有色光对心肺协调能力的影响

摘要

背景．眼睛接触到的光线可以影响不同的生理功能，例如，视交叉上核(SCN)。SCN通过影响自主神经系统，可影响心率变异性(HRV)。标准色光照射可改变HRV，但结果不一致。在这项研究中，我们调查了非标准化红光(约为。约640 nm)和蓝色(约640 nm)。480 nm)光(约。50 lx)。方法．17名健康受试者(7名男性，年龄26.5±6.2岁)分别暴露于日光-红光-日光-蓝光-日光10分钟。红光和蓝光是由日光穿过彩色玻璃窗产生的。分析HRV (LF:低频，HF:高频振荡，交感迷走平衡LF/HF)的频谱测量和心肺协调(HRR:心脏呼吸比，PCR:相位协调比)的测量。结果．红光照射后，低频分量增加，高频分量减少。因此，红光后LF/HF增加。红光下HRR和PCR限制在4:1，即在一个呼吸周期中有4次心跳。结论．非标准化的红光和蓝光能够改变HRV反射的自主控制以及心肺协调。

1.介绍

在正常视力中，光被视杆细胞和视锥细胞捕获。这样，位于视交叉上核(SCN)的生物钟每天都被携带[1，2］．因此，光线会影响许多与生物钟协调的其他功能。除了这种所谓的成像视觉系统的影响外，最近还发现了本质光敏视网膜神经节细胞(ipRGCs)的存在[3.］．它们形成了一个非图像的视觉系统;也就是说，光刺激不是用来形成图像的。在光刺激下，ipRGCs表现出突触驱动的反应(由杆状体和锥状体的输入启动)和自主反应(基于光色素黑视素)[4］．iprgc对短波长(红色)光比短波长(红色)光更敏感[5］．他们也投射到SCN [6，7］．因此，形成图像和非形成图像的视觉系统影响SCN对光的响应。

由于SCN对自主神经系统(ANS)有影响[8，9不同的视觉刺激(如不同的颜色)可能会以不同的方式改变ANS。这种改变可以通过分析心率变异性(HRV)来量化。例如，在健康受试者中，呼吸诱导由副交感神经活动介导的心率调节(呼吸窦性心律失常，RSA) [10］．这种调制的程度可以用光谱分析来分析[11］．一般来说，心率的高频振荡与副交感神经活动的调节有关，而低频振荡则与交感神经和副交感神经活动的调节有关。如果对心肺相互作用进行分析，可能会得到更多的信息。已有研究表明，心跳和呼吸的振荡可能间歇性地同步[12，13］．夜间睡眠时，心率和呼吸很可能呈现4:1同步;也就是说，在每个呼吸周期中有4次固定时间的心跳[14- - - - - -17］．

最近对彩色光引起的心血管控制改变的研究是不均匀的。强光(≥5000 lx)剧烈增加健康受试者的平均心率，其中蓝光最有效[18］．在有生理性黄疸的新生儿中，与没有光疗的活跃睡眠相比，光疗在活跃睡眠期间增加心率和降低呼吸频率[19］．在健康受试者中，不同颜色的视觉刺激没有改变平均心率，但引起HRV的变化。在绿光或红光(700 lx)下，非常低的振荡增加，而在蓝光下，与黑暗相比，这些振荡减少[20.］．另一项研究表明，在暴露于红色或蓝色昏暗光(照度低于1勒克斯)后，有焦虑和抑郁症状的健康受试者的HRV低频振荡增加[21］．这些研究表明，不同的颜色刺激可能会不同程度地改变心血管调节。

本研究的目的是研究暴露于红光或蓝光对健康受试者HRV、呼吸频率和心肺协调的同时影响。我们采用了一种“自然主义的设置”，包括在日光照射下的窗户前的彩色玻璃窗。这种方式的照度水平很低(30到100 lx)，而且没有标准化。

2.方法

2．1．主题

健康受试者20例(女性10例，平均年龄27±6岁)。研究对象均无心血管病史，特别是无低血压、高血压或抗心律失常治疗史。这些受试者都没有任何光疗法的经验。三名男性受试者被排除在研究之外，因为他们故意改变了自己的呼吸。因此，这些受试者不仅关注不同的视觉刺激，还关注呼吸。所有受试者均给予书面知情同意。这项研究得到了威腾/赫尔德克大学伦理委员会的批准。

