Циркадианное регулирование функций организма человека подвергается как ежедневной, так и сезонной динамике естественной солнечной освещенности. Внешние циклические колебания освещенности воспринимаются специфическими меланопсинсодержащими ганглиозными клетками сетчатки, адекватным раздражителем для которых являются короткие волны в голубой части спектра при оптимальной длине волны 480 нм [1, 6, 7]. Центр циркадианной системы (нейроны супрахиазматических ядер (СХЯ) гипоталамуса) получает информацию от фоточувствительных ретинальных ганглиозных клеток по ретиногипоталамическим путям. В соответствии с циклом свет/темнота происходит настраивание циркадианных часов, синхронизируются физиология и поведение человека. Искусственная среда обитания человека не соответствует естественному природному циклу свет/темнота и их соотношению по времени. Низкие уровни внешней солнечной освещенности в зимнее время являются ключевыми факторами риска здоровья человека. Недостаточность естественной циркадианной регуляции вызывает измененные эмоциональные и физиологические эффекты типа сезонной депрессии, нарушений сна и нейроэндокринных заболеваний [4]. Физиологический контроль циркадианной регуляции представляет собой путь к профилактике и лечению заболеваний, связанных с «циркадианной депривацией». 

Целью настоящей работы стало проведение сравнительного анализа изменений психоэмоциональных и когнитивных процессов у человека при увеличении естественной солнечной освещенности в весеннее время и в условиях кратковременного моделирования естественного голубого спектра света в ранние утренние часы в зимнее время года.  

Материал и методы исследования

Сессия 1. Естественная и пониженная солнечная освещенность. В исследовании приняли участие студенты-добровольцы второго курса Самарского государственного медицинского университета в возрасте 18-20 лет. Испытуемые были разделены на две группы. Испытуемые одной экспериментальной группы (ЭГI, n=20) получили задание носить ежедневно солнцезащитные очки в течение всего периода исследования. Студенты второй экспериментальной группы (ЭГII, n=24) получили задание не носить в течение всего периода исследования солнцезащитные очки для того, чтобы оставаться в условиях естественной освещенности. Исследование было проведено с 15 апреля по 16 мая 2012 г., когда продолжительность светового дня увеличивалась на 2 ч - с 14 ч 1 мин 54 с до 15 ч 57 мин 0 с. Психофизиологическое тестирование проводилось дважды - в начале и в конце исследования.

Сессия 2. Моделирование естественной освещенности в ранние утренние часы. В исследовании приняли участие 28 студентов-добровольцев Самарского государственного медицинского университета в возрасте 18-20 лет. Из этих участников рандомизированно были образованы контрольная (КГ, n=14) и экспериментальная (ЭГIII, n=14) группы. Исследование проводилось в период с 13 января по 19 января 2015 г. в утренние часы до восхода солнца, время которого на широте г. Самара в этот период - 07:49:27 (13.01.2015 г.) и 07:43:41 (19.01.2015 г.). Освещенность комнаты на уровне глаз испытуемых, в которой проходило исследование, равнялось в среднем 135 Лк, а яркость - 400 кД/м². Измерение освещенности и яркости проводили с использованием прибора ТКА-ПМК (02), зарегистрированного в Реестре средств измерений 24248-09 (Россия). Психофизиологическое тестирование проводилось дважды - в начале и в конце исследования. У испытуемых КГ интервал времени между тестированиями составлял 30 мин. Испытуемые ЭГIII между психофизиологическими тестированиями в течение 30 мин использовали прибор для адекватной стимуляции меланопсинсодержащих ганглиозных клеток сетчатки, излучающий световой поток с максимумом огибающей в области 480 нм [5]. Диапазоны регулируемой освещенности и яркости светового потока электронного девайса составляют: min - 140 Лк/145 кД/м²; max - 1650 Лк/875 кД/м².

Общепринятыми методами тестирования определялись следующие психофизиологические характеристики студентов: ситуативная тревожность (тест Спилбергера-Ханина), самочувствие, активность, настроение (тест САН), параметры внимания и зрительного восприятия с помощью корректурных таблиц Анфимова. Для регистрации времени реакции на звуковые стимулы использовался аппаратный комплекс «Biopak Student Lab». Так как обучение в высшей медицинской школе сопряжено с развитием психологического стресса у студентов [2], нами проводилось исследование стиля жизни и уровня стрессоустойчивости испытуемых (тест «Стиль жизни и стрессоустойчивость», тест на учебный стресс, Бостонский тест на стрессоустойчивость).

Полученные данные обрабатывались статистически с помощью IBM SPSS Statistics 22. Достоверность измерений оценивалась параметрическими (t-тест Стьюдента для зависимых и независимых выборок) и непараметрическими (t-тест Вилконсона для зависимых выборок и критерий Манна-Уитни для независимых выборок) методами. Статистически значимыми изменения средних величин считались при р<0,05.

