探究屏幕蓝光强度、任务难度以及一天中不同时间对办公室环境中主观感受、行为表现以及脑电图（EEG）反应的影响

《Displays》：Exploring impacts of screen blue-light level, task difficulty, time of day on subjective, behavioral, and electroencephalography responses in offices

本研究探讨屏幕蓝光强度、任务难度和时间对主观警觉性、行为表现及脑电（EEG）反应的影响。采用within-subject设计，14名参与者在不同蓝光、任务难度和时间条件下完成任务，结果显示适度蓝光增强可改善警觉性、缩短反应时间并调节EEG β/θ波功率，其效应受任务难度和时间段显著影响，尤其在晚间及高任务需求时效果最佳。

　　

陈成明|王瀚|周晓艺|王芳|曾瑞琪|卢彪|林彦丹

上海海洋大学工程科学与技术学院，中国上海胡城环路999号，201306

摘要

本研究探讨了屏幕蓝光强度、任务难度和一天中不同时间对办公室环境中主观警觉性、行为表现和脑电图（EEG）反应的交互影响。采用被试内设计，14名参与者在五种屏幕蓝光强度、三种任务难度和三个生理节律阶段下完成了心理运动警觉性任务，同时保持环境光线恒定。结果表明，适度增强的屏幕蓝光（BLL4）显著降低了主观困倦感，提高了注意力稳定性，缩短了反应时间，并增加了任务准确性。EEG分析进一步显示，蓝光暴露增强了β波功率，抑制了θ波功率，并调节了α波振荡，其效果因认知负荷和生理节律阶段而异。值得注意的是，在晚间时段和高任务需求情况下，蓝光干预效果最为显著，这凸显了其在对抗生理节律低谷和心理疲劳方面的潜力。这些发现表明，屏幕发出的蓝光作为一种非视觉调节因素，为适应性显示设计提供了神经生理学依据，并为基于屏幕的任务中的警觉性调节提供了基础性见解，可能为未来的办公室环境中的适应性显示策略提供参考。

引言

在现代办公室和学习环境中，人们平均每天要接触电子屏幕超过六小时[1]。长时间暴露在这种光线环境中通常会导致眼部不适、持续注意力下降、入睡时间延迟以及白天疲劳[2]、[3]、[4]。这些影响不仅会损害工作效率和学习成果，还表明人工照明可能对生理状态调节产生不利影响[5]。随着屏幕在职业和教育环境中的使用不断增加，显示设备发出的光线已成为现代环境中的重要光源[6]。因此，了解不同光谱特性的屏幕光线如何调节人类的警觉性和持续注意力——特别是在不同的时间和任务相关条件下——具有重要的实际意义。

光线既具有视觉效应，也具有非视觉效应。非视觉效应主要由视网膜神经节细胞（ipRGCs）介导，这些细胞对短波长（460–480纳米）特别敏感，并将信号传递到视交叉上核（SCN），即中枢生理节律调节器[7]、[8]。通过这些途径，短波长光线调节褪黑激素分泌、警觉性、情绪以及与睡眠相关的生理和行为[9]、[10]、[11]、[12]。与阳光相比，显示设备发出的光线通常具有较窄的光谱，短波长成分比例较高，且强度相对稳定[13]。越来越多的证据表明，屏幕发出的蓝光成分可以有效刺激非视觉通路，产生可测量的生理和行为效应，扰乱生理节律调节，可能影响办公室工作人员的警觉性、表现和健康[14]、[15]。然而，这些非视觉效应并非固定不变，似乎取决于个体的生理状态和具体情境，包括一天中的时间和任务要求。

