摘要
光调节研究通常关注光的波长、强度和暴露时间，并通过测量节律、睡眠和认知能力来评估光变量对生理及认知功能的调控作用。尽管光频率是光的核心维度之一，但鲜有研究通过操控频率探究其对脑激活与行为表现的影响。近期研究证实，40赫兹光刺激可显著缓解阿尔茨海默病导致的海马体伽马振荡缺陷。尽管这种振荡是健康人群执行记忆任务的关键功能特征，但尚无证据表明40赫兹蓝光暴露可有效调控复杂认知任务相关的脑活动。本研究通过识别记忆任务，比较了40赫兹与0赫兹光暴露对脑激活及功能连接的影响差异。结果显示，40赫兹光通过联合增强视觉区域激活，主要增强边缘系统中与记忆相关的脑区（如海马体和丘脑）；而0赫兹光则主要增强前额叶皮层。此外，以海马体为种子点的功能连接分析表明，40赫兹光增强了与顶上小叶的连接，并减弱了与默认网络的连接。这些结果表明，40赫兹光可改变记忆相关核心脑区的活动与功能连接，提示在利用光调控认知功能时，其频率特征值得关注。
引言
光是视觉的基础，也是人类感知外界信息的主要感官通道，对人体生理功能具有关键影响（Vandewalle等，2009；LeGates等，2014）。异常光环境（如冬季日照缩短或睡眠期光暴露）可能导致昼夜节律、睡眠、情绪及认知功能异常（Altimus等，2008；Zelinski等，2014；An等，2020）。鉴于人脑对光的敏感性，越来越多研究尝试将光作为调节大脑的工具，以改善认知行为、预防和缓解精神疾病（Glickman等，2006；Huang等，2019，2021；Killgore等，2020b）。因此，基于大脑对光输入的响应，调控光场并为不同认知功能选择特定光参数，对优化光调节效果至关重要。
光的生理调节通常被称为“非视觉效应”，因其具有区别于视觉系统的特征（Foster，2005；Vandewalle等，2009）。与介导视觉信息的视网膜系统不同，即使在完全失明的人群和啮齿动物中，光调节的生理效应依然存在（LeGates等，2014）。这种非视觉效应由视网膜中的内在光敏视网膜神经节细胞（ipRGCs）接收，并投射至视交叉上核（SCN）和松果体，调控生物节律、褪黑素分泌和睡眠；同时，其在视觉搜索、数字回忆和逻辑推理任务中也表现出性能增强效应（Chou等，2002；Dacey等，2005；Guler等，2008）。神经元对不同波长的光产生响应，这种响应与认知功能变化相关（Vandewalle等，2009；Park等，2020）。大量证据表明，ipRGCs对非视觉效应的蓝光波长最为敏感（Berson等，2002）。蓝光（460nm波长）在工作记忆任务中不仅表现出比绿光（550nm）更强的调控作用，还比紫光（430nm）诱导更广泛的脑活动（Vandewalle等，2007a，b）。此外，研究表明，光的非视觉效应还通过ipRGC和SCN直接或间接投射至下丘脑外周、丘脑、纹状体、脑干和边缘结构（Aston-Jones等，2001；Luo和Aston-Jones，2009）。这些投射不仅调节支持认知过程的唤醒和警觉等生理状态，还调控高阶认知功能（Drevets，2001；Aston-Jones和Cohen，2005；Russo和Nestler，2013；Ferreira和Castellano，2019）。例如，研究表明蓝光通过增加脑功能连接和降低任务相关神经资源需求，在调节困倦和提高警觉性方面优于其他波长的光（Alkozei等，2016；Killgore等，2020a）。此外，蓝光可引发大脑情绪处理相关区域的优先响应（Vandewalle等，2010）。
光作为调节行为和高阶认知功能的工具，其效果因变量多样性、神经元响应特征及认知特异性功能网络而有所不同。有证据表明，光调节效应与强度和暴露时间相关：边缘系统通常对光刺激响应迅速，而高阶皮层区域响应较慢，需要更强的强度和更长的暴露时间。研究显示，光暴露30分钟后可显著观察到行为增强效应，而暴露时间较短（如21分钟以下）的研究未发现类似增强（Vandewalle等，2009；Alkozei等，2016）。此外，更长的暴露时间和更高的强度似乎会导致脑活动变化程度的差异（Vandewalle等，2006），且这种效应可维持更长时间（Alkozei等，2016；Killgore等，2020a）。
