基于SPA-fNIRS技术研究彩色光暴露对认知任务生理与行为的影响
2026-04-24 来源:本站 点击次数:111
认知任务中彩色光暴露对大脑、全身生理及行为反应的影响：一项 SPA-fNIRS 研究
论文概要
在我们所处的环境中，光不仅仅是视觉信息的载体，更是一种强大的生理与行为调节器。从清晨唤醒我们的自然日光，到夜晚陪伴我们的屏幕蓝光，再到商场、教室中刻意营造的彩色光环境，光照无时无刻不在与我们的身体和大脑进行着“无声的对话”。然而，当特定颜色的光（如红、蓝光）与我们正在进行的高强度脑力任务（如工作记忆挑战）相遇时，我们的大脑活动、全身生理状态乃至任务表现，究竟会发生怎样复杂而精妙的变化？
基于此问题，瑞士伯尔尼大学与苏黎世大学医院的研究团队在《Behavioural Brain Research》发表研究“Cerebral, systemic physiological and behavioral responses to colored light exposure during a cognitive task: A SPA-fNIRS study”，同步采集受试者在蓝光与红光环境下完成 2-back 认知任务时的大脑血流氧合、心率、心率变异性、血压、呼吸、皮电、血氧、呼气末二氧化碳等十余项生理指标，采用 SPA-fNIRS 技术实现脑与全身生理的联合解析。为揭示光环境如何精准调控脑 - 体协同反应提供了系统性的实证依据与全新研究视角
光可通过视觉与非视觉通路，广泛调控人体昼夜节律、情绪、警觉性及认知表现。彩色光作为可灵活调控的环境因子，在教育、办公与医疗场景中具备重要应用潜力。已有研究证实，教室环境中1000 lux 照度、6500 K 相关色温的照明条件，可显著提升学生的专注水平与认知任务表现。
然而，现有研究多单独探讨光照对生理的影响，或仅聚焦认知任务诱发的脑活动变化，缺少在严格控制条件下将二者结合、同步解析光照与认知任务对脑 - 体协同作用的系统研究。全身生理增强功能近红外光谱（SPA-fNIRS）技术恰好弥补这一缺口：它既能精准检测前额叶、视觉皮层等脑区与神经活动耦合的氧合血红蛋白 [O₂Hb]、脱氧血红蛋白 [HHb] 动态变化，又可同步记录心率、呼吸、皮肤电活动、血压、血氧饱和度等全身生理信号，有效排除心率、血压等系统性生理波动对 fNIRS 脑信号的干扰与误读，从而更完整、真实地揭示复杂环境下人体脑 - 体协同响应的整体生理机制。
研究对象与流程
1. 研究对象
本研究共招募36名健康右利手受试者（女性22名，男性14名），平均年龄26.3±5.7岁。所有受试者均为非吸烟者，无神经、精神、睡眠障碍及药物服用史，实验前2小时禁食、禁咖啡因。采用随机交叉设计，每位受试者在两天的相同时段分别完成两次实验。研究经瑞士伯尔尼州伦理委员会批准，所有受试者签署书面知情同意书。
2. 光暴露条件
在三面白色墙壁的半封闭实验舱内，使用6台RGBW专业舞台灯提供单色光刺激。蓝光峰值波长约450 nm，红光峰值波长约640 nm，眼位照度均控制为120 lux。受试者随机分为两组，一组依次接受蓝光→红光暴露，另一组为红光→蓝光暴露，以平衡顺序效应。
3. 认知任务范式
每种单色光暴露期间，受试者完成听觉2-back工作记忆任务：连续播放辅音字母刺激，要求在当前字母与倒数第二个字母一致时快速按键反应。任务流程为：
