睡前不同色溫光照對主觀嗜睡程度、腦波、心跳速率與後續睡眠之影響 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學心理學研究所碩士論文. 指導教授：楊建銘博士. 政治大. 與後續睡眠之影響. 學. ‧ 國. 睡前不同色溫光照對主觀嗜睡程度、腦波、心跳速率立. ‧. Effects of color temperature of pre-sleep light exposure. n. al. er. io. sit. y. Nat. on subjective sleepiness、EEG、heart rate and sleep. Ch. engchi. i Un. 研究生：薛旭任中華民國九十八年 1. v.

(2) 謝誌研究所這幾年的生活對我來說有著很特別的意義，我在這段歲月中經歷了人生也體悟了人生，同時也完成了人生中第一份的研究。研究之路的辛苦，我想只有真正走過的人才能完全了解，而睡眠的實驗又比其它研究更加的辛勞。這篇論文得以完成，首先必須謝謝我的指導教授，楊建銘老師。謝謝你在我論文的構思及寫作過程中提供了重要的方向，也在許多細節的地方展現了研究上堅持，如果不是這樣，這篇論文在統計的部分上將會少掉好幾顆星星。雖然我研. 政治大要謝謝我的兩位口委，蔡玲玲老師及黃淑麗老師。兩位老師在口試中所給予的寶立究所比預計中多讀了一學期，但我也在這段時光中有了其它更重要的收穫。接著. ‧ 國. 學. 貴意見都讓這篇研究能夠以更好的面貌呈現出來。也要感謝台灣科技大學的胡能忠教授以及 Roger 和尊意，謝謝你們在儀器上給予我的協助。. ‧. 另外，我最想要感謝的人是我的母親。以我們家裡的狀況，能夠讓我和少宗. sit. y. Nat. 都讀到國立大學研究所的學歷，都是因為我們的背後有一個偉大的母親。對於我. n. al. er. io. 無法在預期時間內畢業，我的心中其實曾一度充滿了愧疚，但妳對我不但沒有任. i Un. v. 何的責難與懷疑，即便今年妳的身體健康出現了狀況，仍舊無條件地給予我精神. Ch. engchi. 與經濟上的支持。這份親情，我想這輩子大概都回報不完了。這邊也要謝謝藍亭老師，給了我工讀的機會，而且身為工作上的老闆，還時常關心我在生活上的狀況及論文的進度。謝謝新店慈濟醫院的家薇，在我收案的時候，介紹了許多人來參與我的實驗。這裡也要謝謝我的同學和朋友們，是你們讓我的研究所生活裡增添了許多的歡笑，我永遠也忘不了您真內行瘋狂大冒險、聖誕節和跨年的狂歡、每週三晚上的鹹酥雞配電影以及寒假時冷到不行的騎機車中、北橫之旅。在這群朋友中，要另外謝謝敦閔、宣宣、康康和阿珠這四位老屁股們，雖然我是完全科學取向的，很鐵齒。但如果真的有輪迴的話，我想你們上輩子可能都是我的兄弟姊妹吧。. 2.

(3) 最後，我想向所有實驗室的成員說聲謝謝。我在這裡不一一列舉並不是因為記不住人名，而是因為幾乎所有實驗室的成員都幫助過我。不管是在進度會議中提供我研究上的建議、收案時幫我貼頭還是聽我訴說研究上遇到的困難，我在這裡都以最真摯的心，向你們說聲謝謝。. 薛旭任 2009.12.20 於台北.木柵. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 3. i Un. v.

(4) 摘要研究目的：過去的研究已經證實睡前的光照會影響後續的睡眠，包括增加入睡所需時間以及減少第一個睡眠週期或前半夜的深睡。然而這些研究使用數千勒克斯 (lux)的強光或特定波長的單色光且照光時參與者需要維持不動的姿勢或是暴露同一光源下 6 小時以上的時間，因此實驗情境與現實生活有很大的不同，所以目前還不清楚這些研究結果是否可以類推至現實生活中。本研究將實驗情境貼近日常生活，探討現代化生活的光照是否會對睡眠產生影響。. 政治大研究方法：本研究採受試者內設計來進行實驗。以市售 3000K 和 5000K 兩種不立. ‧ 國. 學. 同色溫的光源進行實驗，將亮度固定在 300 多勒克斯，並將結果與弱光(<10 lux) 進行比較。九名 21 至 31 歲的正常參與者維持規律睡眠一星期後，前來實驗室三. ‧. 晚分別接受睡前三小時不同的光照以及整夜的睡眠記錄。在三小時的光照期間，. sit. y. Nat. 每半小時測量一次參與者的腦波和心跳速率，並要求他們填寫卡羅連斯加嗜睡量. n. al. er. io. 表(The Karolinska Sleepiness Scale)。睡眠資料的部分，針對三個依變項進行分. v. 析，分別為入睡時間、前兩個睡眠週期的深睡期以及 Delta 波的頻譜功率。. Ch. engchi. i Un. 結果：高色溫光源相較於低色溫光源更能降低主觀睡前嗜睡狀態，並影響後續的睡眠，包括入睡時間較長以及深睡期較短。高色溫情境與弱光相比，除了上述變項同樣有效果外，Theta-低頻 Alpha 波(5-9Hz)的頻譜功率在 5000K 的光照後，有出現下降的狀況，但其它腦波的頻譜功率並沒有出現光照效果。心跳速率和前兩個睡眠週期的 Delta 波頻譜功率在各比較上均不達顯著，此外 3000K 光照和弱光在所有依變項上的比較均沒有統計上的顯著差異。. 結論：本研究將實驗情境貼近日常生活後，仍大致可看到與過去研究類似的結. 4.

(5) 果，即睡前高色溫的光照相對於低色溫，會降低嗜睡程度並影響後續睡眠。另外，現代化生活的光照，與弱光相比，會增加參與者的入睡時間以及減少前半夜的深睡，但室內燈強度的低色溫光源並不會對參與者的睡眠產生這些影響。因此本研究結果建議睡前可選擇低色溫的光源，以避免光照對入睡時間及深睡的影響。. 關鍵字：光照、色溫、嗜睡程度、腦波頻譜功率、睡眠. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 5. i Un. v.

(6) Abstract Objective：Previous studies confirmed that light exposure before sleep has negative impacts on sleep, including increased sleep onset latency and decreased deep sleep in the first sleep cycle. However experimental manipulations in those studies, such as exposure to bright light or to monochromatic light of specific wavelength and participants keeping a constant posture or light exposure for more than 6 hours are very different from daily life situation. It was not clear that whether those results. 政治大 designed to approximate everyday life in order to examine the effect of presleep light 立 could be generalized to everyday life. In our study, experiment condition was. ‧. ‧ 國. 學. exposure on daily life situations.. Methods：The present study adopted within-subjects design. We used fluorescent. sit. y. Nat. light of color temperature of 5000K or 3000K in the experiment and the results were. n. al. er. io. compared with dim light. Nine normal subjects participated in the study. They kept a. i Un. v. regular sleep schedule during week before experiment. They came to sleep lab on. Ch. engchi. three experiment nights and exposed to different light for three hours before sleep. During light exposure, EEG power, heart rate and subjective sleepiness were assessed every 30 minutes. For the sleep after light exposure, we analysed sleep onset latency, slow-wave sleep (SWS) duration and delta power after light exposure.. Results： Subjective sleepiness decreased, sleep onset latency increased and SWS significantly decreased under color temperature of 5000K compared with color temperature of 3000K and dim light. Theta/low-frequence alpha (5-9Hz) power was lower under the color temperature of 5000K than dim light, but there were no effects. 6.

