光线颜色在正常重力及模拟微重力环境下对封闭舱内情绪和认知的影响：一项脑电图（EEG）研究

《ENERGY AND BUILDINGS》：Effects of light color on emotion and cognition in confined cabins under normal and simulated microgravity: An EEG study

　　

程颖|加藤武夫

庆应义塾大学研究生院科学技术系，日本神奈川县横滨市宝库区日吉3-14-1，邮编223-0061

摘要

人工照明是封闭舱室的重要组成部分，在人员表现和日常活动中发挥着重要作用。本研究探讨了五种光线颜色（蓝色、黄色、红色、绿色和白色）在正常重力（坐姿，SP）和模拟微重力（头向下卧床休息，HDBR）条件下对情绪状态、认知表现和大脑活动的影响。二十名参与者完成了情绪和认知任务，同时记录了脑电图（EEG）以提取频谱和非线性特征。结果表明，模拟微重力条件显著抑制了α、β和γ波段的绝对功率，同时增强了δ和θ波段的相对功率。在各种照明条件下，黄色光在正常重力条件下产生了最积极的情绪平衡评分和最高的γ波段激活度；而蓝色光则实现了最短的反应时间、最低的错误率、升高的额叶β波段相对功率以及最高的LZC值。相关性分析证实情绪平衡与FAA相关，而注意力稳定性与β波段功率和θ/β比值有关。这些发现表明，光谱通过不同的神经模式与情绪和认知表现差异相关。在本实验条件下，黄色光伴随着更好的情绪调节能力，而蓝色光则与更高的认知警觉性和信息处理表现相关。然而，该研究的样本量较小（仅限于健康的年轻人），这可能限制了研究结果的普遍性。尽管存在这一局限性，其结果仍可为太空栖息地和其他封闭环境中的适应性照明设计提供有用参考。

引言

封闭舱室是一种高风险、孤立、受限且极端（ICE）的环境，工作人员通常需要在此长时间生活和工作[1] [2]。这类舱室广泛应用于高科技领域，包括航天器、飞行驾驶舱、深海潜水器和潜艇[3]。这些空间通常受到严格限制，缺乏自然光，完全依赖人工照明来维持人体生物节律[4]。尽管封闭舱室内的照明参数可控，但不适当的照明条件可能导致机组人员出现生理和心理不适。这些问题可能会影响表现、自我控制和情绪状态，从而增加操作失误的风险，并可能对长期健康造成威胁[4] [5]。与地面舱室相比，太空飞行环境更加复杂。宇航员必须在ICE条件下执行高认知负荷的任务，同时还要面对微重力带来的生理和心理挑战[6]。许多研究表明，太空中的微重力是一种强烈的压力源，会导致神经生理变化，损害情绪调节和认知功能[7] [8]。在太空探索史上，由于机组人员的情绪问题，甚至有一次mir空间站的任务被缩短[9]。因此，减轻封闭空间飞行环境对人员的负面影响对于优化他们的任务表现至关重要。

头向下卧床休息（HDBR）引起的生理变化与微重力条件下观察到的变化非常相似，使得HDBR成为研究太空飞行对人类影响的主要地面模型[10] [11]。以往的HDBR研究使用了多种行为和生理评估方法。行为指标包括任务准确性和反应时间[12] [13]；心理评估使用了情绪和焦虑量表[10] [14]；生理测量方法包括功能性近红外光谱（fNIRS）[15]、脑电图（EEG）频谱功率和复杂性[16] [17] [18]、心电图（ECG）心率、心率变异性[6] [19]以及皮肤电反应（GSR）[20]。Basner等人发现，参与者在HDBR后表现出中度的认知能力下降，尤其是情绪识别能力受损[12]。Jiang等人报告称，模拟微重力会导致对威胁刺激的回避行为，但并未显著改变焦虑或积极情绪[10]。Zhang等人观察到θ波段功率增加，β波段功率和EEG复杂性下降，心率上升，积极情绪降低，情绪冲突调节能力受损[18]。随后Liu等人发现，模拟微重力会损害工作记忆表现和自主神经调节功能[20]。总体而言，这些研究表明，微重力通过不同的神经机制影响认知和情绪处理。