Результаты исследования и их обсуждение

Студенты всех четырех групп, участвующих в исследовании в весеннее и зимнее время, имеют психологический стресс (табл. 1, 2), что можно было объяснить окончанием учебного семестра и приближением экзаменационной сессии.

Таблица 1

Средние значения показателей стрессочувствительности студентов ЭГI  и ЭГII (M±m)

Примечание: * p<0,05; **p<0,01; ***p<0,001

Таблица 2

Средние значения показателей стрессочувствительности студентов ЭГIII и КГ (M±m)

В условиях ограничения естественной солнечной освещенности в весеннее время у студентов ЭГI произошло увеличение практически всех показателей стрессочувствительности: базового показателя - на  18,94±1,23% (p<0,05), динамической чувствительности к стрессу (ДЧС) - на 45,77±3,21% (p<0,01); значение второй шкалы оценки стрессочувствительности (склонность все излишне усложнять) - на 27,66±1,98% (p<0,01), третьей шкалы (предрасположенность к психосоматическим заболеваниям) - на 41,85±3,45% (p<0,01) и четвертой шкалы (деструктивные способы преодоления стрессов) - на 14,45±0,67% (p<0,05) (табл. 1).

Напротив, у студентов ЭГII изменения указанных выше показателей не носили статистических значимых изменений, за исключением третьей шкалы, значение которой увеличилось на 17,22±1,45% (p<0,05). Межгрупповые различия (p<0,05) выявлены по четвертой шкале (деструктивные способы преодоления стресса). Данные бостонского теста показали снижение стрессоустойчивости у студентов ЭГI по окончании исследования (28,48 ±2,03 (p<0,05) при фоновом значении 24,52 ± 1,93). При этом у испытуемых ЭГII данный показатель увеличился и составил 24,85±2,26 (p<0,05) относительно фона - 28,15 ± 1,87.

Таким образом, искусственное ограничение естественного светового потока ношением солнцезащитных очков в течение 30 дней снижает стрессоустойчивость и усугубляет проявления психологического стресса (табл. 3). Наряду с этим к концу периода исследования выявлены статистически значимые межгрупповые различия проявлений стресса: ощущение беспомощности, плохое настроение, депрессия, снижение самооценки, головные боли, низкая работоспособность, повышенная утомляемость (p<0,05) (табл. 3).

Таблица 3

Субъективная оценка студентов ЭГI  и ЭГII проявлений стресса, связанного с учебным процессом (M±m)

* p<0,05; **p<0,01; ***p<0,001

Уменьшение естественной освещенности вызвало также увеличение показателей ситуативной тревожности на 37,24±2,14% (p<0,001), уменьшение самочувствия, активности, настроения соответственно на 25,81±2,15% (p<0,001), 17,08±1,85% (p<0,05), 27,42±2,41% (p<0,001) у студентов ЭГI (табл. 4). У испытуемых ЭГII не выявлено подобной динамики психофизиологических показателей, поэтому межгрупповые различия имели статистически значимую величину в конце исследования (p<0,05).

Таблица 4

Средние значения ситуативной тревожности, самочувствия, активности, настроения студентов (M±m)

Примечание: * p<0,05; **p<0,01; ***p<0,001

Недостаточность естественной освещенности в зимнее время кратковременно компенсировалась использованием источника света в голубой части спектра (максимум в области 480 нм). Нами установлено, что стимуляция рецепторов циркадианной системы в течение 30 мин в раннее утреннее время вызвала увеличение показателей самочувствия на 30,14 ± 6,43% (p<0,01), активности на 22,62 ± 4,53% (p<0,05) и настроения на 14,29 ± 1,24% (p<0,05). Ситуативная тревожность у студентов ЭГIII при этом практически не изменилась, а в КГ увеличилась на 8,75 ± 0,35% (p<0,05) (табл. 4). По окончании исследования были обнаружены межгрупповые различия ЭГIII и КГ по самочувствию (p<0,05), настроению (p<0,05), ситуативной тревожности (p<0,01).

Параметры внимания и зрительного восприятия у студентов четырех групп исследовались с помощью корректурных таблиц Анфимова. В таблице 5 представлены средние значения коэффициента точности А, коэффициента умственной продуктивности Р, объема зрительной информации Q, скорости переработки информации СПИ, устойчивости внимания УВН.  В ЭГII выявлено увеличение значений коэффициента умственной продуктивности на 9,36 ± 1,79% (p<0,01), показателя объема зрительной информации на 8,43 ± 1,4% (p<0,05) и скорости переработки информации на 15,34 ± 6,22% (p<0,05). Подобной статистически значимой динамики исследуемых показателей не выявлено у студентов ЭГI.