(7) of light on other EEG power. Effects of light exposure on heart rate and delta power were not evident. When 3000K compared with dim light, there were no significant differences on all the variables.. Conclusion： Compared with previous experiments, our study showed similar results when experiment condition was close to everyday life. Exposure to light of high color temperature decreases participants，sleepiness and influences their sleep by increasing sleep onset latency and decreasing SWS duration. When compared with dim light, exposure to light of low color temperature does not influence sleep. These findings. 治政 implies that light of low color temperature should be大 used before sleep in order to 立 avoid the detrimental effects of light on sleep. ‧ 國. 學 ‧. Key words：light exposure, color temperature, sleepiness, EEG power, sleep. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 7. i Un. v.

(8) 目次. 謝誌································································2 中文摘要····························································4 英文摘要····························································6. 第一章、緒論························································12 第二章、文獻探討. 政治大. 第一節、光照對晝夜節律的影響··································· 13. 立. 第二節、光照對警覺程度的影響····································16. ‧ 國. 學. (一)光線強度對警覺的影響····································20 (二)光照持續時間對警覺的影響································22. ‧. (三)光照時間點對警覺的影響··································22. y. Nat. sit. (四)光線波長與色溫點對警覺的影響····························23. n. al. er. io. 第三節、光線影響晝夜節律與警覺的比較····························25. Ch. i Un. v. 第四節、光照對睡眠的影響········································29. engchi. 第五節、研究問題與假設··········································32 第三章、研究方法第一節、研究對象················································35 第二節、實驗設計與流程··········································35 第三節、研究工具················································37 第四節、資料分析················································41 第四章、研究結果第一節、參與者人口統計學資料····································43 第二節、不同光照對睡前主觀嗜睡程度的影響························43 8.

(9) 第三節、不同光照對睡前腦波的影響································45 第四節、不同光照對睡前心跳速率的影響····························51 第五節、不同光照對後續睡眠的影響································53 第五章、討論第一節、光照對睡前嗜睡程度及相關生理指標的影響··················55 第二節、光照對後續睡眠的影響····································57 第三節、結論····················································60. 參考文獻···························································62. 立. 附錄. 政治大. ‧ 國. 學. 附錄一、卡羅連斯加嗜睡量表·····································70. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 9. i Un. v.

(10) 表次. 表 2-1.光照影響睡眠研究之結果······································29 表 4-1.KSS 分數在各個時間點與基準線的差異分數·······················44 表 4-2.Delta 波頻譜功率百分比在各個時間點與基準線的差異分數··········49 表 4-3.Theta 波頻譜功率百分比在各個時間點與基準線的差異分數··········49 表 4-4.Alpha 波頻譜功率百分比在各個時間點與基準線的差異分數·········50 表 4-5.Beta 波頻譜功率百分比在各個時間點與基準線的差異分數···········50. 政治大. 表 4-6.Theta-低頻 Alpha 波頻譜功率百分比在各個時間點與基準線的差異分. 立. 數·································································51. ‧ 國. 學. 表 4-7.心跳速率在各個時間點與基準線的差異分數······················52 表 4-8.入睡時間、深睡期、Delta 波頻譜功率及腦波覺醒的平均數與標準差·54. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 10. i Un. v.

(11) 圖次. 圖 2-1.光線強度與節律位移的關係(轉載自 Zeitzer et al., 2000)·············14 圖 2-2.不同光照時間點對晝夜節律的影響(轉載自 Khalsa et al., 2003)·······15 圖 2-3.眼睛張閉狀態與腦波測量的關係(轉載自 Marzano et al, 2007)········19 圖 2-4.光線強度與警覺的關係(轉載自 Cajochen et al., 2000)···············21 圖 2-5.光線活化腦部區位的路徑(轉載自 Lockley & Gooley, 2006)··········26 圖 2-6.SCN 調控睡眠及核心體溫晝夜節律之路徑(轉載自 Saper, Scammell, & Lu,. 政治大. 2005)······························································27. 立. 圖 3-1.實驗流程圖··················································36. ‧ 國. 學. 圖 3-2.低色溫與高色溫燈各波長光線的含量····························38 圖 4-1.不同光照與不同時間點的 KSS 分數······························44. ‧. 圖 4-2.不同光照與不同時間點 Delta 波的頻譜功率百分比·················46. y. Nat. sit. 圖 4-3.不同光照與不同時間點 Theta 波的頻譜功率百分比·················47. n. al. er. io. 圖 4-4.不同光照與不同時間點 Alpha 波的頻譜功率百分比·················47. i Un. v. 圖 4-5.不同光照與不同時間點 Beta 波的頻譜功率百分比··················48. Ch. engchi. 圖 4-6.不同光照與不同時間點 Theta-低頻 Alpha 波的頻譜功率百分比·······48 圖 4-7.不同光照與不同時間點的心跳速率······························52. 11.

(12) 第一章、緒論對於人類而言，光線透過我們的眼睛，能對我們的身體產生許多影響，包括影像功能和非影像功能(non-imaging forming)兩大類。前者即大家所熟悉的視覺系統。光線經過瞳孔(pupil)到達視網膜(retina)，由錐體(cone)和桿體(rod)兩種感光細胞(photoreceptors)接收後，將訊息由視神經(optic nerve)傳遞到大腦皮質 (cerebral cortex)的視覺區，大腦再進一步把訊息轉碼成我們所看到的世界。除了視覺的影像外，光線還能對人體產生許多非影像的作用，例如晝夜節律(circadian. 政治大型情感疾患(seasonal affective disorder)、重鬱症(major depression)和暴食症立. rhythm)的調整和警覺程度的提升，此外光照治療也被發展出來，並應用在季節. ‧ 國. 學. (bulimia nervosa)的治療上(Terman, 2007)。自從二十多年前 Czeisler 等人(1986) 發現光照可以改變睡眠的生理時鐘後，光照治療更進一步用於晝夜節律性的睡眠. ‧. 疾患(circadian rhythm sleep disorder)(Chesson et al., 1999)。雖然早期許多光照研. sit. y. Nat. 究都聚焦在光線對晝夜節律的影響，但近幾年開始有越來越多的研究探討光線對. n. al. er. io. 警覺或嗜睡程度的影響。. i Un. v. 過去的研究已經發現光照可以增加警覺或降低主觀上的睡意，而其效果會受. Ch. engchi. 到許多其他因素的影響，其中一項是光源的色溫(color temperature)。高色溫的光源含有較多的短波長光線，因此相較於低色溫的光源更能抑制我們睡意的增加 (Katsuura et al., 2005)。另外，研究也發現睡前光照的效果可能會干擾後續的睡眠，包括增長入睡時間以及減少深睡。然而過去光照研究所使用的光源種類、光照強度或是參與者光照時所從事的活動與日常生活的狀況有很大的差異，所以目前還不確定這些研究的結果是否可以類推至現實生活中。故本實驗針對過去研究在外在效度上的缺點進行調整，並使用市面上可購得的燈具，使實驗情境更貼近日常生活，同時將實驗結果與弱光(dim light,亮度 10 勒克斯以下)進行比較，了解現代化夜間日常的光源，是否會影響人們在睡前的嗜睡程度以及後續的睡眠。. 12.