越来越多的研究探讨了短波长光线与警觉性之间的关系（表1）。一些实地研究在真实的工作环境中调整了环境照明，以考察一天中警觉性和情绪的变化。例如，Iskra-Golec等人进行了一项实地实验，比较了实际工作环境中增强蓝光和常规照明的效果，发现增强蓝光下早晨的感知活力有所提高，并且这种效果具有时间依赖性[16]。类似地，Viola等人在多天内将增强蓝光的白光与常规白光进行了比较，发现增强蓝光下的主观警觉性、工作表现和睡眠质量有所改善[17]；Zhang等人比较了两种具有相同相关色温（CCT）和照度但S锥光效应度（EDI）不同的增强蓝光白光条件，发现较高的S锥光效应度条件会导致更大的主观眼部不适、泪膜稳定性下降、心率变化以及记忆任务中的反应时间增加，这表明即使相关色温保持不变，增加蓝光成分也会加剧视觉疲劳[18]。然而，这些研究主要关注环境建筑照明，而非屏幕发出的光线，并且通常只在有限的时间点检测警觉性。许多学者进一步探讨了一天中不同时间点的影响以及短波长光线暴露的神经相关因素。Baek和Min通过EEG研究表明，午餐后暴露于短波长蓝光可以缓解警觉性下降，增强觉醒相关的EEG指标，表明蓝光有助于对抗午餐后的警觉性下降[19]。Phipps-Nelson等人测试了夜间持续清醒状态下短暂暴露于单色蓝光与昏暗光线和红色光线的效果，发现使用心理运动警觉性任务（PVT）、主观困倦评分和脑电图（EEG）测量结果显示，蓝光下困倦感降低，反应时间加快[20]。Alkoze等人发现，早晨暴露于蓝光（而非琥珀色光线）可以改善工作记忆表现，并通过功能性磁共振成像（fMRI）测量到前额叶激活增强[21]。Siemiginowska和Iskra-Golec研究了不同时间点单色蓝光暴露对EEG活动的影响，发现蓝光降低了α波功率并增加了β波活动，变化幅度取决于暴露时间和个体的生理节律类型[22]。Yang等人指出，晚上暴露于强光改变了睡眠期间的EEG谱，减少了睡前困倦感，尽管对次日表现的影响有限或复杂[23]。Lin等人发现，在夜间暴露于不同强度的短波长光线时，较高的光线强度增加了EEG中的β波功率，降低了α/θ波功率，并减少了主观困倦感，表明短波长光线强度可以显著提高警觉性[24]。

同时，一些研究直接调整了显示设备的特性，以研究视觉疲劳、注意力和表现。屏幕亮度、色温、对比度、极性和观看距离的变化已被证明会影响主观不适、眼睛行为和任务效率[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。然而，许多研究仅关注即时视觉结果或孤立的显示参数，没有明确探讨屏幕发出的蓝光如何与任务需求和一天中的时间相互作用，从而形成持续的警觉性这一认知状态。

总体而言，现有证据表明短波长光线可以影响警觉性和认知表现，但这些效应共同取决于暴露时间、光谱特性和任务要求。然而，大多数研究仅关注一天中的某个特定时间或有限的任务集；系统性地研究屏幕发出的蓝光如何在一天中不同时间动态调节警觉性仍然有限。此外，早期的实验室研究通常调整了传统的光度参数，如相关色温或照度。虽然这些指标在实际应用中很实用，但它们并不能完全反映生物学上相关的光受体刺激。CIE S 026:2018框架推荐使用黑视效应指标——例如黑视效应等效日光（D65）照度（mel-EDI，Melanopic Equivalent Daylight Illuminance）——作为更合适的量化指标，用于驱动ipRGC介导的通路[32]。最后，尽管大量文献强调了夜间效应，但短波长光线也会引发快速的（急性）警觉性反应以及生理节律和睡眠效应[9]、[33]。因此，有必要系统地研究屏幕发出的蓝光在白天基于屏幕的办公活动中对警觉性的急性、时间依赖性效应。