NASA指出，优化的室内环境可以减少压力，提高生产力，并改善机组人员的健康状况[21]。同样，欧洲航天局和多位研究人员认为，照明和颜色是最直接且可调节的环境因素。这些因素在调节心理状态、认知效率和警觉性方面起着关键作用[22] [23] [24]。目前已有若干研究探讨了不同光线颜色在HDBR模拟微重力条件下对人类情绪和任务表现的影响。Jiang等人使用PANAS量表和字母消除任务评估了情绪状态和认知功能，发现参与者在红色光条件下报告了更高的负面情绪评分，而青色光则改善了情绪状态和任务表现[25]。在后续的多物体跟踪任务研究中，青色光提供了最高的视觉准确性，而红色光则加剧了视觉疲劳[26]。Fan等人进一步评估了九种室内配色方案，结合主观舒适度评分（瞳孔不安指数、扫视比率、基于EEG的冥想指数），发现黄-绿-白组合最能促进心理放松[27]。尽管这些研究提供了宝贵的见解，但这些研究都是在虚拟现实（VR）环境中进行照明和颜色模拟的，其中情绪和认知反应可能主要受视觉因素影响。除了视觉影响外，真实照明还可能通过视网膜神经节细胞（ipRGCs）产生非视觉效应，这些细胞调节昼夜节律、觉醒状态、情绪等。此外，现有研究主要依赖于认知任务表现和主观自我报告指标，而结合生理或神经评估的研究仍然有限，缺乏系统分析。因此，关于模拟微重力条件下真实照明和颜色的非视觉效应仍知之甚少。

与在模拟微重力条件下进行的研究相比，地面条件下的光线颜色研究采用了更广泛的方法论框架，结合了认知任务、主观评估和多种生理测量方法。将生理和自我报告指标相结合的研究表明，光线颜色显著调节情绪状态。Xie等人发现黄色光增强了精力感，而红色光根据GSR和ECG指标引发了最强的觉醒反应[29] [30]。EEG和fNIRS研究均表明，暴露在蓝光下可以增强与认知处理相关的大脑皮层激活，降低α波段功率并提高警觉性和任务表现[31] [32]。行为指标也支持了这些发现。Mehta和Xia等人发现，蓝色光提高了复杂任务的表现[33] [34]。此外，约5500?K的CCT（色温）的多色照明已被证明可以缓解负面情绪，降低焦虑，并在封闭环境中提高认知效率和舒适度[35] [3]。尽管越来越多的证据表明光线颜色显著调节心理生理状态，但大多数研究仅限于色温或照明模式的变化。因此，彩色光线如何在封闭环境中影响认知、情绪和生理的功能机制仍需进一步阐明。

基于这些发现，本研究假设光线颜色通过视觉和非视觉途径影响情绪和认知过程。它还提出，特定的光谱组合可以通过促进神经激活模式，在模拟微重力和封闭环境中增强情绪稳定性和认知效率。因此，本研究探讨了在正常和模拟微重力条件下，特定光线颜色对封闭舱室内情绪状态和任务表现的影响。正常坐姿（SP）代表地面正常条件，而HDBR姿势则代表模拟微重力条件。本研究的主要目标是：（1）探讨两种姿势条件下任务表现、情绪状态和神经活动的差异及其关联；（2）研究光线颜色如何调节这些姿势条件下的情绪调节、认知控制和大脑活动；（3）确定正常和模拟微重力条件下封闭环境的最佳功能照明颜色。通过探讨这些问题，本研究旨在加深对封闭环境中功能性照明的理解，为未来优化ICE环境或太空探索任务中的居住者表现和心理健康提供实证支持。

章节片段

参与者

使用G*Power 3.1.9.4进行了先验功效分析，以确定本研究的适当样本量。分析基于F检验（ANOVA：重复测量，因子内），并选择了先验选项。假设效应大小为中等（f = 0.25），这与之前研究环境和颜色相关因素对人类心理和神经反应影响的EEG研究结果一致[28] [36]。显著性水平设定为α = 0.05。

受试者评估分数和认知任务

表2显示了PANAS分数和认知任务表现的双因素ANOVA结果。结果显示，光线颜色和姿势均显著影响了负面情绪和情绪平衡指数（EBI），但并未显著影响积极情绪评分。效应大小表明，负面情绪和EBI的效应总体上达到了中等水平，表明它们在情绪调节过程中具有一定的实际意义。

最佳光线颜色的综合评估

本研究探讨了不同光线颜色在正常重力（SP）和模拟微重力（HDBR）条件下对情绪状态、认知表现和神经动态的影响。通过整合情绪、行为和EEG指标，本研究全面了解了姿势和照明如何共同调节心理和神经功能，以及功率谱特性如何减轻微重力的不利影响。

结论

本研究系统地探讨了五种光线颜色在正常重力（SP）和模拟微重力（HDBR）条件下对封闭环境中情绪状态、认知表现和神经活动的影响。研究结果表明，模拟微重力与负面情绪评分增加、认知效率下降以及神经动态改变有关，表现为大脑皮层激活抑制和低频活动增强。

作者贡献声明

程颖：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、数据可视化、软件使用、资源整合、方法论设计、调查实施、正式数据分析、资料整理、概念构想。加藤武夫：数据验证、项目监督、方法论指导、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。