(13) 第二章、文獻探討. 第一節、光照對晝夜節律的影響. 人體許多的生理反應都有所謂的晝夜節律，包括核心體溫、褪黑激素的分泌以及睡眠的時間，這些反應的變化都相當有規則並以一天為單位，不斷地循環。研究發現上述的生理反應彼此間有相關(Cagnacc, Elliott, & Yen, 1992)：當我們接. 政治大核心體溫上升而褪黑激素則停止分泌。生理學的研究則發現這些晝夜節律主要是立. 近睡眠時間時，核心體溫會開始下降而褪黑激素則開始分泌；接近起床時間時，. ‧ 國. 學. 由下視丘的視交叉上核(suprachiasmatic nuclei)所控制(詳見第三節)。光線對人體的非影像功能中，其中一種便是透過視交叉上核去調整晝夜節. ‧. 律。Czeisler 等人(1986)的研究中，讓參與者在晚上照光 4 小時，連續一星期後，. sit. y. Nat. 發現他們的晝夜節律往後位移了 6 小時。後續也有許多相關的研究探討這方面的. n. al. er. io. 議題，同時研究結果也已經應用於晝夜節律性疾患的治療上，幫助患者調整睡眠. v. 的時間，以配合其日常生活的作息(Chesson et al., 1999)。. Ch. engchi. i Un. 整體而言，以光照調整晝夜節律，會受到下列幾個因素的影響：(1)光線強度:早期的光照實驗大多以強光(bright light)進行研究，並認為數千勒克斯的光照才能對晝夜節律產生影響，目前僅有極少數的研究去系統性的探討光線強度與晝夜節律調整間的關係，Zeitzer, Dijk, Kronauer, Brown 和 Czeisler(2000)的研究便是其中一個，該研究以參與者體內褪黑激素的濃度作為晝夜節律的指標，讓參與者接受 6.5 小時不同強度的光照後，觀察其晝夜節律的位移，並計算這兩個變項的回歸方程式曲線，結果如圖 2-1. 13.

(14) 圖 2-1.光線強度與節律位移的關係(轉載自 Zeitzer et al., 2000). 立. 政治大. 圖中橫軸為光線強度，縱軸為褪黑激素分泌時間點的改變，負值表示光照後. ‧ 國. 學. 褪黑激素分泌的時間點或整個晝夜節律是往後位移的。由此可看出光線強度越. ‧. 高，對節律影響的效果也越大，而且 100 勒克斯的光照即可產生最大效果的一. sit. y. Nat. 半。另一個系統性的研究是 Boivin, Duffy, Kronauer 和 Czeisler(1996)的實驗，該. io. er. 研究使用 3、180、1260 及 9500 勒克斯四種不同強度的燈源，在參與者接受 5 小時光照的前後及期間，同時測量其核心體溫。結果同樣發現光線強度越高，對. al. n. iv n C 節律影響的效果也越大，而且 180 h勒克斯以上的亮度就能影響晝夜節律，因此數 engchi U 百勒克斯的室內燈強度光源也有可能影響晝夜節律。(2)光照時間點：不同的時. 間點照光，對於晝夜節律的影響效果不同，而且方向可能是相反的。Khalsa, Jewett, Cajochen 和 Czeisler(2003)的研究中，讓參與者在沒有時間線索的環境下，維持規律的睡眠三天，之後以兩小時的間隔將 24 小時區分為 12 個時間點，並在不同的時間點對參與進行亮度 5000 勒克斯以上的光照。該研究也同時對核心體溫和褪黑激素進行測量，並將光照前褪黑激素變化的時間點減去光照後的時間點，做為晝夜節律位移的指標，結果繪製成相位反應曲線(phase response curves, PRC)，如圖 2-2. 14.

(15) 政治大圖 2-2.不同光照時間點對晝夜節律的影響(轉載自 Khalsa et al., 2003) 立. ‧ 國. 學. 圖中橫軸 0 的位置為核心體溫最低點(minimum core body temperature)，縱. ‧. 軸為光照前減光照後的褪黑激素分泌時間，所以負值表示褪黑激素分泌的時間變. sit. y. Nat. 晚，意即晝夜節律往後延遲；正值則表示褪黑激素提早被分泌，所以晝夜節律是. n. al. er. io. 提前的。可以發現在核心體溫最低點前照光，晝夜節律會往後延遲；但在此時間. i Un. v. 點後照光則會使節律往前移，且在不同的時間點照光，效果的大小也不一樣。前. Ch. engchi. 述 Zeitzer 等人(2000)及 Boivin 等人(1996)的系統性研究也有看到此時間點的效果。Zeitzer 等人(2000)的研究讓參與者在核心體溫最低點的前 6.75 小時開始照光 6.5 小時，結果參與者的晝夜節律是往後位移的；反之，Boivin 等人(1996) 的實驗讓參與者在核心體溫最低點之後的 1.5 小時開始照光 5 個小時，參與者的晝夜節律則出現往前位移的效果。(3)光線波長：不同波長的光線會呈現不同的顏色。在光譜中，人類可見光的波長範圍在 400nm 至 750nm 之間，而光線在此範圍對應的顏色大致為紅、黃、綠、藍和紫色。我們所接觸的陽光和室內日光燈都是屬於綜合白光，即包含各種波長的光線在其中。早期光照影響晝夜節律的相關文獻也是使用白光，後續的研究則發現光線中的短波長藍光比較能對晝夜節律. 15.

(16) 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. 治政律(Berson, Dunn, & Takao, 2002)，且黑視蛋白對於大 460nm 波長的光較為敏感。立後續的研究比較了 460nm 和 550nm 的單色光，結果發現前者除了較能抑制褪黑激 ‧ 國. 學. 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)。. er. io. sit. y. Nat. n. 第二節、光照對警覺程度的影響 a. iv l C n hengchi U. 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 16.

(17) (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, & WirzJustice, 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)。許多研究者認為光照影響警覺與晝夜節律具有某種程度上的共通機制(詳. 治政見第三節)，因此有些光照影響警覺的實驗會對褪黑激素濃度及核心體溫做測大立量。除了上述這兩個變項的測量外，這些研究幾乎都會選擇主觀評估和腦波頻 ‧ 國. 學. 譜功率做為警覺程度的指標，也有少數實驗會對心跳速率進行測量。事實上，. ‧. 警覺程度包含了許多的向度，雖然這些測量間彼此可能是有相關的，但不同的. y. Nat. 變項可能測量到不同向度的警覺，而其背後所涉及的機制也不完全相同。例如. er. io. sit. 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. al. n. iv n C 不同。心跳速率則主要由自律神經系統(automatic h e n g c h i Unervous 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. 心跳速率;處於平靜的狀態時，副交感神經(parasympathetic nerve)的作用較為活躍，則降低心跳速率。在警覺程度的主觀評估中，參與者必須對自己當下的警覺程度做一判斷，因此其相對於腦波和心跳速率的測量，或許最大的差異在於認知評估的歷程。接下來由於腦波在原理及解釋上較為複雜，因此將先說明腦波與警覺的關係，再討論影響光照提升警覺的幾個重要因素。相對於主觀嗜睡的測量，清醒時的腦波被視為嗜睡程度的一種客觀指標 (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 17.