这些发现表明，操控光的不同维度可显著优化干预效果。值得注意的是，这些研究中使用的光源均为0赫兹（自然光、模拟自然光和LED光），且均无闪烁。考虑到频率是光的主要维度之一，其操控可能在光干预中发挥类似作用。大脑中不同类型的神经元相互作用形成独特的节律性振荡（Buzsaki，2006；Buzsaki和Wang，2012），这些振荡被证实是包括记忆在内的多种认知功能的关键组成部分（Buschman等，2012；Salazar等，2012）。例如，MEG研究表明，在工作记忆任务中，伽马功率随记忆项目增加而增加（Howard等，2003）。其他研究表明，海马体作为记忆最关键的脑区，与猴子和人类更高的伽马强度相关（Lisman和Jensen，2013）。这些神经元振荡可被外部刺激同步唤醒。一项功能性磁共振成像（fMRI）研究测量了大脑对1至40赫兹闪烁视觉刺激的实时响应，发现视觉刺激可选择性激活皮层区域并调节特定脑连接（Chai等，2019）。另一项ERP研究证实，40、60和80赫兹光刺激可诱导人脑响应，且初级视觉皮层的振幅最大（Jones等，2019）。然而，这些研究未显示海马体的变化，也未确定与记忆任务相关的脑活动是否存在变化。
不同认知功能具有独特的神经振荡特征：例如，注意相关功能与delta波段振荡相关，记忆功能与伽马振荡相关。因此，在调节记忆功能方面，选择性使用光频率（如40赫兹）来调制与特定记忆功能密切相关的伽马振荡频率，可能是最大化光干预效益的一种方式。
本研究的价值在于验证光调节对健康人群记忆认知的调控作用，可为其他认知功能（如提高注意力、学习效率、维持认知能力和减缓退化）的光介导神经调节提供参考，甚至为后续人类临床研究提供线索。相关临床研究多局限于动物实验：动物研究表明，40赫兹闪烁蓝光可显著改善阿尔茨海默病模型小鼠（APP/PS1）的昼夜节律紊乱（Yao等，2020）；神经系统疾病存在神经振荡伽马波段缺陷，且这种缺陷可通过外部感官刺激补偿（Uhlhaas和Singer，2006；McDermott等，2018）。针对阿尔茨海默病（AD）小鼠模型的异常伽马振荡，Tsai等人利用光刺激影响视觉区伽马振荡，显著增加小胶质细胞活性，减少β淀粉样蛋白（Aβ）沉积，最终在全脑范围内改善行为和病理结果（Iaccarino等，2016）。另一项研究显示，使用伽马频率光干预记忆受损的中风模型小鼠，不仅调节海马体伽马振荡，还增强神经突触强度，改善神经可塑性，促进记忆功能恢复（Yao等，2020）。这些研究表明，闪烁光诱导的振荡效应具有显著的频率偏好：40赫兹光比其他频段表现出更强的调控作用，且与海马体等记忆相关脑区的关联更高。同时，这种视觉区调制通常对伽马振荡改善、小胶质细胞活性和突触可塑性具有显著效果（Iaccarino等，2016；Zheng等，2020）。
鉴于小胶质细胞介导的突触修剪是大脑发育的正常部分（Hong等，2016a，b），且伽马振荡在记忆功能中起重要作用，合理推测40赫兹光的调控效益也可能影响健康大脑的神经元及相关记忆功能。然而，鲜有研究探讨40赫兹闪烁蓝光暴露对健康大脑高阶认知任务相关脑活动模式的调控作用。此外，尽管0赫兹光在改善唤醒和警觉性方面的作用已得到验证，但其在记忆和认知功能中的具体促进效应尚未明确，且其效果是否与40赫兹相当也有待确定。
本研究旨在探讨40赫兹和0赫兹光暴露对健康人群执行记忆任务时脑活动模式的调控效应。我们利用fMRI测量了在40赫兹和0赫兹光干预下，执行改良版识别记忆任务期间的脑活动和功能连接变化。我们假设这些干预会在识别记忆任务中引发不同的活动模式，且40赫兹光暴露比0赫兹光更可能与记忆相关网络核心区域的调控相关。
材料与方法
研究对象
从深圳大学招募44名（12名女性，32名男性）志愿者（年龄18-24岁；平均20.3岁，标准差1.58）。参与者名单在实验开始前2周确认，随机分为两组，在两次记忆实验间隔中接受1小时40赫兹或0赫兹光暴露。所有参与者均为右利手，视力和听力正常或矫正后正常，无头部损伤、精神疾病、神经损伤或语言障碍。扫描前所有受试者签署知情同意书。
