第二章、 文獻探討
第二節、 光照對警覺程度的影響
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產生影響(Yoshimura, & Ebihara, 1996; Brainard et al., 2001; Thapan, Arendt, &
Skene, 2001; Berson, Dunn, & Takao, 2002; Lockley, Brainard, & Czeisler, 2003;
Cajochen et al., 2005)。Yoshimura 和 Ebihara(1996)的研究中發現短波長的藍光，
對於老鼠晝夜節律調整的效果最大。此外，Brainard 等人(2001)的研究，讓睡眠 規律的參與者在半夜兩點時，開始接受 440-600nm 的不同波長單色光 90 分鐘，
並在光照前後抽血測量褪黑激素的濃度。雖然此研究沒有針對晝夜節律進行測 量，但分析結果發現 446-477nm 左右的藍光最能抑制人體褪黑激素的分泌。進 一步的研究則發現哺乳類動物的視網膜上存在黑視蛋白(melanopsin)，為一種特 殊的視蛋白。光線作用於含有黑視蛋白的神經節細胞後，會進一步去調整晝夜節 律(Berson, Dunn, & Takao, 2002)，且黑視蛋白對於 460nm 波長的光較為敏感。
後續的研究比較了 460nm 和 550nm 的單色光，結果發現前者除了較能抑制褪黑激 素的分泌與核心體溫的下降外，還能調整晝夜節律(Lockley, Brainard, & Czeisler, 2003; Cajochen et al., 2005)。
第二節、光照對警覺程度的影響
光線對人體所產生的非影像功能中，除了調整晝夜節律外，還有另一種重 要的功能，是影響警覺或嗜睡程度。而且相對於晝夜節律的調整，光線透過眼睛 改變警覺程度的速度相當快，我們照光數分鐘至數小時後，即可馬上提升警覺程 度(Cajochen et al., 2005)。
過去的二十年以來，大多數的光照研究都在探討晝夜節律受光線的影響，
在 1995 年之前，只有少數光線對於警覺程度的研究，而近十年多來才有較多的 相關研究出現(Cajochen et al., 2005)。整體而言，在適當的條件下接受光照，
可以增加警覺程度或是影響與警覺有關的生理指標，包括降低主觀嗜睡程度
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(Yokoi, Aoki, Shiomura, Iwanaga, & Katsuura, 2003; Cajochen, Zeitzer, Czeisler, &
Dijk, 2000; Revell, Arendt, Fogg, & Skene, 2006; Cajochen et al., 2005)、降低張眼 Alpha 波的頻譜功率(Yokoi et al., 2003; Cajochen, Krauchi, Danilenko, & Wirz- Justice, 1998; Cajochen et al, 2000)、增加閉眼 Alpha 波頻譜功率(Daurat, Foret, Touitou, & Benoit, 1996; Ruger, Gordijn, de Vries, & Beersma, 2006)、降低 Theta 波或Delta 波的頻譜功率(Lockley et al., 2006; Yokoi et al., 2003; Ruger et al., 2006; Cajochen et al., 2000)並增加心跳速率(Cajochen et al., 2005; Ruger et al., 2005)。 腦波的頻譜功率是直接對中樞神經系統(central nervous system)的大腦活動做 測量，當我們處於不同程度的警覺狀態時，腦部細胞活動所放出的電位會有所 不同。心跳速率則主要由自律神經系統(automatic nervous system)所控制。當我 們處於生理激發較高的狀態時，交感神經(sympathetic nerve)作用較強，會加快 (Lafrance & Dumont, 2000)。腦波的變化同時也是判斷睡眠階段的重要準則之 一。當我們清醒張開眼睛時，腦波通常是以高頻的Beta 波(13Hz 以上)為主，放