(18) 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-. 治政 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大立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 ‧ 國. 學. 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. y. Nat. 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. er. io. sit. (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. al. n. iv n C 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 hengchi U. 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. 18.

(19) 政治大圖 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：閉眼立 ‧. ‧ 國. 學. 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. sit. y. Nat. 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. n. al. er. io. 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. v. 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. Ch. engchi. i Un. 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. 19.

(20) 值，即可得 AAC。當嗜睡程度較高時，分子的數值變小而分母變大，AAC 數值便下降(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,. 治政 Foret, Touitou, & Benoit, 1996; Ruger et al., 2006)。這些結果均一致指出光照可以大立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 ‧ 國. 學. 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. y. Nat. 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). er. io. sit. 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，. al. n. iv n C 除了心跳速率較快之外，其 Betah 波的頻譜功率也顯著較高(Bonnet & Arand, engchi U. 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 20.

(21) 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. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 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。. 21.

(22) (二)光照持續時間對警覺的影響雖然有研究者認為光照對警覺的影響是相當快速的，但確切的時間沒有一致的共識。類似研究的光照時間短至 22 分鐘(Noguchi & Sakaguchi, 1999)，長至 7.5 小時(Yokoi, Aoki, Shiomura, Iwanaga, & Katsuura, 2003)，有相當大的變異性。而且大多數的研究僅在光照前與光照後各測量一次，而不是以固定的時間間隔重複測量依變項，所以無法得知出現效果的時間點。目前比較可以確定的是，光照對於各個警覺相關變項的影響，可能需要不同的時間。例如 Cajochen 等人(2005)的研究中，在光照期間的每 30 分鐘重複對依變項進行測量，結果主觀嗜睡程度在光照 30 分鐘後達顯著、褪黑激素濃度和. 治政核心體溫在 60 分鐘後顯著，但心跳速率則在 90 分鐘後才出現差異。因此不同變大立項受光照的影響，似乎有不同的敏感度，有些變項在照光後會立刻發生變化，有 ‧ 國. 學. 些則需要較長的時間。. ‧ sit. y. Nat. (三)光照時間點對警覺的影響. io. er. 過去多數的研究都選擇讓參與者在夜間接受光照，僅少數研究比較了日間和夜間的光照效果。此現象主要有兩個原因，其一是我們的警覺程度在日間較. al. n. iv n C 高，到夜晚才有下降的趨勢，為了避免天花板效應，所以許多研究選擇在晚上測 hengchi U 試光照的警覺效果。另一個原因是許多研究者認為光照是透過褪黑激素的抑制來增加我們的警覺，但我們體內褪黑激素的濃度在白天時非常低，因此不會選擇日間進行研究(Cajochen, 2007)。Phipps-Nelson, Redman, Dijk 和 Rajaratnam(2003) 的研究中讓參與者在日間接受光照，雖然參與者在此實驗中主觀嗜睡程度降低了，但核心體溫的變化卻無顯著的差異。Ruger 等人(2005)進一步比較了夜間和日間光照的效果，結果發現夜間照光後能增加心跳速率並抑制核心體溫的下降，但日間照光卻無上述效果，且進一步的交互作用顯著，顯示夜間照光相對於日間照光，更能增加心跳速率以及抑制核心體溫的下降。主觀嗜睡程度方面，不論日間或夜間照光，皆能減少參與者的睡意，且這兩個時間點的光照效果並無顯著差 22.

(23) 異。綜合上述結果，可發現生理指標如心跳速率和核心體溫，在光照後的變化的確有時間點上的效果，即夜間照光的效果較大；相對的，嗜睡和疲倦等主觀上的評估則沒有時間點的效果，不論夜間或日間照光，皆能增加警覺程度。這種主、客觀彼此不一致的結果，Ruger 等人(2005)認為是主觀評估在大腦內涉及的機制較為複雜所導致，但並沒有對此假設提出進一步的說明。. (四)光線波長與色溫點對警覺的影響：如同光線調整晝夜節律一樣，研究發現短波長的光線較能提升我們的警覺程度，特別是 420nm 至 480nm 的光線。Cajochen 等人(2005)的研究中比較了. 治政 460nm、550nm 和弱光中參與者的警覺程度，發現經過兩小時的光照後，460nm 大立情境較後兩者更能抑制褪黑激素的分泌和核心體溫的下降，同時也能增加參與者 ‧ 國. 學. 的心跳速率，並降低主觀的嗜睡程度。Lockley 等人(2006)的研究中同樣比較了. ‧. 460nm 和 555nm 的光照效果。參與者經過 6.5 小時 460nm 的光照後，除了主觀. y. Nat. 嗜睡程度較低外，腦波的反應也顯示警覺程度較高，包括閉眼測量的高頻 Alpha. er. io. sit. 波(9-12Hz)頻譜功率較高而 Delta 波(0.5-5Hz)頻譜功率較低。Revell,Arendt, Fogg 和 Skene(2006)以不同波長的單色光進行研究，參與者經過 4 小時 420nm. al. n. iv n C 或 470nm 的光照後，前者的主觀嗜睡程度變得較低，同樣的結果也出現在 470nm hengchi U 和 600nm 的比較中，上述研究一致顯示短波長的光線的確較能增加我們的警覺程度。與光線波長有關，另一個影響光照效果的變項是光源的色溫。物理學中提出黑體(Black Body)一詞，它能吸收所有外來的電磁波，並且不會有任何的反射與透射，但黑體本身也會發散出電磁波。將黑體逐漸加熱至數千度的絕對溫度後，黑體將發散出可見光波長的電磁波，而依序呈現紅、黃、白、藍的變化，溫度越高時散發越多短波長的光線。雖然一般的燈具並非將黑體加熱至如此高的溫度來進行照明，但在光學的領域中，色溫常被用來描述光線的顏色。色溫越高的光源，短波長光線的相對含量越高，顏色較偏藍。 23.