光暴露设备
首次fMRI实验后，参与者在暗室中接受0或40赫兹蓝光刺激。实验使用的蓝光发光二极管（LED）设备来自深圳Wyselife公司的商用眼镜，左右镜框下边缘安装两个LED（中心波长=472nm，时频调制频率=0或40赫兹，照射功率密度=0.03mW/cm²）。每个LED的最大发光轴垂直于镜框平面，照明中心点位于眼睛下方，照明范围可覆盖眼睛上方（详见中国专利号ZL201830101531.9）。
实验流程
参与者在实验前1周来到实验室，进行实验流程介绍和练习（练习材料与正式实验不同，以避免学习效应）。为确定工作记忆能力是否与40赫兹和0赫兹光处理后的变化程度相关，当天进行数字广度测试和2-back任务：数字广度采用韦氏成人智力量表（WAIS-III）（Wechsler，1997），总原始分为顺向和逆向测试之和；2-back任务参考经典视觉任务设计（Alkozei等，2016），时长5分钟，参与者需判断当前数字是否与前两个数字相同，通过按键反应（食指“是”，中指“否”），记录准确率和反应时。
参与者需完成三部分实验（图1A）：
1.首次fMRI实验：完成4轮学习和测试，每轮6个区块；
2.光刺激：首次扫描后，离开MRI室，在暗室接受1小时光刺激（仅选择40和0赫兹，基于前期优化及伽马波段神经元响应振幅研究）；
3.二次fMRI实验：重复4轮学习和测试（使用新刺激材料，图1B）。
实验包括学习阶段和测试阶段：
·学习阶段：参与者需将60个物体分类为“室内”或“室外”；
·测试阶段：将60个物体分类为“旧”（15个与学习阶段相同）或“新”（45个感知相似诱饵）。诱饵物体选自先前验证的相似性数据库（Lacy等，2011；Stark等，2013），相似性范围为2-4（满分为5）。
任务采用改良版设计（Reagh等，2018；Klippenstein等，2020），刺激以区块设计呈现，每轮6个区块，学习和测试轮次均包含5个16秒休息期（位于物体区块之间）。每个物体显示2.5秒，区块内刺激间隔0.5秒，每个30秒区块包含6个物体。60个学习物体依次显示后，进行60个测试试次，构成一组（2轮）。光暴露前后各完成两组（4轮）实验，扫描期间通过按键记录准确率和反应时，要求参与者快速准确响应，刺激序列在每个区块中完全随机且唯一。
功能性磁共振成像数据采集
fMRI扫描时，参与者仰卧于MRI隧道内，通过头线圈上的镜子观看屏幕刺激（视角5×2.5°）。扫描在深圳康宁医院进行，使用3TGE750MRI扫描仪和8通道头线圈，采用梯度回波平面成像（EPI）序列[重复时间（TR）/回波时间（TE）=2000/30ms；翻转角=90°；体素大小3×3×3.5mm，无间隙]。功能扫描后，采用T1加权自旋回波脉冲序列采集解剖图像（各向同性体素大小1mm³）。
数据处理
使用统计参数映射软件包（SPM8；伦敦威康认知神经病学系）和MATLAB7.5（MathWorks，美国）分析成像数据。排除每个任务的前6个容积以消除磁化非平衡效应，扫描空间对齐至第一个时间序列的第一容积。T1加权解剖图像与功能图像的首次扫描配准，随后根据蒙特利尔神经病学研究所模板标准化（Cocosco等，1997）。数据采用6mm各向同性全宽半高高斯核进行空间平滑。对每个受试者的fMRI数据拟合一般线性模型（GLM）（Friston等，1998），所有任务的血氧水平依赖（BOLD）信号使用卷积典型血流动力学响应函数的盒式函数建模。第一水平进行单样本t检验，每个受试者的设计矩阵包含所有4轮（每轮2次学习和2次测试），区块间休息作为基线估计任务条件。随后评估每个受试者的线性对比，获得随机效应组分析的对比图像。第二水平采用全因子设计进行组间比较，SPM[T]图阈值设为p<0.05，并通过全脑错误发现率（FDR）校正。
功能连接分析
