ww ek n o w i l l u m i n a t i o nh a sb o t hv i s u a la n db i o l o g i c a le f f e c t s ，b u tt h o s et w oe f f e c t sr e q u i r e d i f f e r e n tl i g h t i n gf l u x ，s p e c t r u m ，l i g h td i s t r i b u t i o na n dt i m i n go fl i g h t t h e r e f o r e ，i ti s u r g e n tt ob u i l da n e ws e to fl i g h t i n gn o r m sa n df r a m e sb a s e do nh u m a nh e a l t h yn e e d s t h i sp a p e rs u m m a r i s e st h ec u r r e n ts t u d i e sa b o u tn o n - v i s u a lp h o t o s e n s i t i v es y s t e m ， a n di n t r o d u c e st h en e u r a lp a t h w a y so fb o t hv i s u a la n dn o n - v i s u a ls y s t e m so fh u m a n e y e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h et h i r dp h o t o s e n s i t i v ec e l l sa r ea n a l y s e s d ，i n c l u d i n gt h e i r i n f l u e n c e so nm e l a t o n i ns u p p r e s s i o na n dp u p i l l a r yl i g h tr e f l e x o nt h ef o u n d a t i o no f t h a t ，t h i ss t u d yc h o o s e st h ep u p i lc o n t r a c t i o na st h ek e yp a r a m e t e ro fn o n - v i s u a l s y s t e m ，a n df o c u s e so nt h es p e c t r u mr e s p o n s ec h a r 璺c t e r i s t i c so fp u p i lc o n t r a c t i o n ， c i r c a d i a nr h y t h ma n df e a t u r e so nd i f f e r e n tr e t i n ar e g i o n s as e to fe x p e r i m e n te q u i p m e n tw a sb u i l tt oa n a l n y s et h ed y n a m i cc o n t r a c t i o no ft h e p u p i l s ，b a s e do nd i g i t a li n f r a - r e di m a g ep r o c e s s i n g i nm a t l a be n v i r o n m e n t ，a i m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e dt oc a p t u r et h ed i a m e t e ro ft h ep u p i li n e a c hf r a m eo f i m a g e ，t h e nt h ep u p i lc o n t r a c t i o nr e s p o n s ec u r v e su n d e rd i f f e r e n tl i g h t s t i m u l a t i o nw a sa c h i e v e d 4 8p e r s o n sh a v et a k e np a r ti nt h ee x p e r i m e n t s ，w h i c h p r o d u c e d1 0 6 2m i n u t e