2．2.协议

受试者舒服地坐在一张扶手椅上。窗户前1.5米的地方。窗户的大小与彩色玻璃窗的大小相匹配。0.6米× 1.1米)，黑色不透明窗帘。一块红色和一块蓝色的玻璃被用来产生两种不同的颜色刺激。(红色的玻璃是加了金制成的，蓝色的玻璃是加了氧化亚铁制成的。它们由Lucien Turci和Marianne Altmaier制造，Lichtblick e.V.， Lörrach，德国)每一块玻璃都被安装在一个带卷轴的支架上，允许视觉刺激的快速变化。在色觉过程中，黑色不透明窗帘被放置，这样色光是唯一的视觉刺激。每个受试者暴露于以下序列的视觉刺激(照度水平:30至100 lx):

每次刺激持续时间为10分钟(总持续时间为50分钟)。为了尽量减少由HRV昼夜变化引起的偏差[22手术在上午10点到下午1点之间进行。

2．3.数据采集

在每个治疗期间记录1通道Holter心电图(ECG)和呼吸轨迹(热电偶捕捉的鼻腔/口腔气流)(Medikorder MK2, Schiller Engineering, Graz，奥地利)。该设备的心电图采样率为3000 Hz，因此，该设备内部r峰检测的次数精度小于1 ms。为减少记忆消耗，以250 Hz的采样率保存心电图，以100 Hz的采样率保存鼻腔气流。将心电转导后，将气流轨迹和r峰次数输入电脑，目视检查心电、r峰次数。对于工件，相关r峰的时间在必要时被修正(例如，通过删除工件或修正r峰的时间)。该设备识别出的r峰中只有不到0.01%需要校正。

气流轨迹分析如下。吸气开始被定义为气流的局部最小值，因为它们是由在环境温度下从呼出暖空气(温暖的是呼吸道)到吸入空气的变化引起的。自动识别的吸气起始时间也被目测。再次，在人工因素的情况下，吸气开始的时间被纠正。

目视检查r峰，随后进行HRV分析(见章节2．4)，气流轨迹分析使用Matlab编写的定制程序(the Mathworks, Natick, MA, USA)。

2．4．心率变异性

连续r峰之间的正态间距(RR-interval series)是计算的基础。为了避免不同视觉刺激之间的过渡效应，我们只对每个视觉刺激中间的5分钟时间进行分析。计算平均正态间距和伴随标准差(SDNN)作为基本时域参数。在频域，利用快速傅里叶变换计算心率变化(VLF:≤0.04 Hz, LF: 0.04 - 0.15 Hz, HF: 0.15-0.4 Hz)的极低频、低频和高频振荡幅度及低频/高频比值[11］．除了HRV的频谱测量外，我们还使用去趋势波动分析(DFA)量化了心率时间序列的自相似性[23，24］．

2．5．心和肺的协调

计算平均呼吸频率及其标准差。心肺协调通过两种不同的方法进行量化。(a)心率与呼吸率之比(HRR，心呼吸比)可作为间歇性心肺协调的简单指标[25］．(b)此外，“相协调比”(PCR) [14，26，因为它也更详细地考虑了心跳和呼吸的时间协调。例如，与使用所谓的同步图分析心肺同步相比，这种方法是有优势的[12]，因为它能够检测到较短且间歇的心肺协调周期(只有在连续两个呼吸周期后才能检测到协调)[14]，而同步图分析则需要较长的周期来检测心肺同步[13，17］．

分析如下。首先,RR-tachogram（)转换为符号序列，表示心率的加速和减速(图2)：

接下来,:-心跳和呼吸的协调导致特定的0 s和1 s序列。例如，一个7:2协调(在2个呼吸周期中有7个心跳)的特征明确如下二元模式(图1): 1001100。为了尽量减少对心肺协调的虚假检测，必须出现相应的模式，而且至少三个随后的符号必须属于同一模式。以下7:-ratio of cardirespiratory coordination包含了大量的相关信息:3:1,7:2,4:1,9:2,5:1,11:2,6:1 [14］．二元模式反映了这些:比率列于表中1．然后计算PCR结果作为检测结果的加权平均数:比率: 在这里,分别出现的次数是多少:比率。为了量化心肺协调，计算了每个视觉刺激的中间5分钟周期的HRR和PCR。