- 7分钟黑暗基线（无光、静息）
- 14分钟第一种色光：7分钟2-back任务 + 7分钟静息恢复
- 14分钟第二种色光：7分钟2-back任务 + 7分钟静息恢复
总实验时长35分钟。
4. 多模态生理信号采集
采用SPA-fNIRS系统同步采集脑活动与全身生理信号：
脑皮层信号：多通道频域fNIRS记录前额叶皮层（PFC）与视觉皮层（VC）的氧合血红蛋白[O₂Hb]、脱氧血红蛋白[HHb]、总血红蛋白[tHb]及组织氧饱和度StO₂绝对浓度；
全身生理信号：同步记录心率（HR）、心率变异性（HF/LF）、平均动脉压（MAP）、呼吸频率（RR）、脉搏-呼吸商（PRQ）、动脉血氧饱和度（SpO₂）、潮气末二氧化碳（PₑₜCO₂）、皮肤电导水平（SCL）。
结果分析
1. 行为表现
红蓝光照下2-back任务净得分无显著差异（p=0.46），仅存在轻微学习效应，表明光颜色不影响工作记忆行为表现。
2. 脑血流与氧合
前额叶皮层（PFC）：红蓝光照均诱发典型神经激活模式（[O₂Hb]升高、[HHb]降低），颜色间无显著差异；
视觉皮层（VC）：呈现序列依赖效应，首次暴露时红蓝变化相近；二次暴露时蓝光引发更强脑氧合改变。
3. 全身生理反应
心率、血压、呼吸等指标主要受认知任务驱动，首次光暴露的生理波动显著强于二次暴露；
皮肤电导水平（SCL）：首次暴露红蓝相近，二次暴露红光引发更强觉醒反应；
心率变异性（LF/HF）：红光更偏向交感激活，蓝光更偏向副交感调节。
4. 相关性分析
任务表现与前额叶[O₂Hb]呈显著负相关（红：r=-0.37；蓝：r=-0.33），与心率变异性HF呈显著正相关（红：r=0.35；蓝：r=0.25），且与光颜色无关，提示表现越好、脑活动效率越高、自主神经越平稳。
研究结论
本研究利用SPA-fNIRS同步解析脑与全身生理信号，系统探讨红蓝光照对2-back工作记忆任务的影响。结果表明，120 lux蓝光与红光未显著改变受试者的任务表现，但可差异性调节大脑血流氧合与自主神经活动，并表现出明显的光暴露序列依赖效应：首次暴露时红蓝反应相近，再次暴露时蓝光对视皮层脑氧合影响更强，红光则引发更显著的皮电觉醒提升。相关性分析显示，任务成绩与前额叶氧合血红蛋白呈负相关、与心率变异性高频成分呈正相关，且该规律不受光色影响，说明认知表现越好，大脑加工效率越高、自主神经状态越稳定。
展望
未来可进一步提高光照照度、增加更多光色类型并采用全脑fNIRS监测，以更全面揭示光环境对认知与生理的调控机制；同时可扩大样本并纳入不同年龄、作息类型的人群，提升研究结论的普适性。基于本研究发现的光序列效应，后续可针对教育、办公、医疗等实际场景，开展时序化动态光环境设计，为认知增强照明、节律调节与光疗干预提供更科学、可落地的应用方案。
原文信息链接
Zohdi H, Märki J, Scholkmann F, et al. Cerebral, systemic physiological and behavioral responses to colored light exposure during a cognitive task: A SPA-fNIRS study[J]. Behavioural brain research, 2024, 462: 114884.