sl o n go f v i d e of i l e sw i t ht h es i z ea r o u n d7 0 g b t h r o u g hs t a t i s t i c so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ec o n t r i b u t i o na n di n f l u e n c eo ft h r e e r e t i n a lp h o t o s e n s i t i v ec e l l so n p u p i lc o n s t r a c t i o nr e s p o n s e su n d e rd i f f e r e n tv i s u a l e n v i r o n m e n t si s s t u d i e d p u p i lc o n t r a c t i o ns p e c t r u mr e s p o n s ec u r v eu n d e rp h o t o p i c v i s i o ni sa c h i e v e dt h r o u g hr e g r e s s i o na n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n g t h i sp a p e r c o n s i d e r sp u p i lc o n t r a c t i o ni sr e a l - t i m ea n dr e p e a t a b l e ，a n dt h et h r e ep h o t o s e n s i t i v e c e l l st a k ep a r ti nd i f f e r e n tr e s p o n s es t a g e so fp u p i lc o n t r a c t i o n t h e r e f o r e ，t h r o u g h s t u d y i n gp u p i lc o n s t r a c t i o n ，w ec a na c q u i r em o r eu n d e r s t a n d i n go ft h em e c h a n i s mo f i l i 握要大擎博士学位论文 a b 。t r a c t h o wt h r e ep h o t o s e n s i t i v ec e l l sw o r ko ne a c ho t h e rd u r i n gn o n v i s u a lp r o c e s s a n da m a t hm o d e lc a ne v e nb eb u i l tt h r o u g hl a r g eq u a n t i t yo fs a m p l i n ga n dd a t a i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c t so fc i r c a d i a nr h y t h ma n dl i g h to nd i f f e r e n tr e g i o n so ft h e r e t i n ao np u p i lc o n t r a c t i o na r ea l s od i s c u s s e d ，i no r d e rt ob r o a d e nt h i ss t u d yo f n o n - v i s u a lp h o t o s e n s i t i v es y s t e m b e s i d e se x p e r i m e n t s ，t h ep a p e ra l s oa d a p t st h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dli g h t i n gp r a c t i c e s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n d o o rl i g h t i n ge n v i r o n m e n ta n df e e l i n g w e l l - b e i n go f h u m a ni sa n a l y z e d ，b yt h em e a n so