2．6．统计数据

本探索性初步研究的目的是评估红色和蓝色视觉刺激对HRV和心肺协调的影响。通过以下参数量化每个5分钟周期:平均RR-interval、SDNN、VLF、LF、HF、LF/HF、呼吸频率、HRR和PCR的平均值和标准差。为了减少连续视觉刺激之间的过渡效应，我们对每个视觉刺激中间的5分钟时间进行了分析。采用重复测量的非参数1-way方差分析(Friedman检验)来量化不同视觉刺激序列中的差异。根据Bonferroni的方法，不同视觉刺激之间的事后差异使用平均秩和多次比较校正来计算。一个被认为具有统计学意义。

HRR的一个特殊特征是在夜间睡眠时，其中心比率为4:1 [17，27］．我们分析了在色光照射下，心肺协调中心是否更严格地遵循4:1的比例。定义色光时HRR中心向4:1

此外，颜色刺激前HRR的偏差越大()的比例越大，在颜色刺激时达到向4:1中心(或限制)的相应差异就越大()．为了量化这个中心，我们绘制了图表与()．根据定义，在这个图中居中是由负相关表示的。因此，我们计算皮尔逊相关系数和它的伴随价值。对异常值引起的伪相关进行检测:剔除差异最小点和最大点，计算相关系数．相关性被认为是显著的只有当-两种相关性(原始和无异常值)的值为．以4:1比值为中心进行了类似分析。

3.结果

图中显示了完整的RR-interval系列、II-interval系列和心脏呼吸比(HRR)的示例2．请注意，我们分析了每个视觉刺激中间的5分钟时间。照度水平大致为。在彩色光线下50 lx。平均RR-interval为1002 ms。每分钟60次)，在不同视觉刺激的连续过程中没有变化(见表)2)．SDNN作为时域的度量在整个过程中是恒定的(73毫秒)。在频域上，低频、高频和低频/高频随视觉刺激的顺序而变化，而VLF的变化略高于显著水平()．开始时的LF较中间时低(6.84 ln ms)²而7.31 ln ms²，)和日光结束(6.84 ln ms²而7.39 ln ms²，)．此外，与日光相比，红光下的LF也较低(6.94 ln ms)²而7.39 ln ms²，)．相反，HF仅在开始日照时高于中间日照(7.33 ln ms)²而7.02 ln ms²，)．与中间时段相比，开始时段的LF/HF较低(- 0.24 vs 0.47;)，并与白天相比(−0.23 vs 0.64，)．关于心率变化的分形特性，自相似参数与中间光线、蓝光和结束光线相比，开始时的日光含量也较低(0.80对1.03，；0.80和1.06,0.80对1.08，)．

平均呼吸频率为每分钟5.5 ~ 16.4次。呼吸频率标准差为2.3 ~ 3.0 cpm。这两个参数在不同视觉刺激的连续过程中没有变化。平均:HRR和PCR测定的心肺协调的-比值也无变化。在不同的视觉刺激下，他们都接近4。

心肺协调的中心(或限制)相对于4:1的比率如下。红光照射时，中心图中有明显的线性关系，由相关系数表示(见图3(一个)和3 (c)；嗯:，；聚合酶链反应:，)．因此，在颜色刺激前的日光下，与4的偏差越大，差异就越大在色光刺激时达到中心(限制)。由于居中导致HRR(和PCR)分布较窄，红光下HRR(和PCR)的标准差也较低(见表)1)．注意，中心不影响平均HRR(和PCR)。在蓝光下，HRR和PCR不居中(图)3 (b)和3 (d)；嗯:, n PCR:、n)。请注意图中相对较大的相关系数3 (d)是由离群值引起的(没有离群值的相关系数:，)．我们还检查了所有其他视觉刺激组合的中心图。这些居心图都没有显示出显著的负相关关系，即以4:1为中心。