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鬆或閉上眼睛時，Alpha 波(8-13Hz)則會增加；在入睡的過程中，Alpha 波少於 一半且逐漸被Theta 波(4-8Hz)取代後，便正式進入睡眠的第一階段；隨著睡眠 逐漸加深，腦波紀錄中會出現頻率更低的Delta 波(4Hz 以下)，當 2Hz 以下且振 幅達 75uv 的腦波達到整頁紀錄的百分之二十，便進入睡眠的第三階段，達整頁 記錄百分之五十，則為睡眠第四階段(Rechtschaffen & Kales, 1968)。由上述的現 象我們似乎可以發現，睡醒兩端的變化隱約也是腦波低頻與高頻兩端的變化。
隨著傅力葉轉換(Fourier Transform)的技術普遍被應用，研究人員得以分析 某一時間內不同頻率腦波的活動，許多研究開始分析特定情境下各頻率腦波的頻 譜功率密度(power spectrum density)。Cajochen, Brunner, Krauchi, Graw 和 Wirz- Justice(1995)的研究中，讓參與者維持 40 小時的清醒，並在四個不同的時間點 分析腦波的頻譜功率，結果發現隨著清醒時間的增加，嗜睡程度越高而Theta 和 Alpha 波的頻譜功率也會顯著地增加。其它類似的研究也有相同的結果(Akerstedt
& Gillberg, 1990; Corsi-Cabrera et al., 1996)。另外有研究發現在睡眠剝奪後，除 了Theta 和 Alpha 波的頻譜功率增加外，清醒時 Delta 波的活動也有增加的趨勢 (Torsvall & Akerstedt, 1987; Aeschbach et al., 1997)。此外，Lafrance 和 Dumont (2000)的研究中也發現Theta 波的頻譜功率與主觀嗜睡有顯著的正相關。值得注 意的是，在探討腦波頻譜功率的研究時，必須考慮一個極為重要的變項：張眼與 閉眼。上述的研究都是在參與者張眼的狀態下進行測量，結果也一致地發現主觀 上越嗜睡時，Alpha 波的活動便越高，但少數在閉眼時進行測量的研究卻發現，
參與者在睡眠剝奪後Alpha 波的頻譜功率反而是下降的(Naitoh, Pasnau, & Kollar, 1971)。Marzano 等人(2007)的研究中對參與者進行 40 小時的睡眠剝奪，同時測 量主觀嗜睡、慢速眼動、張眼及閉眼的腦波，結果如圖 2-3
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圖 2-3.眼睛張閉狀態與腦波測量的關係(轉載自Marzano et al, 2007)(E.C：閉眼 測量; E.O：張眼測量)
圖中以慢速眼動(slow eye moment)做為嗜睡程度的相關指標。該研究將每 位參與者各變項與慢速眼動的相關係數都描繪在上圖，縱軸表示相關的大小及方 向。可以發現慢速眼動與主觀嗜睡的分數呈正相關。腦波的部分，不論張眼或閉 眼，Delta 和 Theta 波也與慢速眼動呈正相關，但 Alpha 波的部分則會因眼睛的 張閉狀態而有所不同。張眼測量時，大多數人的Alpha 波頻譜功率與慢速眼動呈 正相關；閉眼測量則發現有較多的負相關。
綜合上述結果，當我們警覺程度降低或嗜睡程度增加時，低頻腦波的活動 會增加，但必須考慮眼睛的張閉狀態。張眼時的腦波主要背景是Beta 波，因此 嗜睡程度增加時，相對低頻的Alpha、Theta 或 Delta 波的頻譜功率便會增加；相 反地，閉眼時Alpha 波為主要背景波，當嗜睡程度增加時，相對低頻的 Theta 或 Delta 波頻譜功率增加，而 Alpha 波的活動則會降低。有些研究就是利用這種張 閉眼時腦波的變化，計算Alpha 衰減係數(Alpha Attenuation Coefficience, AAC) 來測量主觀的嗜睡程度。將參與者閉眼時的Alpha 波頻譜功率除以張眼時的數