f o n s i t el i g h t i n gm e a s u r e m e n ta n dq u e s t i o n n a i r e s t h i ss t u d yh e l p st ou n d e r s t a n dt h ei n t r i n s i c a l l yp h o t o s e n s i t i v er e t i n a lg a n g l i o nc e l l s ( i p r g c s ) ，a n dc o n s t r u c tan e ws y s t e mo fi n d o o rl i g h t i n gn o r m sa n de v a l u a t i o n s ， b a s e do nh u m a nh e a l t h yn e e d s k e yw o r d s ：i n t r i n s i c a l l yp h o t o s e n s i t i v er e t i n a lg a n g l i o nc e l l s ，n o n - v i s u a le f f e c t , p u p i lc o n t r a c t i o n ，s p e c t r a lr e s p o n s e ，c i r c a d i a nr h y t h m ，h e a l t h yl i g h t i n g 後里大学博士学位论文绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景及研究意义 自远古时代起，人类的祖先一直过着“日出而作，日落而息”的生活。一百 多年前电光源的出现，改变了人类的生活方式。太阳升起，越来越多的人们开始 从事室内工作，逐渐远离瞬息万变的自然照明环境。夜晚来临，现代照明技术使 人类的夜间活动更加绚烂多彩，逐渐失去浩瀚的夜空和闪烁的星光。室外动态照 明环境和室内相对固定的照明环境，对人类的影响还无法精确计算。但人们已经 开始重视并研究自然光和人工光对人类生理和健康的影响。 人工建筑照明的传统功能要素在于满足视觉功能，提高视觉舒适度，提供美 观的环境和节约能源。但很早以前，人们已经发现光不仅产生视觉图像、视觉反 应，光也是人类昼夜节律、四季循环和神经内分泌的调节割1 2 j ，对人类的生理、 情绪和行为等产生影响【3 】。光还被用来治疗某些疾病，如情绪障碍，失眠症和生 物钟紊乱等等h 。 美国b r o w n 大学b e r s o n 课题组【5 1 2 0 0 2 年在科学杂志上发表题为“调整昼夜 节律视网膜神经节细胞的感光性”的论文，报道了在老鼠的视网膜上发现了第三 类感光细胞。该光感受器不同于视锥感光细胞或者视杆感光细胞，它投射在调节 生物钟的视交叉上核( s u p r a c h i a s m a t i cn u c l e u s ：s c n ) ，被称作本征感光视网膜 神经节细胞( i n t r i n s i c a l l yp h o t o s e n s i t i v er e t i n a lg a n g l i o nc e l l s ：i p r g c s ) 。该类感光 细胞的光电位变换强烈地暗示着黑视素( m e l a n o p s i n ) 起了重要的作用。研究发 现本征感光视网膜神经节细胞将非视觉光信号传递到下丘脑的松果体参与生物 钟调节。科学家们提出非视觉感光系统( n v p s ) 新概念，使之成为神经生理学 的最新组成部分之一。此发现于2 0 0 2 年1 2 月1 9 日被科学杂志评为2 0 0 2 年度十 大科学突破之一。 光进入眼睛后可刺激调节昼夜节律、神经内分泌和瞳孔的大小，该通路独立 于视觉神经通路。合理运用光的非视觉效应可以改善睡眠质量、调节情绪、提高 工作效率、帮助调整时差等等。但如果在不恰当的时间，使用不合适的照明，也 会导致某些疾病的发生。褪黑素拥有较强的抗肿瘤与阻抑雌激素的能力1 6 】。夜间 照明的刺激使褪黑素分泌减少，最终导致雌激素分泌的增多【7 1 。而雌激素数值过 高通常被视为会增加患乳腺癌的风险。s t e v e n s 8 1 总结了各国的研究，得到比较统 一的结果，就是轮班工作会增加女性乳腺癌的发病危险。抑制褪黑素的分泌也会 橇旦大擎博士学位论文绪论 导致儿童出现性早熟1 9 1 。现代人工作、生活方式的改变，对人自身的生理健康产 生很大的影响，因此对照明非视觉效应的研究意义重大。 