4.讨论

在没有照度标准化的红光和蓝光的视觉刺激下，整个手术过程中平均心率和呼吸频率没有变化。简而言之，低频振荡在手术过程中增加，而高频振荡在手术的第一部分减少。LF/HF显示了更详细的结果:这个参数只在暴露在日光下时增加。也就是说，红光和蓝光不会改变低频/高频，而中间的日光和最后的日光会改变。自相似性参数在日光结束时比开始时增加。此外，HRR和PCR所表达的红光心肺协调集中(局限)于4:1(一个呼吸周期中有4次心跳)。即红光下的HRR和PCR开始时比日光下更接近4:1。蓝光对心肺协调没有任何影响。

最近的研究表明，视觉刺激对心率和HRV有明显的影响。健康受试者暴露在强光(>5000 lx)下，平均心率增加[18］．在另一项研究中，HRV在有色光照射10分钟期间发生了改变，而平均心率没有变化[20.］．低频振荡在红光和绿光中增加，而在蓝光中减少。颜色刺激后，HRV立即恢复到颜色刺激前的值。VLF组件的起源仍有争议[11，28］．一些作者认为迷走神经压力反射敏感性的极低频变化和HRV的极低频变化都是迷走神经调节引起的[29］．因此，VLF成分的变化可以谨慎地从迷走神经活动的变化来解释。低频振荡没有变化，只有在绿光下高频振荡减小。因此，迷走神经活动在绿光下减弱。这些结果仅在标准照度(700 lx)的视觉刺激时获得。昏暗光线(1 lx)的视觉刺激也会导致ANS的改变[21］．然而，这些结果是在视觉刺激后获得的。与基线相比，在昏暗的红色、蓝色和绿色灯光下进行视觉刺激后，心率降低。红光和蓝光照射后低频振荡增加，而红光照射后高频振荡减小。结果，红光照射后交感迷走神经平衡LF/HF降低。

在本研究中，我们发现红色视觉刺激后低频振荡增加，低频振荡减少。也就是说，在红光照射后，交感神经振荡增加，而副交感神经振荡减少。因此,低频/高频增加。这些发现与Choi等人的上述发现一致[21］．进一步，我们发现了自相似参数的增加红灯刺激后。这种增加与总光谱密度的变化有关反映了光谱的衰变。在这种特殊情况下，红光刺激后，更多的能量转移到较低的频率。与之前的研究结果相反，我们没有发现由色光刺激引起的平均RR-interval(即平均心率)的任何变化。Schäfer和Kratky所描述的色光刺激过程中的差异[20.也无法得到证实。

Schäfer和Kratky的研究结果的差异可能是由于不同的照度(700 lx和30至100 lx)。即使是低水平的照度也可能对ANS产生影响，因为非成像视觉系统的iprcg甚至对很少的光子作出反应[30.，因此，也可能影响SCN和ANS。弱光刺激引起的iprcg突触介导的反应[4支持这一观点。

彩色光暴露的唯一同时效应是HRR和PCR显示的红光下心肺协调中心向4:1方向集中。注意HRR是一种简单的心肺协调指标[25]，而PCR则对心跳和呼吸的时间协调更为严格[14］．因此，在红灯时，协调被调整到4:1的比例出现。健康受试者在安静休息时也观察到这种协调[12，13]以及夜间睡眠时[17，27，31］．这种协调的出现表明了机体的放松和恢复的过程。我们注意到，这种放松不同于，例如，HRV高频振荡的增加作为迷走神经活动增加的指标[32］．

关于局限性，我们注意到蓝光的效果可能会被先前的红光刺激所混淆。iprgc对视觉刺激的反应比传统的RGC更持久[4］．因此，延续效应可能是蓝光刺激产生结果的原因。一项关于色光刺激序列的随机平衡设计也可能揭示蓝光对HRV或心肺协调的特定影响。理想情况下，每种颜色刺激应该分别进行研究，以避免遗留效应。如果在手术开始前有更多的适应时间，可以避免手术过程中低频振荡的增加和高频振荡的减少。然而，较长的适应期也会导致在适应期警觉性较低而导致的疲劳感增加。