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便下降(Stampi, Stone, & Michimori, 1995)。在光照的研究方面，有兩種常見的分析方法，第一種是把光照後各腦波的頻 譜功率除以光照前的數值，並將上述百分比進行對數轉換後(log ratios)再進行分 析；第二種方法是計算同一時間點，某段頻率腦波的頻譜功率佔全部腦波頻譜功 率的百分比。這些研究的結果也隨著張眼或閉眼而不同。光照期間或光照後張眼 測量腦波時，可發現Alpha、Theta 或 Delta 波的活動減少(Yokoi et al., 2003;
Cajochen et al., 1998; Cajochen et al, 2000; Lockley et al., 2006; Yokoi et al., 2003;
Cajochen et al., 2000)；但閉眼測量時則發現光照會增加 Alpha 波的活動(Daurat, Foret, Touitou, & Benoit, 1996; Ruger et al., 2006)。這些結果均一致指出光照可以 影響腦波的頻譜功率，而且張眼或閉眼所得到的不同實驗結果，也與上述睡眠剝 奪的研究一致。值得注意的是Beta 波的部分，前述研究幾乎都沒有發現光照會 對Beta 波的頻譜功率造成影響，因此相對於 Alpha、Theta 及 Delta 波，Beta 波 可能不單只是反應清醒的程度，而具有其它的意義。例如，Ray 和 Cole(1985) 的實驗發現當我們在進行認知作業或處理情緒上的素材時，Beta 波會變得較為活 躍。也有研究發現生理激發程度較高的人，例如失眠的患者，與一般正常人相比，
除了心跳速率較快之外，其Beta 波的頻譜功率也顯著較高(Bonnet & Arand, 1997)。因此，Beta 波的頻譜功率較高，可能不單表示我們處於清醒的狀態，某 個程度也代表我們的大腦進行了較多的思考歷程或是處於較高的激發狀態。
此外，光線提升警覺程度的效果，會受到一些因素的調節。分述如下：
(一)光線強度對警覺的影響:
Lewy, Wehr, Goodwin, Newsome 和 Markey(1980)發現至少 1000 勒克斯以上 的光照才可以抑制體內褪黑激素的分泌，故早期的研究大多使用 1000 勒克斯以 上的強光，來增加參與者的警覺程度。為了瞭解光照強度和警覺程度的關係，
Cajochen 等人(2000)的研究使用 3-9100 勒克斯的不同強度光源，並讓參與者隨
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機暴露於不同亮度的光照 6.5 小時後測量其反應。該研究以 23、230 和 3190 勒 克斯的光照分別代表低、中及高亮度，結果發現經過 230 或 3190 勒克斯的光照，
參與者的警覺程度皆較 23 勒克斯的光照來的高；且 230 和 3190 勒克斯光照後的 警覺程度，包括主觀評估和腦波的頻譜功率都沒有顯著差異。此結果顯示一般室 內燈的強度即可顯著增加我們的警覺程度，且在長時間暴露後，3190 勒克斯強 光的效果並沒有比 230 勒克斯來的好。此研究同時將 3-9100 勒克斯的不同亮度 做為預測變項，各種警覺指標做為效標變項，計算其回歸方程式曲線，結果如圖 2-4
圖 2-4.光線強度與警覺的關係(轉載自Cajochen et al., 2000)
圖 2-4 的橫軸皆為光照強度，縱軸分別以主觀警覺量表分數、慢速眼動及 5-9Hz 腦波的頻譜功率來表示警覺程度及相關的生理指標。由此圖可看出亮度超 過 1000 勒克斯之後，即使增加光照強度，警覺程度也無太大的變化。亮度越強 引發越大警覺的關係，主要是在 1000 勒克斯以內的強度，而且只需 100 勒克斯 的強度，便能引發最大值一半的警覺程度。因此該研究的結果提示我們夜間所接 觸的光照是有可能提升警覺程度而干擾睡眠的。