在照明领域中，专家学者把光对人体生理、心理等产生的影响称为光的生物 效应，并提出了c i r t o p i c ( 司辰视觉) 1 0 , 1 1 】的概念。最新的研究表明光生物效应的 作用远比想象的复杂，不同于基于明视觉、暗视觉的照明光度系统【1 2 , 1 3 j ，基于光 的生物效应对照明的要求与传统视觉功能对照明的要求在光照量、光谱、光分布 以及光照时刻等方面存在很大差异训。因此迫切需要一种新的照明技术理念， 照明评价体系和框架来重新认识和考虑照明光源、照明标准等。基于此类非视觉 感光细胞的研究，将对充分考虑人类生理健康因素的全新照明理念和照明技术产 生重要影响。 非视觉感光系统的生理效应可以通过人体体温，心率，瞳孔大小，以及有关 荷尔蒙浓度如褪黑素浓度变化等表征。在实际照明应用中，我们希望能通过简便 的方法，快速获得的精确数据来评价其生理效应。褪黑素浓度的变化具有明显的 生理特征和节律特性，与非视觉感光细胞的作用有着明确的因果关系，是生理效 应研究中非常重要的一个参数。但其测量方法耗时长，测量步骤繁琐，而且在白 天人体血液或者唾液中褪黑素含量很低，其测量精度受到影响。非视觉感光细胞 影响体温，心率的神经通路尚不明确，作为非视觉感光细胞机理研究的参数条件 不够充分，但体温、心率等可作为衡量照明生物效应作用的参考指标。非视觉感 ，光细胞与瞳孔收缩之间的神经通路逐渐清晰，而且瞳孔直径测量具有客观、快速、 实时的特点，测量重复性好，精度较高。因此本论文提出以瞳孔收缩作为表征用 于非视觉感光系统的研究。同时由于在光生物效应的研究中，进入视网膜的光能 量值非常重要，而瞳孔的大小将影响最终进入视网膜的光量。因此基于瞳孔收缩 的研究对于光生物效应的深入探讨具有非常重要的意义。 本论文以瞳孔收缩作为表征生理效应的参数，采用生理物理实验方法进行研 究。通过测量被测者在不同时刻，不同照明条件下( 光谱不同、亮度不同) ，不 同视网膜照明区域下瞳孔对光收缩的不同反应，研究分析基于瞳孑乙收缩的非视觉 感光系统。根据所得研究的结果，提出充分考虑健康与保健因素的照明理念。对 室内照明现状进行调研，研究照明及其光生物效应对人体生理健康的影响。 本论文通过生理科学、神经科学、照明科学、计算机科学和统计学等多学科 的交叉研究，基于瞳孔收缩对非视觉感光系统的机理进行探讨，对全新的照明设 计框架的确定具有重要参考价值，对基于光生物效应的照明实践具有一定的理论 意义和实际意义。 袒旦大擎博士学位论文绪论 1 2 国内外关于非视觉感光系统的研究动态 b r a i n a r d 课题宝且【1 5 j 和t h a p a n 课题纠1 6 j 在2 0 0 1 年几乎同时发表论文提出抑制 人体褪黑素浓度的光谱响应峰值在蓝色光谱4 6 4 n m 4 5 9 n m 处。这两项研究都表 明抑制褪黑素浓度的光谱响应曲线与己知视觉感光细胞的明视觉和暗视觉光谱 响应曲线有很大的区别，如图1 1 所示。由此他们都提出了在人类视网膜上还存 在着第三类非视觉感光细胞的假设。2 0 0 2 年b e r s o n 等【5 】在老鼠的视网膜上发现 对光感应的非视杆、非视锥的神经节细胞，该细胞轴突与视交叉上核联结，被称 为本征感光视网膜神经节细胞。 4 0 04 5 05 0 05 5 06 0 06 5 07 0 0 w a v e k m g t h n m ) 图1 1 褪黑素抑制光谱响应曲线( 图片来源：文献1 i 5 】) ， f i g u r e1 1a c t i o ns p e c t r u mo fm e l a t o n i ns u p p r e s s i o n 图1 2 视觉与非视觉通路( 图片来源：文献 1 7 】) f i g u r e1 2v i s u a la n dn o n - v i s u a lp a t h w a y 顿霉大擎博士学位论文 绪论 最新的研究结果表明，视网膜上感光细胞的光信号传递包括两条通路：视觉 通路和非视觉通路，如图1 2 所示。视觉感光细胞接受光信号，经过外膝状体( l g n ) 投射到大脑视觉皮层，形成视觉功能的神经通路。非视觉感光细胞将光信号经视 交叉上核( s c n ) 传递到下丘脑的松果体，调节人体生理节律，形成非视觉通路 【1 8 , 1 9 】 o 松果体是人体“生物钟”的调控中心，具有2 4 5 小时的周期性1 2 。依靠光的 触发和刺激，人体的生物钟与自然界2 4 小时的昼夜周期同步。松果体褪黑素的 分泌受光的调节，对睡眠、体温调节和认知功效产生影响【2 。褪黑素在血浆中 的浓度呈昼夜周期变化，白昼降低，夜晚升高( 图1 3 ) 。