(24) 在日本有許多研究比較了不同色溫的光照對生理反應或睡眠的影響。這些研究大多使用 3000K、5000K 和 6500K 左右的光源。其中 3000K 的短波長光線較少，顏色偏黃；5000K 光源各波長含量較均勻，同常見室內燈具的白光；而 6500K 左右的光源短波長光線較多，顏色偏藍。這些研究大致與綜合白光(強光對照無光線)或單色光(460nm 對照 550nm 光線)的結果一致。高色溫的光源由於短波長光線的相對含量較多，除了較能抑制夜間褪黑激素的分泌(Morita & Tokura, 1996; Sato, Sakaguchi, & Morita, 2005; Kozaki, Koga, Toda, Noguchi, & Yasukouchi, 2008)和核心體溫的下降(Morita & Tokura, 1996; Yasukouchi, Yasukouchi, & Ishibashi, 2000; Sakaguchi & Morita, 2005)，而且照射此光源後也能. 治政降低主觀嗜睡的分數(Katsuura et al., 2005)。大立在腦波方面，將 Alpha 波的頻譜功率除以 Alpha 波加 Belta 波的值(Alpha band ‧ 國. 學. ratio)，以該比值進行分析，結果發現高色溫光源較能降低 Alpha 波的活動，進. ‧. 而增加警覺程度。例如 Iwakiri, Yasukouchi 和 Murata(1999)的研究中，經過 28. y. Nat. 分鐘 3000K、5000K 或 6500K 的光照後，後兩者 Alpha 波的活動顯著較前者低。. er. io. sit. Katsuura, Jin, Baba, Shimomura 和 Iwanaga(2005)以 3000K、5000K 和 7000K 的光源進行研究，發現 1 小時 3000K 的光照前後，Alpha 波的活動有增加的趨勢，但. al. n. iv n C 另外兩種光源則無此現象。比較可惜的是，上述兩研究均無明確地說明測量腦波 hengchi U 程序的細節，以及參與者眼睛的張閉狀態。. 最後，與 Cajochen 等人(2005)單色光研究不同的是，經過高色溫光源的光照後，心跳速率並沒有顯著地增加(Mukae & Sato, 1992)。Ishibashi, Kitamura, Kozaki 和 Yasukouchi (2007)的研究中同樣發現在不同色溫的光照後心跳速率沒有顯著差異，但入睡三小時後高色溫組的心跳速率卻顯著高於低色溫組。最後，色溫的光照研究也有對心跳變異率(heart rate variability, HRV)進行分析。由心跳變異率可以分析自律神經系統中，交感與副交感神經的活動強度。研究發現高色溫光源可以提升交感神經的活動進而增加生理上的激發，但此結果僅限於 6700K 和 3000K 的比較，以 5000K 和 3000K 兩種色溫進行比較時，即無上述之效果。 24.

(25) (Noguchi & Sakaguchi, 1999; Mukae & Sato, 1992; Ishibashi, Kitamura, Kozaki, & Yasukouchi, 2007)。. 在此稍為對本節的文獻探討做一總結。光線可以透過眼睛來影響警覺程度，包括降低主觀嗜睡程度以及改變警覺的相關生理指標，例如降低張眼 Alpha、 Theta、Delta 波的頻譜功率以及加快心跳速率，而這些不同的警覺指標是測量不同向度的警覺，其涉及的機制也不完全相同。另外，光線影響警覺的效果會受到許多因素的調節，首先是光照強度，整體而言亮度越高的光照越能增加我們的警覺程度，但兩者的關係並非線性，而且 100 勒克斯光照提升警覺的效果就有數千. 治政勒克斯光照效果的ㄧ半。第二，光照雖能快速地影響警覺，但確切需要多少時間大立目前尚無共識，各研究的光照時間有相當大的變異，從數分鐘至數小時都有。第 ‧ 國. 學. 三，許多研究者認為光照是透過褪黑激素的抑制來增加警覺，因此選擇在夜間進. ‧. 行實驗，少數在日間進行的研究發現光照雖能降低主觀上的嗜睡，但對核心體溫. sit. y. Nat. 和心跳速率則沒有任何效果。最後一個重要的影響因素是光線波長，短波長的光. io. er. 線比較能提升警覺程度，而高色溫的光源含較多的短波長光線。比較不同色溫的研究發現，高色溫相較於低色溫的光源，更能降低主觀嗜睡程度、減少 Alpha 波. al. n. iv n C 頻譜功率並抑制褪黑激素的分泌以及核心體溫的下降，然而此不同色溫的光照效 hengchi U 果在心跳速率以及心跳變異率兩變項上並不明顯。. 第三節、光線影響晝夜節律與警覺程度的比較. 光線對於警覺和晝夜節律的影響有許多的共通之處，包括效果受到光線強度的調節、短波長光線具有較大的效果，而且許多研究都發現，使用光線來影響警覺和晝夜節律時幾乎都伴隨出現褪黑激素的抑制，因此有研究者認為這兩者有. 25.

(26) 共通的生理機制，且褪黑激素和黑視蛋白都扮演很重要的角色。光線影響晝夜節律的生理機制目前是比較確定的。眼球中的神經節細胞可分為兩大類，其中一類接受桿體和椎體的訊息，稱為椎體驅動的古典神經節細胞 (cone-driven classical ganglion cells, cRGC)，主要負責我們的視覺功能；另一類的神經節細胞則包含黑視蛋白，稱為含黑視蛋白的感光性視網膜神經節細胞 ( melanopsin-containing intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGC)，佔視網膜神經節細胞的 1 至 3%(見圖 2-5)，ipRGC 除了直接對短波長的光線感光外，還會接受來自於桿體和椎體的訊息，因此光照對晝夜節律的影響是同時透過桿體和椎體的系統以及 ipRGC(Guler et al., 2008)。ipRGC 會將訊息經由視網. 治政膜-下視丘路徑(retinohypothalamic tract, RHT)傳遞到下視丘的視交叉上核大立 (suprachiasmatic nuclei, SCN)，視交叉上核為身體控制晝夜節律的中樞，該部位 ‧ 國. 學. 神經元活動也是呈現二十四小時的週期。視交叉上核將訊息進一步傳遞到腦部的. ‧. 其它部位如側膝核(lateral geniculate nucleus, LGN)、前頂蓋(pretectum)、上丘. y. Nat. (superior colliculus)和松果體(pineal gland)。其中松果體分泌褪黑激素的時間便. n. al. er. io. sit. 是由視交叉上核所控制(Gooley, Lu, Fischer, & Saper, 2003)。. Ch. engchi. i Un. v. 圖 2-5.光線活化腦部區位的路徑(轉載自 Lockley & Gooley, 2006) 26.

(27) 除了上述的部位外，視交叉上核調控核心體溫的晝夜節律主要是將訊息由背側室旁核區(dorsal subparaventricular zone, dSPZ)傳遞到視前葉中區(medial preoptic area, MPO)；對於睡眠晝夜節律的調節，則是將訊息由腹側室旁核區 (ventral subparaventricular zone, vSPZ)傳至下視丘背內側核(dorsomedial nucleus of the hypothalamus, DMH)，再進一步傳遞到下視丘的腹外側視前核(ventrolateral preoptic nucleus, VLPO)以及橋腦的藍斑核(locus coeruleus, LC)等部位，進而決定我們睡與醒的時間(見圖 2-6)。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 2-6.SCN 調控睡眠及核心體溫晝夜節律之路徑(轉載自 Saper, Scammell, & Lu, 2005). 27.