本研究从状态依赖的角度出发，结合一天中的时间背景、任务要求和神经活动模式，探讨了屏幕发出的蓝光的非视觉效应对警觉性的影响。在现代办公室环境中，电子显示屏是持续且通常占主导地位的光学刺激源，但其非视觉效应的系统研究不如建筑照明那么充分。这里所指的“办公室环境”是指以屏幕为主的工作环境，如监控中心和长时间的基于屏幕的工作，其中显示屏在稳定的环境光条件下成为主要的、可控制的视网膜刺激源。现有证据表明，警觉性的调节受到多种相互作用因素的影响，包括生理节律和环境背景。因此，相同的短波长光线暴露在不同的生理节律阶段或办公室相关条件下可能会产生不同的警觉性效应。然而，系统地研究这些依赖于环境和交互效应的研究仍然有限。通过同时调整屏幕发出的光的光谱组成、任务难度和一天中的时间，并采用结合主观报告、行为表现和连续EEG光谱活动的多模态评估方法，本研究将警觉性描述为一种持续的认知状态，而不仅仅是一种短暂的、由刺激引起的反应。屏幕光谱使用生物学相关的黑视效应指标（mel-EDI）进行量化，从而能够从生理学角度解释在生态相关环境下屏幕光刺激的影响。

这种综合方法使本研究能够考察长时间使用屏幕时警觉性随时间和任务变化的调节情况，将现有的蓝光研究扩展到以显示为中心、关注状态敏感性的视角，这适用于办公室工作中常见的持续注意力需求。除了传统的工作场所，这些发现还可以为在关键任务或孤立环境中运行的基于屏幕的系统设计提供参考，例如载人航天、深海作业和连续监控环境。在这些环境中，提高警觉性对于减少与警觉性相关的错误尤为重要，包括延迟反应、注意力失误和在长时间监控任务中的遗漏错误。通过针对持续注意力而非更高层次的执行过程，适应性光谱调节可能成为一种策略，以缓解由于一天中警觉性下降或长时间任务参与而导致的性能下降。

研究片段

参与者

本研究最初招募了26名健康的大学志愿者，年龄在18至28岁之间。参与者接受了全面的预实验评估，以确保他们的睡眠健康、一般健康状况以及不存在混淆行为的因素。纳入研究的标准如下：（1）完成了一份全面的预实验问卷，评估睡眠质量（匹兹堡睡眠质量指数，PSQI）（睡眠质量差定义为……

主观认知测量

主观测量的线性混合效应模型结果总结在表5中，相应的分布模式如图5所示。屏幕蓝光强度对所有三个量表均产生了显著的主效应：KSS，F(4, 605) = 147.28，p < 0.001，ηp2 = 0.493；SAS，F(4, 605) = 157.22，p < 0.001，ηp2 = 0.510；WCS，F(4, 605) = 169.51，p < 0.001，ηp2 = 0.529。

任务难度也对KSS、SAS和WCS产生了统计学上的显著影响，尽管这些影响……

实验结果的解释

本研究采用被试内设计，包括三个因素：屏幕蓝光强度、任务难度和一天中的时间，系统地分析了它们对主观、行为和EEG认知状态测量的影响。结果表明，屏幕蓝光强度与警觉性相关指标的变化显著相关，其调节效应受到一天中时间和任务条件的影响。在主观测量中观察到了一致的变化模式

结论

本研究采用被试内设计，系统地考察了屏幕发出的蓝光强度、任务需求和一天中时间对主观警觉性、行为表现和EEG功率的交互调节效应。结果表明，屏幕发出的蓝光与不同生理节律和认知负荷条件下的认知状态变化显著相关。适度增强的屏幕蓝光强度显著降低了主观……

未引用的参考文献

[31]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢所有参与者参与本研究的时间和努力。本研究得到了上海2021年科技创新行动计划（项目编号21DZ2292600）的支持。该研究获得了机构伦理委员会的批准[批准编号FE241951]，所有参与者均根据赫尔辛基宣言提供了书面知情同意。