使用CONN-fMRI工具箱（Whitfield-Gabrieli和Nieto-Castanon，2012）进行种子点-体素功能连接分析。基于光刺激前后信号存在显著差异的脑区定义感兴趣区（ROI）作为种子点。采用CompCor策略减少干扰协变量影响，包括：（1）脑脊液BOLD信号波动；（2）重对齐参数噪声；（3）白质及其导数；（4）任务效应及其一阶时间导数。使用带通滤波器（0.008Hz<f<∞）滤波数据（Yang等，2018）。第一水平分别计算每个条件下各ROI时间序列与所有其他体素的Pearson相关系数，光暴露前后数据转换为FisherZ分数。组水平采用两因素方差分析（ANOVA）比较两种光条件（40vs.0赫兹）的功能连接频率差异，体素水平阈值设为P<0.001，集群大小阈值设为FDR校正P<0.05。通过非参数置换检验（1000次置换）验证参数检验结果（Nichols和Holmes，2002）。采用相关分析探讨功能连接与工作记忆（数字广度测试和2-back任务行为得分）的关系。
结果
行为与成像结果
光刺激后反应时缩短、准确率降低（图2），但差异无统计学意义。对反应时进行两因素ANOVA分析（光刺激前后为组内因素，两组参与者为组间因素），未观察到主效应或交互作用。实验前2-back任务结果显示，两组反应时[t(42)=-1.124,p=0.902]、准确率[t(42)=-1.001,p=0.323]及数字广度测试得分[t(42)=-1.533,p=0.133]均无差异。
如图3A所示，仅40赫兹组在物体辨别任务中光刺激后双侧海马体区域激活增强；0赫兹组光刺激后前额叶皮层（PFC）激活增强（图3B）。组间直接比较显示，40赫兹组左侧海马旁回激活更强（图3C），0赫兹组左侧额中回和额内侧回激活更强（图3D），反向比较未发现显著激活区域。此外，顶下小叶和丘脑/下丘脑存在刺激前后×刺激条件的显著交互作用（图4A），结果汇总于表1。
功能连接结果
以物体辨别任务中激活的双侧海马体、顶下小叶和丘脑为种子点进行种子点-体素功能连接分析。左侧海马体与右侧角回及双侧颞中回存在功能连接：40赫兹蓝光暴露组海马体与双侧颞中回（MTG）的功能连接弱于0赫兹组，显示连接抑制[t(42)=-6.099,P<0.001；t(42)=-5.902,P<0.001]（图5A）。海马体与双侧MTG的连接强度与数字广度测试得分正相关[r=0.221,P=0.027；r=0.329,P=0.005]（图5B）。同时，左侧海马体与顶上小叶（SPL）的光暴露诱导功能连接存在显著组间差异[t(42)=4.843,P<0.001]：0赫兹组功能连接降低，40赫兹组增强（图6）。0赫兹光暴露后，记忆提取过程中海马体与MTG无正功能连接。
讨论
本研究旨在探讨40赫兹和0赫兹光暴露对脑活动模式调控的影响差异。结果显示，海马体和前额叶皮层对不同频率光具有不同响应特征：仅40赫兹光诱发海马体激活增强，并导致与其他脑区的功能连接变化。这种差异模式表明，记忆相关脑网络分布的脑区对频率调制存在不同响应模式，与记忆辨别仅限于海马体的观点一致，并进一步预测伽马光刺激对记忆相关脑功能的优化作用。数据表明，40赫兹光可改变与记忆任务相关的海马体活动和脑功能连接，与预期一致。尽管认知表现变化缺乏稳健性，但本研究结果可为建立系统的光刺激-脑响应对应关系提供线索。
40赫兹与0赫兹光对脑区激活的差异影响
与0赫兹光相比，40赫兹光诱导的视觉区活动增强幅度和范围更大，且仅40赫兹光刺激后观察到海马体激活增加。结果表明，40赫兹光促进记忆处理期间海马体的激活，这是成功识别记忆处理所必需的（Poppenk等，2013；Strange等，2014；Hrybouski等，2019），且与伽马振荡与记忆功能密切相关的观点一致。通过感官刺激诱导神经元振荡以调节记忆功能已被广泛应用：动物模型中，利用伽马频率光改善海马体伽马缺陷治疗神经系统疾病的效果已得到普遍证实（Barth和Mody，2011；Verret等，2012；Etter等，2019）。本研究未直接测量内在伽马振荡，但鉴于40赫兹光暴露可有效提高记忆识别任务期间海马体的兴奋性，推测其可能是一种有效的海马体伽马振荡夹带方法。