(28) 相對而言，光線影響警覺的生理機制，目前尚未完全確定(Lockley & Gooley, 2006)。如同前述，部份研究認為光線影響晝夜節律與警覺的生理機制是相同的。支持的證據之一包括兩者涉及相同的腦部區位。前述曾提及光線訊息傳遞至視交叉上核後，會進一步抑制下視丘的腹外側視前核以及活化藍斑核兩部位的反應，並進而決定晝夜節律上睡與醒的時間(Vrang, Mrosovsky, & Mikkelsen, 2003; Chou et al., 2002)。這兩個腦部區位的反應，也被認為與警覺有關。下視丘的腹外側視前核包含了促進睡眠的神經元，當光線抑制這些神經元的反應，會抑制睡意並增加腦波上的激發。而藍斑核部位的活化則會增加清醒時的注意力 (Aston-Jones, Rajkowski, & Cohen,1999)。另外一個認為有相同機制的證據是褪. 治政黑激素，光照調整警覺和晝夜節律時，通常會伴隨出現褪黑激素的抑制，但目前大立此一論點也有反對的證據。例如 Ruger 等人(2005)比較白天和夜間的光照效果。 ‧ 國. 學. 假使如同調整晝夜節律一樣，光線是透過褪黑激素的抑制來增加警覺的話，由於. ‧. 白天體內褪黑激素的濃度非常低，因此白天照光應該不能增加我們的警覺程度。. sit. y. Nat. 然而研究卻發現白天的光照能增加我們主觀上的警覺，因此該功能在腦中的生理. io. er. 機制與晝夜節律的調整相比，可能涉及不同的腦部區位或是包含了更多的腦部區位。Perrin 等人(2004)以 PET 進行研究，發現參與者接受 8000 勒克斯的光照後，. al. n. iv n C 除了下視丘的活動量增加，島葉(insular)和許多大腦皮質，特別是頂葉與枕葉與 hengchi U 注意力相關的區位，例如頂葉內溝 (intraparietal sulcus, IPS)也有高活動量的狀況。fMRI 的研究也發現光照後，隨著主觀警覺程度的增加，視丘後半部枕核. (pulvinar nucleus)的活動量也增高，而此部位與視覺注意力以及警覺的程度有關 (Enquiries et al., 2006)。整體而言，目前尚無法確定光線是否透過褪黑激素來調節我們的警覺程度，而且光線經由視交叉上核去活化大腦皮質的路徑目前也還不清楚(Lockley & Gooley, 2006)。但從上述日夜間光照效果的比較以及腦部顯影的研究結果來看，光線對於警覺程度的影響，或許是同時受到許多不同部位的生理反應所共同決定。 28.

(29) 第四節、光照對睡眠的影響. 在光照的相關研究中，除了光照影響晝夜節律外，很少有研究去探討睡前照光對後續睡眠的影響。目前就能找到的資料中，僅有三個研究探討了這方面的議題，結果詳見表 2-1。. 表 2-1.光照影響睡眠研究之結果作者及年份. 光源. 光照. 活動. 結果. 政治大. 時間. al.,. 1.2500 勒克斯情境的入睡時間較長 2.2500 勒克斯情境的第一睡眠週期. 2500 lux. 小. 定. 弱光. 時. 姿. Delta 波活動較低. ‧. 1992. 固. 學. Cajochen et. ‧ 國. 立3. 勢. 3.各情境的睡眠階段沒有差異. y. Nat. n. al. 2.460nm 情境的第一睡眠週期 Delta 波活. er. io. sit. 1.各情境的入睡時間沒有差異. Munch et al.,. 460 nm. 2006. 550 nm. Ch. 2. 小時. 固. i Un. 動較低. engchi. v. 定. 3.460nm 情境的深睡期較短. 姿. 4.各情境的睡眠效率(SE)、入睡後清醒. 勢. 時間(WASO)及總睡眠時間(TST)沒有差異. Kozaki et al.,. 6700K. 6.5. 閱讀. 1.各情境的入睡時間沒有差異. 2005. 5000K. 小. 及聽. 2.6700K 情境的前半夜深睡期較 3000K. 3000K. 時. 音樂. 29. 短.

(30) Cajochen, Dijk 和 Borbely(1992)讓參與者在睡前三小時接受 2500 勒克斯的白光或 6 勒克斯以下的弱光，結果發現兩種情況下的睡眠階段沒有差異，但接受 2500 勒克斯的光照後，入睡時間顯著較長，且在第一個睡眠週期中 Delta 波的頻譜功率顯著較低，但在第四個睡眠週期時，Delta 波的活動又顯著較高。後續研究進一步探討了不同波長的光照對睡眠的影響。Munch 等人(2006)同樣讓參與者在睡前 2 小時接受光照，但該研究使用 460nm 和 550nm 的單色光，兩光照情境的亮度相同，光子密度(Photon densities)皆為單位面積每秒 2.8×1013 個光子 (photons×cm-2×s-1)。結果發現兩種情境下的入睡時間沒有顯著差異，但接受 460nm 的光照後，睡眠深睡期的時間顯著較短。此外，與前述研究一致的結果是. 治政 460nm 光照後，第一個睡眠週期中 Delta 波的活動顯著較低，但在第三個睡眠週大立期又顯著較高。另一個相關研究是 Kozaki 等人(2005)讓參與者在睡前進行 6.5 ‧ 國. 學. 小時 1000 勒克斯的 3000K,5000K 或 6700K 光照。雖然研究中的入睡時間沒有. ‧. 顯著差異，但在 6700K 的光照後，前半夜的睡眠第四階段顯著較 3000K 的情境. sit. y. Nat. 短，而後半夜則無上述的差異。綜合來說，上述研究使用的光源、光照時間以及. io. er. 光照時的活動有很大的差異，而研究結果的不一致或許就是這些差異所造成的。但就某個程度而言，強光或短波長的光線一致地減少參與者睡眠剛開始的深睡，. n. al. ni Ch 包括 Delta 波的活動較低或睡眠第四期的時間較短。 U engchi. v. 上述 Cajochen 等人(1992)以及 Munch 等人(2006)的研究中，皆試著討論光. 照是透過晝夜節律或恆定系統來影響後續的睡眠，因此我們接下來將對上述兩系統做一些說明。Borbely(1982)在研究中首先提出這兩個影響睡眠的機制：晝夜節律(Process C)和恆定系統(Homeostatic system, Process S)。睡眠的晝夜節律在前述的討論中已有提及，我們每天在差不多的時間入睡和清醒，主要就是受到該機制的影響。在相關的研究中，一次數小時的光照即能抑制褪黑激素的分泌，當睡眠的生理時鐘出現些許延遲，此狀況就有可能導致前述實驗的參與者在亮光情境的入睡時間變的較長。另一個影響睡眠的重要機制是恆定系統，生物體內許多的生理反應都必須 30.