综上所述，在红光照射下，心脏呼吸协调中心向4:1方向运动。此外，红光和蓝光改变HRV表达的自主神经功能。这些结果可能导致应用有色光作为一种治疗手段的理论基础，如在人智治疗艺术。导致这些变化的生理机制需要探索。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项研究得到了德国达姆施塔特Software AG Stiftung的资助(给Dirk Cysarz, Peter F. Matthiessen)。彩色眼镜的生产也由软件公司支持。

参考文献

1. T. Roenneberg, S. Daan, M. Merrow，《夹带的艺术》生物节律杂志第18卷第2期3，页183-194,2003。视图:出版商的网站|谷歌学者
2. T. Roenneberg, C. J. Kumar, M. Merrow，《人类的生物钟与太阳时间同步》当代生物学，第十七卷，第二期2, pp. R44-R45, 2007。视图:出版商的网站|谷歌学者
3. D. M. Berson, F. A. Dunn, M. Takao，《视网膜神经节细胞的光转导调节生物钟》，科学第295卷第2期5557，第1070-1073页，2002。视图:出版商的网站|谷歌学者
4. K. Y. Wong, F. A. Dunn, D. M. Graham和D. M. Berson，《突触对大鼠神经节细胞光感受器的影响》，生理学杂志，第582卷，第2期。1，页279-296,2007。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. C. papammichael, D. J. Skene, V. L. Revell，“人类对同时呈现蓝色和红色单色光的非视觉反应”生物节律杂志第27卷第2期1，第70-78页，2012。视图:出版商的网站|谷歌学者
6. E. Drouyer, C. Rieux, R. A. Hut, H. M. Cooper，“视交叉上核神经元对明暗适应的反应:黑视素和杆状锥输入的相对贡献，”神经科学杂志第27卷第2期36，第9623-9631页，2007。视图:出版商的网站|谷歌学者
7. s . Hattar H.-W。高雄(M. Takao)，柏森(D. M. Berson)， k - w。含有黑视素的视网膜神经节细胞:结构、突出和内在光敏性科学第295卷第2期5557，页1065-1070,2002。视图:出版商的网站|谷歌学者
8. F. A. J. L. Scheer, A. Kalsbeek, R. M. Buijs，“视交叉上核对心血管的控制:人类和大鼠的神经和神经内分泌机制”，生物化学第384期5，第697-709页，2003。视图:出版商的网站|谷歌学者
9. F. A. J. L. Scheer, G. J. Ter Horst, J. Van Der Vliet，和R. M. Buijs，“大鼠视交叉上核调节心脏的生理学和解剖学证据，”美国生理学杂志-心脏和循环生理学第280卷3, H1391-H1399, 2001。视图:谷歌学者
10. J. A. Hirsch和B. Bishop，“人类呼吸性窦性心律失常:呼吸模式如何调节心率”，美国生理学杂志-心脏和循环生理学，第241卷，第2期。4，页。H620-H629, 1981。视图:谷歌学者
11. 欧洲心脏病学会和北美起搏和电生理学会任务小组，“心率变异性:测量标准、生理解释和临床使用，”循环第93卷第5期5，第1043-1065页，1996。视图:出版商的网站|谷歌学者
12. G. Schäfer、M. G. Rosenblum、J. Kurths和h - h。亚伯，心跳与呼吸同步自然，第392卷，第2期1998年。视图:出版商的网站|谷歌学者
13. C. Schäfer, M. G. Rosenblum, H.-H。Abel和J. Kurths，《人类心肺系统的同步性》物理评论E，第60卷，第2期1，页857-870,1999。视图:出版商的网站|谷歌学者
14. H. Bettermann, D. Cysarz，和P. Van Leeuwen，“夜间睡眠中间歇性心肺协调检测的两种不同方法的比较”，BMC生理学， 2002年第2卷第18条。视图:出版商的网站|谷歌学者
15. D. Cysarz, H. Bettermann, S. Lange, D. Geue, and P. van Leeuwen，“夜间睡眠中检测心肺协调的不同方法的定量比较”，生物医学工程在线， 2004年第3卷，第44条。视图:出版商的网站|谷歌学者
16. M. Moser, M. Lehofer, G. Hildebrandt, M. Voica, S. Egner，和T. Kenner，“心脏和呼吸功能的相位和频率协调”，生物节律的研究第26卷第2期1，页100-111,1995。视图:出版商的网站|谷歌学者