夜间强光刺激可抑制 褪黑素的分泌，减少睡意的产生，提高夜间工作的警觉性。长期的生物节律紊乱， 会对人体的健康产生不利影响。 三蒙鋈 图1 3 褪黑素2 2 4 h 周期节律变化( 图片来源：文献【1 7 】) f i g u r e1 32 事2 4 hp e r i o d i cr h y t h mo fm e l a t o n i n 研究结果表明褪黑素的抑制受到光强的影响。m c i n t y e 等人1 2 r 2 j 经实验测定5 个不同光照度水平下褪黑素浓度的变化，得出在1 0 0 0 1 u x 的照度水平下可充分抑 制褪黑素的分泌，使激素浓度接近白天的数值。b r a i n a r d 等人1 2 副的研究结果表明， 只要光照条件合理，低照度水平( 小于或等于2 0 0 1 u x ) 同样可以抑制褪黑素分泌 或使褪黑素节律产生时相位移。而s m i t h 等人【2 4 】发现节律感光细胞具有适应性， 也就是说褪黑素抑制水平和历史照明条件有关。因此i p r g c s 受光刺激产生的对 昼夜节律的影响机理远比预先设想要复杂得多。r i i g e r 等人1 2 5 的研究显示1 0 0 1 u x 的白光可抑制褪黑素分泌，但还不足以对睡眠和核心体温( c b t ) 产生影响。 一些研究团队的研究表明，光的非视觉效应不仅受光刺激强度的影响，也与 光在视网膜上的投射方向有关。v i s s e r 等人【2 6 】报道鼻侧视网膜受光刺激可产生更 大幅度的褪黑素抑制。g l i c k m a n 等人【2 7 j 的研究表明视网膜下半部分对褪黑素的 抑帛j 更有效。依据这些结果可以推测视网膜上感光细胞的分布并不均匀或者视网 膜不同区域的感光细胞的敏感度不同。 4 橇里大乎博士学位论文 绪论 本征感光视网膜神经节细胞不仅参与褪黑素的调节，而且与瞳孑l 收缩有关。 2 0 0 3 年初英国皇家学院l u c a s 等人【2 8 】指出i p r g c s 至少部分参与了瞳孔对光反 射。他们利用丧失黑视素基因小鼠研究瞳孔对光反射时发现，与野生型( w i l dt y p e ) 小鼠视网膜相比较，在弱光诱导下，两者的瞳孔对光反射没有显著性区别，但强 光诱导下丧失黑视素基因小鼠( m o p - ) 的瞳孔对光反射明显下降，而缺失视杆细 胞和视锥细胞的小鼠瞳孔对光反射则明显丧失。p a n d a 等人【2 9 】在其文章中阐述了 i p r g c s 和传统视觉感光系统共同完成生物钟调节和瞳孔对光反射的观点。 i p r g c s 主要发挥辅助作用，可以在缺乏传统感光细胞的条件下替代其实现生物 钟调节以及瞳孔对光反射等基本功能。基于瞳孔收缩的光谱灵敏度曲线的峰值与 抑制褪黑素的光谱峰值有所差别，约在4 8 0 4 9 0 附近 3 0 - 3 2 】。与i p r g c s 相关的各 类生物效应光谱响应峰值如表1 1 所示【3 3 】。 表1 1 生物效应光谱响应峰值( 数据来源：文献 3 3 ) t a b l e l 1p e a ks e n s i t i v i t yf o rb i o l o g i c a le f f e c t s 峰值波长实验物种生物响应引文 4 8 0 小鼠r d r d 生物钟时相位移 y o s h i m u r aa n de b i h a r a ，19 9 6 1 3 4 】 4 6 4 人褪黑素抑制b r a i n a r de ta 1 ，2 0 0 1 【1 5 】 4 5 9人 褪黑素抑制 t h a p a ne ta 1 ，2 0 0 1 【1 6 】 4 7 9 小鼠r d r d瞳孔对光反射 l u c a se ta 1 ，2 0 01 3 5 】 4 8 3 人类视网膜电生理波 h a n k i n sa n dl u c a s ，2 0 0 2 3 6 】 4 8 3 大鼠神经节细胞极化 b e r s o ne ta 1 ，2 0 0 2 5 】 4 8 1 小鼠r d r dc l生物钟时相位移 h a t t a re ta 1 ，2 0 0 3 3 7 】 4 8 2 猴神经节细胞极化 d a e e ye ta 1 ，2 0 0 5 3 8 】 4 8 2 人、猴瞳孔对光反射 g a m l i ne ta 1 ，2 0 0 7 31 】 综上所述，照明的生物效应跟光照量( 强度) 、光谱分布、空间分布、光照 时刻和照射持续时间有关。基于明视觉、暗视觉的传统光度学系统，无法对照明 的生物效应进行有效的评估。