https://doi.org/10.1016/j.bbr.2024.114884
作者及单位介绍
该研究由Hamoon Zohdi, Josefa Marki, Felix Scholkmann, Ursula Wolf共同完成。研究单位包括瑞士伯尔尼大学补充与整合医学研究所以及苏黎世大学医院新生儿科生物医学光学研究实验室。研究获得Software AG基金会资助。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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论文概要
在我们所处的环境中，光不仅仅是视觉信息的载体，更是一种强大的生理与行为调节器。从清晨唤醒我们的自然日光，到夜晚陪伴我们的屏幕蓝光，再到商场、教室中刻意营造的彩色光环境，光照无时无刻不在与我们的身体和大脑进行着“无声的对话”。然而，当特定颜色的光（如红、蓝光）与我们正在进行的高强度脑力任务（如工作记忆挑战）相遇时，我们的大脑活动、全身生理状态乃至任务表现，究竟会发生怎样复杂而精妙的变化？
基于此问题，瑞士伯尔尼大学与苏黎世大学医院的研究团队在《Behavioural Brain Research》发表研究“Cerebral, systemic physiological and behavioral responses to colored light exposure during a cognitive task: A SPA-fNIRS study”，同步采集受试者在蓝光与红光环境下完成 2-back 认知任务时的大脑血流氧合、心率、心率变异性、血压、呼吸、皮电、血氧、呼气末二氧化碳等十余项生理指标，采用 SPA-fNIRS 技术实现脑与全身生理的联合解析。为揭示光环境如何精准调控脑 - 体协同反应提供了系统性的实证依据与全新研究视角
文章信息
研究背景光可通过视觉与非视觉通路，广泛调控人体昼夜节律、情绪、警觉性及认知表现。彩色光作为可灵活调控的环境因子，在教育、办公与医疗场景中具备重要应用潜力。已有研究证实，教室环境中1000 lux 照度、6500 K 相关色温的照明条件，可显著提升学生的专注水平与认知任务表现。
然而，现有研究多单独探讨光照对生理的影响，或仅聚焦认知任务诱发的脑活动变化，缺少在严格控制条件下将二者结合、同步解析光照与认知任务对脑 - 体协同作用的系统研究。全身生理增强功能近红外光谱（SPA-fNIRS）技术恰好弥补这一缺口：它既能精准检测前额叶、视觉皮层等脑区与神经活动耦合的氧合血红蛋白 [O₂Hb]、脱氧血红蛋白 [HHb] 动态变化，又可同步记录心率、呼吸、皮肤电活动、血压、血氧饱和度等全身生理信号，有效排除心率、血压等系统性生理波动对 fNIRS 脑信号的干扰与误读，从而更完整、真实地揭示复杂环境下人体脑 - 体协同响应的整体生理机制。
研究对象与流程
1. 研究对象
本研究共招募36名健康右利手受试者（女性22名，男性14名），平均年龄26.3±5.7岁。所有受试者均为非吸烟者，无神经、精神、睡眠障碍及药物服用史，实验前2小时禁食、禁咖啡因。采用随机交叉设计，每位受试者在两天的相同时段分别完成两次实验。研究经瑞士伯尔尼州伦理委员会批准，所有受试者签署书面知情同意书。
2. 光暴露条件
在三面白色墙壁的半封闭实验舱内，使用6台RGBW专业舞台灯提供单色光刺激。蓝光峰值波长约450 nm，红光峰值波长约640 nm，眼位照度均控制为120 lux。受试者随机分为两组，一组依次接受蓝光→红光暴露，另一组为红光→蓝光暴露，以平衡顺序效应。
3. 认知任务范式
每种单色光暴露期间，受试者完成听觉2-back工作记忆任务：连续播放辅音字母刺激，要求在当前字母与倒数第二个字母一致时快速按键反应。任务流程为：
- 7分钟黑暗基线（无光、静息）
- 14分钟第一种色光：7分钟2-back任务 + 7分钟静息恢复
- 14分钟第二种色光：7分钟2-back任务 + 7分钟静息恢复
总实验时长35分钟。
4. 多模态生理信号采集
采用SPA-fNIRS系统同步采集脑活动与全身生理信号：
脑皮层信号：多通道频域fNIRS记录前额叶皮层（PFC）与视觉皮层（VC）的氧合血红蛋白[O₂Hb]、脱氧血红蛋白[HHb]、总血红蛋白[tHb]及组织氧饱和度StO₂绝对浓度；
全身生理信号：同步记录心率（HR）、心率变异性（HF/LF）、平均动脉压（MAP）、呼吸频率（RR）、脉搏-呼吸商（PRQ）、动脉血氧饱和度（SpO₂）、潮气末二氧化碳（PₑₜCO₂）、皮肤电导水平（SCL）。