17. R. Bartsch, J. W. Kantelhardt, T. Penzel, and S. Havlin，“人类心肺系统中相位同步转换的实验证据”，物理评论快报第98卷第1期5、Article ID 054102, 2007。视图:出版商的网站|谷歌学者
18. M. Ruger和F. A. J. L. Scheer，“昼夜节律中断对心脏代谢系统的影响”，内分泌和代谢紊乱综述，第10卷，第5期。4, pp. 245-260, 2009。视图:出版商的网站|谷歌学者
19. D. Bader, A. Kugelman, D. E. Blum, A. Riskin和E. Tirosh，“光疗对患有生理性黄疸的新生儿睡眠时心肺活动的影响”，以色列医学协会杂志，第8卷，第2期1，页12-16,2006。视图:谷歌学者
20. A. Schäfer和K. W. Kratky，《彩色照明对心率变异性的影响》，Forschende Komplementarmedizin，第13卷，第2期3，页167 - 173,2006。视图:出版商的网站|谷歌学者
21. C. J. Choi, K. S. Kim, C. M. Kim, S. H. Kim，和W. S. Choi，“有焦虑和抑郁症状的健康成年人接触有色光后心率变异性的反应性，”国际心理生理学杂志，第79卷，第5期。2，页83-88,2010。视图:出版商的网站|谷歌学者
22. E. L. Fallen和M. Kamath，“心率变异性的昼夜节律”心率变异性马立克(M. Malik)和a.j.卡姆(A. J. Camm, Eds)。，pp. 293–309, Futura Publishing, Armonk, NY, USA, 1995.视图:谷歌学者
23. n . Iyengar C.-K。彭，R. Morin, A. L. Goldberger，和L. A. Lipsitz，“心脏间搏间隔动力学分形尺度的年龄相关变化”，美国生理调节综合和比较生理学杂志号，第271卷4, pp. R1078-R1084, 1996。视图:谷歌学者
24. 戈德伯格，阿马拉尔，豪斯多夫，伊万诺夫，c - k。彭，H. E. Stanley，《生理学的分形动力学:疾病和衰老的变化》，美国国家科学院学报，第99卷，第5期。1，页2466-2472,2002。视图:出版商的网站|谷歌学者
25. D. Hoyer, O. Hader，和U. Zwiener，《相对和间歇心肺协调》，医学与生物工程杂志，第16卷，第5期。6，第97-104页，1997。视图:出版商的网站|谷歌学者
26. H. Bettermann, D. Cysarz，和P. Van Leeuwen，“通过心脏周期动态的呼吸模式分析来检测心肺协调——音乐节奏的方法，”国际分岔与混沌学报，第10卷，第5期。10，第2349-2360页，2000。视图:出版商的网站|谷歌学者
27. G. Hildebrandt，“人类有机体中自主时间结构的反应性修改”，生理学和药理学杂志，第42卷，第2期1，第5-27页，1991。视图:谷歌学者
28. G. G. Berntson, J. Thomas Bigger Jr.， D. L. Eckberg等人，“心率变异性:起源方法和解释说明，”心理生理学第34卷第3期6，第623-648页，1997。视图:出版商的网站|谷歌学者
29. D. L. Eckberg和T. A. Kuusela，“人类迷走神经压力反射敏感性在非常低的频率下有很大的节律性波动，”生理学杂志，第567卷，第5期。3, pp. 1011-1019, 2005。视图:出版商的网站|谷歌学者
30. “黑素视网膜神经节细胞的光子捕获和信号传递”。自然，第457卷，第2期。7227，第281-287页，2009。视图:出版商的网站|谷歌学者
31. 希尔德布兰特，“人类有机体中的自主时间结构及其反应性修饰”，发表于人类振荡系统的时间紊乱L. Rensing, U. an der Heiden, M. C. Mackey, Eds。，Springer Series in Synergetics, pp. 160–175, Springer, Berlin, Germany, 1987.视图:出版商的网站|谷歌学者
32. D. Cysarz, D. Von Bonin, P. Brachmann等，“从日到夜的时间差异在心肺协调和心率变异性之间的关系”，生理测量，第29卷，第2期11，第1281-1291页，2008。视图:出版商的网站|谷歌学者

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