如何度量照明的光生物效应，如何建立新的框架系 统，是当今照明领域的热门话题。由于光生物效应的复杂性，还有大量的课题有 待进一步深入研究。 美国r e n s s e l a e r 工学院照明研究中心在照明的生物效应领域进行一系列研究 工作，他们提出了昼夜节律光生物学流明的概念，建立基于人类昼夜节律的光传 导模型，并提出不同于传统视觉效应的生物效应全新度量方法【3 9 圳】。同时该中心 顿里大擎博士学位论文 绪论 在照明与健康方面也进行了大量的研究，探讨了不同光谱光照对a d 患者睡眠质 量的影响，光照与乳腺癌2 f q 关系等等 4 2 , 4 3 1 。 b e r m a n 等人【3 2 】基于瞳孑l 大小变化的实验结果，得出非视觉光生物效应曲线， 如图1 4 。该曲线的峰值位于4 9 1 n m ，对应的最大光谱光视效率为3 6 1 6 1 m w 。 提出采用c p ( c i r t o p i c p h o t o p i c ) 值来评价非视觉生物效应的强弱。 ； 、一 罂 o 三 w a v e l e n g t h r i m ) 图1 4 三类感光细胞光谱响应曲线( 图片来源：文献 3 2 】) f i g u r e1 4t h et h r e eh u m a ns p e c t r a ls e n s i t i v i t yf u n c t i o n s 荷兰埃因霍温技术大学t u e 4 4 , 4 5 从人类健康需求出发，基于照明的生物效应 对办公室照明进行研究。研究结果表明人眼垂直面的照度水平与疲劳和睡眠质量 有相当大的关系。垂直面的高照度值可减缓疲劳，提高睡眠质量。 重庆大学 4 7 】在光生物效应的研究方面也做了大量的工作。提出在富含蓝光 光谱的光源照明环境下，人眼瞳孔收缩较大，具有较好的视觉功效。该课题研究 组将研究成果推广到道路照明和教室照明等照明实践中，为照明的光生物效应的 应用提供了科学依据。 6 橇旦大擎博士学位论文绪论 1 3 本论文的研究工作 经过前期大量论文的查阅，本论文总结有关i p r g c s 的组织结构和电生理的 研究进展，探讨i p r g c s 对昼夜节律和瞳孑l 对光反射的影响。在此基础上，根据 i p r g c s 的神经传导机制和生理特征，结合现有实验条件，提出基于瞳孔收缩进 行非视觉感光系统的研究。在实验研究的基础上，进一步调研校园室内光环境， 分析室内照明环境对基于人体健康考虑的生物参数的影响。本论文的目的就是深 入研究以瞳孔收缩为表征的非视觉感光系统，并提出综合考虑视觉功效和光生物 效应的照明实践。 1 3 1 本论文的研究内容 本论文的研究内容主要分两部分，第一部分是瞳孔收缩的实验研究，第二部 分是校园室内照明环境的调研，结合两部分内容讨论在室内照明实践中如何考虑 光的生物效应。 其中基于瞳孔收缩的实验研究包括以下三个方面： 1 ) 不同亮度值下( 明视觉、暗视觉和中间视觉) ，不同波长的窄带光谱刺激 下的瞳孔收缩。分别采用标称峰值波长为6 1 7 n m ( 琥珀色、偏红光) 、5 9 0 n m ( 黄 色) 、5 2 8 n m ( 绿色) 和4 7 0 n m ( 蓝色) 四个窄带波段的l e d 作为照明光源。记 录瞳孔对光反射，分析瞳孔收缩率与人眼处辐照度、光谱分布等的关系。讨论视 网膜上三类性质不同的感光细胞( c o n e s ，r o d s ，i p r g c s ) 在明视觉、暗视觉和 中间视觉下，各自参与瞳孔收缩所起的作用。 2 ) 相同照明条件下( 同光谱同光强) ，不同时刻( 早上，上午，中午，下午， 傍晚，晚上) 的瞳孔收缩反应。本部分实验的主要目的是研究瞳孔收缩反应是否 与时间有关，是否具有周期节律的特点。分别以长波光谱6 1 7 n ma m b e rl e d 和 短波光谱4 7 0 n mb l u el e d 作为光源，进行比照分析。 3 ) 在相同的亮度水平下，将光刺激分别投射至整个视网膜，上半视网膜和 下半视网膜，研究不同视网膜区域受光刺激后的瞳孔收缩反应。为了获得比较好 的观测效果，本部分实验以i p r g c s 较为敏感的短波光谱4 7 0 n mb l u el e d 作为 光源。 通过以上实验研究，本论文可得到基于瞳孑l 收缩的光谱响应曲线函数模型， 结合视锥细胞，视杆细胞以及i p r g c s 光谱响应曲线深入分析瞳孔收缩与三类不 同功能的感光细胞之间的关系。同时对i p r g c s 的昼夜节律特性和视网膜不同区 後堡大擎博士学位论文 绪论 域灵敏度分布进行讨论，对i p r g c s 参与瞳孔收缩的课题进行多角度全方位地拓 展研究。 