(31) 透過身體的一些調節，來維持在一定的範圍內。例如我們的體溫，當我們運動時，體內過多的熱能會導致體溫過高，此時血管開始擴張來散發熱量，並藉由汗水的蒸發來帶走熱能，相反的，天氣變冷時血管會收縮以減少熱能散發，這些身體的調節主要就是讓體溫恆定，保持在攝氏 37 度左右。另一個恆定的例子，是我們的飢餓感。當我們未進食的時間越長或進行的活動越多，飢餓感會逐漸累積，一但進食後，飢餓感便明顯的下降。我們的睡眠系統中也有所謂的恆定系統，隨著清醒時間的增長和日常活動的進行，睡眠驅力(sleep drive)會逐漸累積，一旦入睡後，此驅力則開始下降。在睡眠中，恆定機制與深睡期有很大的關係 (Borbely,1982)。當我們清醒的時間越長或活動量越多，將累積更多恆定機制上. 治政的睡眠驅力，使得入睡後的深睡期因此而增加。前述研究提到強光或短波長光線大立會減少第一個睡眠週期的深睡期或 Delta 波的頻譜功率，或許表示睡前的光照會 ‧ 國. 學. 抑制此機制上睡眠驅力的累積。. ‧. 進一步探討這兩個系統和清醒腦波間的關係，在 Cajochen 等人(1995)的研. sit. y. Nat. 究中，對參與者進行 40 小時的睡眠剝奪，然後分別在 3、10、27 及 34 小時後測. io. er. 量腦波的頻譜功率，結果發現 6-9Hz 腦波的頻譜功率會隨著時間而增加，因此該研究認為 6-9Hz 的清醒腦波主要是受到恆定機制的影響。後續相關研究認為. al. n. iv n C 上述實驗僅在四個時間點測量腦波，無法判斷腦波是否會有 24 小時為單位的變 hengchi U. 化。在 Aeschbach 等人(1997)的研究中，同樣對參與者進行 40 小時的睡眠剝奪，但每半小時測量一次清醒腦波，結果發現 9Hz 以下的腦波，其變化同時包含了隨時間增加的趨勢以及以 24 小時為單位的變化，因此推測這段頻率的腦波是同時受恆定和晝夜節律的影響。Aeschbach 等人(1999)的研究做了進一步的分析，將腦波頻譜功率寫成以時間為函數的方程式，並以清醒時間(恆定系統)以及相對於核心體溫最低點的時間(晝夜節律)來區分兩系統的影響。結果發現 9Hz 以下的腦波雖然同時受上述兩系統的影響，但恆定系統的影響大於晝夜節律系統。因此在清醒腦波的部分，Delta 波和 Theta 波主要還是受到恆定系統的影響。. 31.

(32) 第五節、研究問題與假設. 在現代化的社會中，人們夜晚長時間暴露於光照之下，雖然一般室內燈的強度不高，但研究顯示暴露於 100 勒克斯的光線 6.5 小時後，警覺程度的增加即有數千勒克斯光照效果的一半。故一般人在睡前所接觸的光線，可以提升警覺或降低睡意，而此狀況可能會影響到後續夜間的睡眠。過去基礎研究顯示光照，特別是波長 460nm 左右的藍光，能增加我們的警覺。上一節所述的研究也顯示睡前的光照會影響後續的睡眠，包括增加入睡時間. 政治大. 或減少前半夜的深睡，然而前述研究的光照情境不同於日常生活，因此目前仍不. 立. 知道其結果是否可以類推至現實生活中。回顧過去的研究(見表 2-1)，Cajochen. ‧ 國. 學. 等人(1992)使用 2500 勒克斯與 6 勒克斯以下的弱光，但研究中參與者照光時必須保持固定的姿勢，而且人們在弱光下無法從事平常夜間的活動，因此限制了此. ‧. 研究的外在效度。此外，Munch 等人(2006)研究中比較了 460nm 和 550nm 的單. y. Nat. sit. 色光，然而一般室內燈具並無法產生單色光。所以相關研究中，Kozaki 等人(2005). n. al. er. io. 的光照實驗是外在效度最佳的研究，包括參與者在光照時可進行閱讀和聽音樂的. Ch. i Un. v. 活動，而且使用的是 3000K、5000K 和 6700K 的光源，這些色溫與室內常見的. engchi. 燈具相同。雖然有上述的優點，該研究使用的光照強度為 1000 勒克斯，明顯較一般 300 至 600 勒克斯的室內燈強度高，且光照時間為 6.5 小時，但在現實生活中，我們很少連續暴露在同一光源下這麼長的時間，上述這兩點限制了外在效度。綜合上述的討論，本研究主要目的是擴展上述實驗的外在效度，檢視其結果是否可以類推至現實生活中，以了解現代化生活的睡前光照是否會影響到後續的睡眠。在外在效度方面，本研究有下列的考量：(1)採用市面上可購得的燈具，包括 3000K 和 5000K 兩種色溫。3000K 燈管的光線顏色偏黃，傳統鎢絲燈的色溫大多屬於此範圍；5000K 則為常見的白光，同大多數室內燈的色溫。(2)在光照期間參與者可以進行棋類或紙牌活動，而不需要維持固定的姿勢，以貼近日常 32.

(33) 生活中的狀況。(3)光照強度固定在 325 至 393 勒克斯之間，屬一般室內燈強度範圍。(4)在光照時間的考量上，日常生活中我們入夜後至睡前接受了長時間的光照，但由於在不同的空間進行不同的活動，所以我們並不是長時間暴露於同一種光源下，因此短時間的光照具有較佳的外在效度。本實驗將光照時間定為 3 小時，除了考慮研究結果的類推性之外，也希望實驗中的不同光照能有充足的時間對參與者的警覺程度或相關生理指標產生作用。本研究以一般室內燈強度的高低兩種色溫光源進行實驗，並將結果與亮度 10 勒克斯以下的弱光進行比較。探討不同光照後的嗜睡程度、相關生理指標、入睡時間以及深睡是否會有所差異。. 治政睡前清醒的部分，根據過去文獻的回顧，我們預期高色溫光源較低色溫者更大立能增加警覺程度。此外，室內燈強度的光源與弱光相比，前者會讓我們在睡前變 ‧ 國. 學. 得較為警覺。由於過去研究曾用心跳速率做為警覺程度的相關生理指標，本研究. ‧. 也對此變項進行收集與分析。前述 Mukae 和 Sato(1992)以及 Ishibashi(2007)等人. sit. y. Nat. 的研究均發現，參與者經過不同色溫的光照後，心跳速率並無明顯差異。因此我. io. 前者的心跳速率應該較快。具體研究假設條列如下：. n. al. Ch. engchi. er. 們預測不同色溫的光照並不會影響心跳速率，但室內燈強度的光照與弱光相比，. i Un. v. 1. 光照後，3000K 情境的主觀嗜睡程度高於 5000K 情境；且弱光情境高於前述兩者。 2. 光照後，3000K 情境中張眼測量腦波(Delta、Theta、Alpha)的頻譜功率將高於 5000K 情境；且弱光情境高於前述兩者。 3. 光照後，3000K 與 5000K 情境的心跳速率相同，而弱光情境低於前述兩者。. 睡眠的部分，我們預測睡前光照的效果會延續至後續睡眠。入睡時間方面， Kozaki 等人(2005)發現睡前 6.5 小時 3000K 與 5000K 的光照，並不會讓入睡時間產生差異，因此我們預測本研究中不同色溫的光照並不會對入睡時間產生影 33.

(34) 響，但以室內燈強度的光照與弱光相比，前者的入睡時間應該較長。深睡的部分，由於我們的實驗較接近 Kozaki 等人(2005)的研究，該研究發現不同色溫的光照會影響前半夜的深睡，因此我們預期實驗的效果比較可能出現在前兩個睡眠週期而非第一個睡眠週期。具體研究假設條列如下：. 4. 光照後，3000K 與 5000K 情境的入睡時間相同，而弱光情境的入睡時間短於前述二者。 5. 光照後，3000K 情境前兩個睡眠週期的深睡期時間將長於 5000K 情境，且弱光情境長於前述二者. 治政 6. 光照後，3000K 情境前兩個睡眠週期 Delta 波的頻譜功率高於 5000K 情境，大立且弱光情境高於前述二者 ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 34. i Un. v.