图1 (a) 实验范例，以 2-back 任务为例 (b) 连接到主体的传感器/设备 (c) 实验设置，包括测量仪器的位置、受试者、舞台灯光以及半室的照明墙壁和天花板
结果分析
1. 行为表现
红蓝光照下2-back任务净得分无显著差异（p=0.46），仅存在轻微学习效应，表明光颜色不影响工作记忆行为表现。
图2 CLE 下 2-back 任务净得分的箱线图
(a) 第一次参与时先经历蓝光后红光，第二次参与时经历先红后蓝光的受试者的净得分 (b) 第一次参与时经历红灯后蓝光、第二次参与时经历蓝灯后红灯的受试者的净得分 (c) 箱线图总结了第一次参与时经历蓝光后红光和第二次参与时先经历红光后蓝光的受试者的净分数（(a) 子图的摘要） (d) 箱线图总结了第一次参与时经历红光后蓝光和第二次参与时先经历蓝光后红光的受试者的净得分（(b) 子图的摘要） (e) 蓝光或红光照射下 2-back 净得分的总体总结2. 脑血流与氧合
前额叶皮层（PFC）：红蓝光照均诱发典型神经激活模式（[O₂Hb]升高、[HHb]降低），颜色间无显著差异；
视觉皮层（VC）：呈现序列依赖效应，首次暴露时红蓝变化相近；二次暴露时蓝光引发更强脑氧合改变。
图3 由彩色光暴露和 2-back 任务引起的脑血流动力学/氧合和全身生理学的块平均（组水平）变化（中值± SEM）。阴影区域代表色光曝光和测量的不同阶段的细分。不同的阶段用字母 A、B、C、D 和 E 进行标记
图4 由彩色光暴露和 2-back 任务引起的脑血流动力学/氧合和全身生理学的块平均（组水平）变化（中值± SEM）。阴影区域代表色光曝光和测量的不同阶段的细分。不同的阶段用字母 A、B、C、D 和 E 进行标记
3. 全身生理反应
心率、血压、呼吸等指标主要受认知任务驱动，首次光暴露的生理波动显著强于二次暴露；
皮肤电导水平（SCL）：首次暴露红蓝相近，二次暴露红光引发更强觉醒反应；
心率变异性（LF/HF）：红光更偏向交感激活，蓝光更偏向副交感调节。
4. 相关性分析
任务表现与前额叶[O₂Hb]呈显著负相关（红：r=-0.37；蓝：r=-0.33），与心率变异性HF呈显著正相关（红：r=0.35；蓝：r=0.25），且与光颜色无关，提示表现越好、脑活动效率越高、自主神经越平稳。
图5 蓝光和红光照射下获得的全身生理参数、fNIRS 信号和 2-back 任务表现的 ΔAUC 值的相关矩阵
研究结论
本研究利用SPA-fNIRS同步解析脑与全身生理信号，系统探讨红蓝光照对2-back工作记忆任务的影响。结果表明，120 lux蓝光与红光未显著改变受试者的任务表现，但可差异性调节大脑血流氧合与自主神经活动，并表现出明显的光暴露序列依赖效应：首次暴露时红蓝反应相近，再次暴露时蓝光对视皮层脑氧合影响更强，红光则引发更显著的皮电觉醒提升。相关性分析显示，任务成绩与前额叶氧合血红蛋白呈负相关、与心率变异性高频成分呈正相关，且该规律不受光色影响，说明认知表现越好，大脑加工效率越高、自主神经状态越稳定。
展望
未来可进一步提高光照照度、增加更多光色类型并采用全脑fNIRS监测，以更全面揭示光环境对认知与生理的调控机制；同时可扩大样本并纳入不同年龄、作息类型的人群，提升研究结论的普适性。基于本研究发现的光序列效应，后续可针对教育、办公、医疗等实际场景，开展时序化动态光环境设计，为认知增强照明、节律调节与光疗干预提供更科学、可落地的应用方案。
原文信息链接
Zohdi H, Märki J, Scholkmann F, et al. Cerebral, systemic physiological and behavioral responses to colored light exposure during a cognitive task: A SPA-fNIRS study[J]. Behavioural brain research, 2024, 462: 114884.
https://doi.org/10.1016/j.bbr.2024.114884
作者及单位介绍
该研究由Hamoon Zohdi, Josefa Marki, Felix Scholkmann, Ursula Wolf共同完成。研究单位包括瑞士伯尔尼大学补充与整合医学研究所以及苏黎世大学医院新生儿科生物医学光学研究实验室。研究获得Software AG基金会资助。
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