本课题研究以样本实验为核心内容，在样本选择中主要考虑以下因素： 1 ) 年龄。随着年龄的增大，人眼的晶状体变浑浊而且伴随出现色素沉淀， 这将导致人眼透射率大幅度下降。有研究表明，老年人对短波部分的透射率下降 幅度更大。本课题为了排除晶状体透射率变化的影响，研究对象确定为年龄在 2 0 3 0 之间的青年。另外此年龄段的样本在高校这一环境中较易获得，便于课题 组开展研究工作。 2 ) 性别。还没有实验表明黑视蛋白在男女不同性别之间有何区别，但女性 的生理周期可能会对实验结果产生一些影响。本课题在样本的选择过程中尽可能 确保男女比例接近l ：l 。 本论文第二部分为基于光生物效应的室内照明应用及调研。结合第一部分实 验研究中基于瞳孔收缩的讨论结果，对学校室内光环境进行现场测量，分析目前 室内照明中自然光的作用，以及与生物效应相关的光参数的实际水平。通过问卷 调查讨论室内照明环境对夜间睡眠质量、人体疲劳程度和主观健康感受等生物参 数的影响。对基于健康需求的室内照明新框架给出建议，是本论文的最终目标和 意义所在。 1 3 2 本论文的研究方法 本论文以瞳孔收缩作为表征生理效应的参数，采用生理物理实验方法进行研 究。根据现有实验条件，采用带红外夜视功能的数码摄像机记录不同光刺激下的 瞳孔对光反应的全过程。基于m a t l a b 开放式的开发环境，通过自编软件读取 视频文件中的每一帧图片，对图片进行算法分析提取瞳孔边缘，以瞳孔的像素作 为参考表示瞳孔直径大小。在数据分析过程中，采用收缩率( 瞳孔直径像素变化 值与瞳孔放大后的最大直径像素之间的比值) 这一相对量来分析瞳孔对光反应的 全过程。 本论文通过内壁涂有漫反射涂层的特制积分球获得均匀的全视野的光刺激。 被测者经过一段时间的暗适应后接受光刺激，瞳孔收缩变小；然后撤光，瞳孔放 大恢复。整个实时动态过程就是本论文分析的重点内容。在实验过程中，充分考 虑被测者的心理感受，以轻松舒适的氛围消除被测者的紧张情绪。对所用光源的 亮度进行测量，通过前期的实验合理控制亮度变化的范围，以免对被测者的视网 膜造成不可修复的损伤。 後里大擎博士学位论文 绪论 眼睛光学系统的光谱吸收，是由晶状体的光谱吸收率和黄斑色素的光谱吸收 率的乘积求得的。不过，黄斑色素的光谱吸收率适用于小视野的场合。基于本实 验的条件( 全视野范围) ，黄斑色素的影响可以忽略不计。因此可假定晶状体的 光谱吸收就是眼睛光学系统的光谱吸收，即落在视网膜上的光谱功率分布应为相 应光照光谱功率分布与晶状体光谱吸收函数的共同作用。以此作为基于瞳孔收缩 的光谱响应分析的基础进行讨论。 由于第三类非视觉感光细胞的光谱灵敏度曲线不同于传统视觉感光细胞响 应曲线，为建立统一度量基准，对于光照我们采用物理辐射能量进行光能量度量， 而不采用基于明视觉条件下人眼的光谱光视效率函数的光度量单位。 本论文将通过统计学分析方法，对收集的大量样本数据进行分析，通过回归 分析建立合理的数学模型，并对各组数据进行相关性讨论。 对于室内照明生物效应的调研，本论文采用现场测量和问卷调查相结合的形 式进行。现行照明标准基于照明的视觉效应及视觉舒适度，一般都对工作面上的 水平照度、照度均匀度和眩光指数等提出相应要求。而对于照明的生物效应，人 眼处( 即垂直面) 上的光量值的大小显得非常重要。本论文将通过光谱照度计获 得垂直面的光参数，结合问卷调查结果，运用统计分析方法讨论垂直照度与人的 健康相关的感受之间的关系。 1 3 3 本论文拟解决的关键问题 本论文的实验理论依据、实验方法和数据分析体现了生理科学、神经科学、 照明科学、计算机科学和统计学等多学科的交叉。本论文拟解决的关键问题包括 以下几点： 1 ) 根据现有的实验条件，建立基于红外数字图像处理法的瞳孔收缩动态研 究系统。通过合理的硬件设备和软件算法，保证图像处理过程中数据分析对精度 的要求。 2 ) 根据实验数据分布的特征，确定合理的数学模型，获得基于瞳孔收缩的 光谱响应曲线。 3 ) 在瞳孔收缩昼夜节律研究过程中，在对被测者学习生活影响尽可能小的 情况下，合理控制外界环境，特别是照明条件，确保内因性节律研究过程的科学 性。 4 ) 通过合理的方法获得上半视网膜和下半视网膜光照的方式，并要保证上 下视网膜区域划分的精度。 後旦大擎博士学位论文 绪论 5 ) 基于垂直照度对室内光环境进行分析，确定垂直照度与睡眠质量、人体 疲劳程度和主观健康感受等生物效应的关系。 1 0 袒旦史擎博士学位论文人眼视觉系统及非视觉系统的神经机制 第二章人眼视觉系统及非视觉系统的神经机制 本章主要介绍人眼视网膜上三类感光细胞( 视锥细胞、视杆细胞、本征感光 视网膜神经节细胞) 的结构特征和功能。