(35) 第三章、研究方法. 第一節、研究對象. 本研究以立意取樣的方式，募集自願的參與者 9 人，年齡需在 18 至 35 歲之間，男女皆可，每位參與者皆無重大生理和精神上的疾病或就醫史、無睡眠相關抱怨、不曾罹患重大眼疾，且無吸菸的習慣。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 第二節、實驗設計與流程. 本實驗採完全受試者內設計，比較兩種不同色溫的光照和弱光情境下的主. y. Nat. sit. 觀嗜睡程度、腦波、心跳速率以及後續的睡眠。3000K 光源為低色溫情境；5000K. n. al. er. io. 光源為高色溫情境；弱光情境的亮度控制在 10 勒克斯以下。每位參與皆須接受. Ch. i Un. v. 上述三種實驗情境，而三種實驗情境的順序採交互平衡，以避免順序效果混淆實驗結果。. engchi. 整個實驗大致可分為第一週與第二週。在取得參與者的同意後，會要求參與者維持規律睡眠至第二週實驗結束為止。實驗者與參與者討論固定的上床和下床時間，該時間有ㄧ小時的彈性，意即參與者必須在該時間的前後三十分鐘內上床或下床。此外，實驗者會教導參與者記錄睡眠日誌，以便日後檢視其晝夜節律是否穩定。參與者在第一週中，必須至實驗室睡一晚，使其適應環境，避免初夜效應(first night effect)(Agnew, Webb, & Williams, 1966)影響實驗結果。研究的第二週中，參與者有三晚須到實驗室，分別接受三種實驗處理，此三晚須同為週間，參與者在這三天都要上班或上課，因此白天活動量不至於相差太多。另外，實驗 35.

(36) 者會在參與者接受實驗處理的前三天早上，以電話的方式確認參與者在固定的時間內起床。接受實驗處理當晚的流程見圖 3-1：. 貼電極. 3000K 光照. ＋. 紙牌或棋類遊戲. 5000K 光照. ＋. 紙牌或棋類遊戲. ＋. 紙牌或棋類遊戲. 暗. 睡前. 睡前. 光. 睡前. 睡前. 睡前. 睡前. 30 分鐘政治 60 分鐘大測量腦波、心跳速率和主觀嗜睡程度立. 睡眠. 上床時間. 180 分鐘 150 分鐘 120 分鐘 90 分鐘. ‧. ‧ 國. 學. 圖 3-1.實驗流程圖. 參與者當天要避免服用含咖啡因或酒精的飲料，白天不可午睡和從事運. sit. y. Nat. 動，晚餐與洗澡的時間必須三天一致，且晚餐禁止刺激性的食物，如麻辣臭豆腐. n. al. er. io. 或過於辛辣的咖哩等食材。參與者在上床時間的前 4 小時到達實驗室。實驗者先. i Un. v. 由參與者的睡眠日誌上，確認實驗前三天的睡眠量是足夠的，且入睡或半夜醒來. Ch. engchi. 的時間都沒有超過半小時，方可進行當日的實驗。講解完實驗流程後，請參與者先換好就寢衣物，接著開始幫參與者黏貼腦波電極。此時室內燈的強度維持在 620 勒克斯左右，光線色溫 4000K。上床時間的前 3 個小時讓參與者進入實驗房間，該房間燈光強度為 420 勒克斯左右，光線色溫 4000K。接下來進行腦波和心跳速率的基準線測量，為了減少身體動作和眼睛轉動影響到腦波的測量，參與者必須張眼直視前方三分鐘，同時維持固定的身體姿勢以及避免眼球轉動。三分鐘後讓參與者填寫卡羅連斯加嗜睡量表(The Karolinska Sleepiness Scale, KSS）（內容見下節），同樣做為基準線的測量。接著關掉室內燈，並打開實驗用的燈具。為了瞭解各變項在光照後出現效果的時間點，後續 3 小時的光照中，每三十分鐘. 36.

(37) 測量一次腦波、心跳速率以及主觀嗜睡程度，參與者同樣必須張眼不動三分鐘並填寫 KSS。溫度方面，為了避免室溫的不同對睡眠造成影響，過去的研究幾乎都將室溫控制在某一定值。本實驗以一般室內空調來設定室溫，雖然參與者可以選擇適合自己的溫度，但三天必須一致。在實驗過程中，實驗者以水銀溫度計進行監控，確定室內溫度的變化不超過 10C。另外，本實驗讓參與者可以自由選擇穿著長袖或短袖衣服以及長褲或短褲，但三天必須一致。光照的部分，3000K 與 5000K 光源的燈管均裝置在獨立的燈架上，並置於參與者眼前 100-110 公分處。參與者在光照期間，身體必須倚靠在椅背上，以確. 治政保三次實驗中光源與眼睛的距離相同，使光線強度為持在大 323 至 393 勒克斯之立間。弱光則使用市售的小燈泡，參與者與燈源保持 200 cm 以上的距離，使亮度 ‧ 國. 學. 維持在 10 勒克斯以下。在進行光照的過程中，參與者必須和主試者一起進行紙. ‧. 牌或棋類等遊戲，且三次實驗中所進行的活動必須一致。. sit. y. Nat. 參與者完成 3 小時的光照以及最後一次腦波、心跳速率和主觀嗜睡的測量. io. er. 後，實驗者會要求參與者上最後一次廁所，接著關閉研究用的燈源，使房內維持黑暗的狀態，並請參與者上床就寢。隔天早上在參與者固定的起床時間喚醒他，. al. n. iv n C 請他填寫睡眠日誌後，將訊號線拆除，結束當次的實驗。 hengchi U. 第三節、研究工具. 一、光照用燈具弱光部分使用市面上可購得的 Philips 40W 小燈泡。室內燈強度的光源則使用 NEC 三波長 HGX 燈管，低色溫與高色溫燈管的商品型號分別為 FL40SSEX-L/37-X 以及 FL40SSEX-N/37-X，同樣為市面上可購得的產品。兩燈. 37.

(38) 管長度皆為 119.8 cm，實測亮度相同，距離 100 公分時皆為 393 勒克斯。此外，本研究以 JETI(Jena/Germany)出產的光譜幅射計(spectroradiometer)進行實測，產品型號為 specbos 1201，所測得兩燈管的實際色溫為 2999K 和 4913K，前者顏色略偏黃，後者顏色同多數室內白光。兩光源中，各波長光線所占含量如圖 3-2 所示。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 3-2.低色溫與高色溫燈各波長光線的含量. 由圖中可發現各波長光線在兩光源中所佔含量大致相同，最大的差別出現在圖中紅圈標示處，其中一處是在波長 430 至 480nm 這一段。低色溫燈 430-480nm 的光線含量約略是高色溫燈的三分之一至二分之一。另外也有差異的是波長 598 至 616nm，高色溫燈這段光線的含量約略是低色溫燈的二分之一。. 38.