先前研究表明，单次0赫兹蓝光暴露可在停止暴露后仍对工作记忆表现产生有益影响，并在2-back任务期间导致前额叶区域暂时持续的脑功能变化（Alkozei等，2016）。工作记忆任务表现与前额叶皮层正相关，表明前额叶激活增加可加快决策。尽管本实验认知表现无显著差异，但至少在增强前额叶激活方面，0赫兹光暴露显示出与先前研究相似的效果。考虑到本研究的记忆识别任务也需要维持工作记忆信息及后续信息检索（与n-back任务类似），0赫兹光诱导前额叶激活增强的结果具有合理性。结合先前研究和本实验结果，推测对于记忆相关任务（尤其是诱发前额叶区域活动的任务），0赫兹暴露可能对记忆任务处理期间的前额叶活动具有普遍调制作用。
0赫兹蓝光暴露导致蓝斑核激活增强，进而释放去甲肾上腺素至整个皮层（Strüber等，2014；Alkozei等，2016）。在相同光照条件下，0赫兹光进入视网膜的量是40赫兹光的两倍，这可能反映前额叶BOLD响应的增加（本研究在0赫兹光条件下观察到，而40赫兹光条件下未观察到）。此外，参与者在开始第二次扫描前已执行近2小时实验，可能需要更多努力完成识别任务：先前研究表明，疲劳可导致前额叶激活增加（Axmacher等，2010；Hilty等，2011），参与者在实验中感受到的疲劳可能是前额叶激活增加的影响因素之一。
识别记忆任务中的脑功能连接
海马体与SPL的连接模式与海马体与MTG的连接模式显著不同：40赫兹光刺激后海马体与SPL的功能连接增强，通常有利于感觉处理、注意力和记忆处理等认知功能。轻度创伤性脑损伤患者皮层区域间功能连接降低，但症状改善时功能连接增加（vanDuinen等，2007）；AD患者SPL与默认模式网络的功能连接也显示改善（Chao，2019），表明症状改善与网络连接增加相关。记忆识别期间海马体与早期视觉区的功能连接表明，皮层-海马相互作用支持识别表现（Paleja等，2014）。海马体是记忆功能网络的核心，其他皮层（如感觉区）提供辅助信息而非直接主导记忆识别（Pidgeon和Morcom，2016），与视觉空间信息处理相关的皮层不直接参与记忆识别，但为海马体提供视觉模式以促进记忆回忆的理论一致（Rolls，2018）。40赫兹夹带的伽马振荡可配置功能性神经回路，选择性将感觉信息传输至分布式神经回路，并可能夹带海马体和SPL的伽马振荡同步，当振荡网络的兴奋期达到兴奋性峰值时，输入效果最佳。鉴于SPL与视觉空间信息处理和注意功能相关，观察到的海马体-SPL连接变化表明，40赫兹光增强记忆识别过程中视觉空间信息的感知及区域间信息传递，可能有益于感觉、注意和记忆处理。
相反，40赫兹光暴露后海马体与双侧MTG的功能连接降低。光暴露不仅促进认知网络激活，还诱导默认网络抑制，导致负激活（Karlsgodt等，2018；Killgore等，2020a）。感官节律刺激影响颞叶同步水平（Becher等，2015），Stark等人研究显示，正确率越高，激活越弱（Hong等，2016b），区域间同步耦合消耗越少。海马体与默认模式网络间的抑制符合神经效率假说（Neubauer和Fink，2009）：40赫兹光调节在维持认知能力的同时，所需神经资源更少，表明更高效的信息处理机制，提示调制光频率可能是优化神经认知功能的有效方法。
局限性与未来展望
本研究存在局限性：样本量小可能限制统计效力，导致高估和低可重复性，需更大样本量研究进一步表征光暴露的神经机制；样本特征存在异质性，尽管个体响应差异是神经调制研究的热点，但本研究通过严格校正确保组水平激活和连接结果的可靠性；参与者在光干预结束后10分钟内尽快完成fMRI实验，40赫兹光诱导效应的峰值时间需未来研究探索；单trial光干预的调节模式在连续多日暴露后是否变化有待确认；仅使用40赫兹调制模式与0赫兹比较，需与其他频率比较以确定记忆相关脑网络对频率调制的偏好；40赫兹是否为记忆任务相关调节的最佳伽马频段需系统研究。
结论
40赫兹蓝光通过增强海马体激活及与顶上小叶的功能连接，改变识别记忆基础的脑活动模式，而0赫兹光主要增强前额叶皮层激活。这些发现为光频率作为神经认知功能调控工具提供了实验依据，支持40赫兹光在记忆相关脑功能优化中的潜在应用价值。
（注：图表及参考文献部分因篇幅限制未完全呈现，完整内容请参考原文。）