分析人眼视觉系统的神经机制以及与昼 夜节律、瞳孔对光反射等效应相关的非视觉系统的神经机制。基于生理学、神经 学探讨这三类感光细胞的特征，以此作为本论文的理论依据。 2 1 入眼的视觉系统 人类认识外部世界的信息8 0 是通过视觉系统提供的，视觉信息是人的主要 感觉来源。人通过视觉感知周围环境的变化，获得关于自然环境和社会环境的知 识。人眼接受外界的刺激信息，并通过神经传导到大脑，由大脑对这些信息进行 分析解释，形成外界事物的知觉形象，产生对外界事物的认识【4 8 】。 2 1 1 人眼及视网膜 女气厣 橇里大擎博士学位论文 人眼视觉系统及非视觉系统的神经机制 在视觉系统中，视网膜与感光机制和视觉信号处理机制的关系最为密切，是 视觉系统的第一视通路。视网膜的结构如图2 2 所示。视网膜在组织学上可以分 为1 0 层。由于光线入射方向与视网膜内各种神经元的信息流向正好相反，故称 为倒转视网膜( i n v e r s er e t i n a ) 结构。 一，一一- i i o l9l l 譬l 黪lol i 蛰拳| 羹囊擎0 錾黟io ，黛o l j f | i 【j | | 。习 i i 。 ：|篓l i 髅j ”一i 1。 鲞”+ | 疆 皇； ? 蔫 俐 i l i ii ，冷j -j h ：! 连 !粤 l。 匕| jl jl ： 一、 r 。 麓 l 登粼。矛穸 一 澜r 罗鼍燮 瞳r 1o 昀代。榉 f ，蕊 气 。x 鬣 r ) 镯胁 黼y 门，一 【in 豳魁一 、 ，e穰：，一 二一一一一鼍一謦：。；“茹一! 蔫 一一拳、盘昏囊一萤| ； 1f1 r 曹 图2 2 视网膜的结构( 图片来源：文献 5 3 1 ) f i g u r e2 2s c h e m a t i cv i e wo ft h er e t i n a l i g h t 视网膜由三层细胞组成。从最外到最内依次为视锥细胞( c o n ec e l l ) 和视杆 细胞( r o dc e l l ) 、双极细胞( b i p o l a rc e l l ) 、神经节细胞( g a n g l i o nc e l l ) 。神经节 细胞的轴突形成视神经。上述三层细胞在视网膜上组成纵向通路；另外，水平细 胞( h o r i z o n t a lc e l l ) 和无足细胞( a m a c r i n ec e l l ) 在视网膜上组成横向通路。这两 组通路使视网膜形成了一个多层的立体网络，负责初步的视觉信息处理，并将其 处理结果经神经节细胞以动作电位串的数字调频方式传递到第二级视通路一一 外膝体( 1a t e r a lg e n i c u l a t en u c l e u s ，或l g n ) p 引。 橇宴火擎博士学位论文 人眼视觉系统及非视觉系统的神经机制 2 1 2 视觉感光细胞 人眼视网膜上存在着两类视觉光感受器，按其形状分为视锥细胞和视杆细胞。 视锥细胞按其所含的视色素对不同波长光的相对吸收特性分为红锥、绿锥和蓝锥 ( 或分别称为 , - c o n e ，m c o n e 和s - c o n e ) 。不同波长的可见光照射时，三种视色 素的漂白程度各不相同，它们的组合产生了颜色感觉，这也是颜色视觉 y o u n g - h e l m h o l t z 三色学说的神经基础，至今仍是现代色度学的主要依据l 5 4 j 。图 2 3 所示为视杆细胞和三种视锥细胞对不同波长的相对吸收特性曲线，它们的峰 值吸收波长分别为4 9 8 n m ，5 6 4 n m ，5 3 3 n m 和4 3 7 n m l 5 5 , 5 6 j 。 3 5 0t 1 0 04 5 05 0 05 5 06 0 06 5 07 0 0 w a v e l e n g t h 丸( n m ) 图2 3 人眼视杆细胞和三种视锥细胞的相对灵敏度曲线( 图片来源：文献i s 7 】) f i g u r e2 3n o r m a l i z e ds p e c t r a ls e n s i t i v i t yo fr e t i n a lr o da n dc o n ec e i l so ft h eh u m a ne v e 阖圈圜圜圈 8 0i ，o4 002 04 08 0 l e m l ：, o r a le , c t - n t n c i t s , d 铝r r 摹 d 妇i 图2 4 视网膜中视杆细胞和视锥细胞的分布( 图片来源：文献i s 8 】) f i g u e2 4d i s t r