Таблица 5

Средние значения когнитивных  параметров студентов ЭГI  и ЭГII (M±m)

Примечание: * p<0,05; **p<0,01; ***p<0,001

Приведенные данные созвучны с динамикой изменения времени реакции (ВР) на звуковые стимулы. Так, среднее значение времени реакции по окончании весеннего периода исследования в ЭГI увеличилось на 36,36 ± 2,13% (p<0,001) (табл. 5). При этом в ЭГII латентный период ответа на звуковые стимулы остался на прежнем значении. Приведенные данные демонстрируют уменьшение скорости научения и снижение скорости обработки предъявляемой информации у студентов ЭГI в условиях искусственного ограничения светового потока.

Напротив, после 30-минутной коротковолновой экспозиции в ранние утренние часы в зимнее время года у испытуемых ЭГIII нами обнаружено увеличение значения коэффициента точности на 7,87 ± 0,34 % (0,96 ± 0,06) (p<0,001) по сравнению с фоном (0,89 ± 0,09). Коэффициент точности в ЭГIII  достоверно увеличился на 2-й, 3-й, 4-й, 5-й, 8-й и 10-й минутах работы с корректурными таблицами (p<0,05), тогда как у студентов КГ коэффициент точности в конце исследования (0,96 ± 0,05) практически не изменился относительно исходного состояния (0,96 ± 0,05).

Литературные данные доказывают, что увеличение искусственной освещенности положительно влияет на уровень бодрствования человека, уменьшая субъективную сонливость и проявления ЭЭГ-коррелятов сонливости, повышая эффективность выполнения психомоторных задач [8]. Также известно, что использование голубого спектра в искусственной освещенности вызывает улучшение субъективных оценок бодрствования, настроения, приводит к увеличению производительности труда, концентрации внимания, к уменьшению дискомфорта глаз, субъективной усталости вечером, раздражительности и к улучшению качества ночного сна [6, 9].

По данным МРТ исследований мозга при решении когнитивных задач световая экспозиция синего цвета (473нм, 3х10¹³фотонов/см²/с) в дневное время суток вызывает устойчивые светоиндуцированные ранние ответы - активацию подкорковых структур, вовлеченных в регуляцию бодрствования и когнитивных процессов [10]. Причем для повышения функциональной активности ассоциативной коры требуется большая продолжительность световой экспозиций, поскольку более генерализованный характер ответа коры больших полушарий отмечается при более продолжительных световых экспозициях.

Кратковременное восприятие голубого света с максимумом длины волны 480 нм вызывает быстрые вегетативные ответы: увеличение продолжительности кардиоинтервала, увеличение мощности низкочастотного компонента вариабельности сердечного ритма (ВСР), уменьшение процента высокочастотных колебаний спектра ВСР и уменьшение величины систолического артериального давления [3]. В представленной работе получены данные кратковременной и лонгитюдной адаптации психофизиологического статуса испытуемых под контролем циркадианных часов. Важно подчеркнуть, что искусственное ограничение естественной солнечной освещенности в весеннее время негативно отражается на временной динамике психосоматических показателей студентов, тем более на фоне психологического стресса. При отсутствии физиологически адекватной естественной освещенности в зимнее время активация циркадианных часов и увеличение контроля психосоматического статуса могут быть достигнуты уже при кратковременной световой экспозиции в голубой части видимого спектра света. Представленные материалы исследования открывают возможности немедикаментозной профилактики психосоматических проявлений у человека в условиях искусственного и/или естественного ограничения внешней освещенности.

Заключение

Монохромный голубой свет (длина волны 480 нм) по воздействию на циркадианную систему в 100 раз эффективнее (в 100 раз меньше фотонов) по сравнению с флуоресцентным белым светом [7]. Новый тип фоторецепторов сетчатки, а именно фоточувствительные ганглиозные клетки сетчатки, контролирующие циркадианные часы, относят к менее чувствительным фоторецепторам, чем классические фоторецепторы - колбочки и палочки.  Дефицит ежедневной и/или сезонной стимуляции циркадианных фоторецепторов и/или циркадианных часов формирует негативную направленность психосоматических проявлений у человека [4], в наиболее тяжелой форме вызывает сезонные депрессии и другие заболевания. По нашим данным, ношение солнцезащитных очков, ограничивающих в среднем на порядок внешнюю естественную солнечную освещенность, следует отнести к фактору риска развития психосоматических нарушений. Напротив, физиологически адекватная активация циркадианных часов искусственным источником голубого света с максимумом длины волны в области 480 нм на фоне отсутствия естественной  освещенности в зимнее время даже при кратковременной экспозиции способна вызывать позитивные сдвиги в функциональном состоянии организма человека. В дальнейшем необходимы исследования гормональных ответов при кратковременном и лонгитюдном применении спектра видимого света в области максимальной световой чувствительности рецепторов циркадианных часов.

Рецензенты:

Мирошниченко И.В., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой нормальной физиологии ГБОУ ВПО «Оренбургская государственная медицинская академия» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Оренбург;

Ведясова О.А., д.б.н., профессор, профессор кафедры физиологии человека и животных ФГОУ ВПО «Самарский государственный университет», г. Самара.