Свет влияет на когнитивные способности человека и активность мозга

Недавние исследования пролили свет на то, как различные уровни освещенности (мера количества света) могут повысить бдительность и когнитивные способности у людей. Исследование показало, что более высокий уровень освещенности влияет на определенные области мозга, известные как гипоталамус, усиливая определенные когнитивные функции во время задач, связанных с исполнительной и эмоциональной обработкой. Результаты были опубликованы в журнале eLife.

Основной мотивацией исследования было понять, как различная интенсивность света влияет на человеческий мозг, особенно на гипоталамус, который играет решающую роль в регулировании сна, бодрствования и когнитивных функций. Известно, что воздействие света влияет на эти области мозга животных, но особенности этого воздействия на человека остаются неясными.

Модели на животных показали, что определенные области мозга реагируют на свет таким образом, что это влияет на поведение, но у людей другие физиологические и неврологические сложности. Например, кора головного мозга человека созревает позже, чем у животных, что позволяет осуществлять более развитые когнитивные процессы. Понимание того, как свет влияет на эти процессы у людей, может иметь важное значение для улучшения когнитивных функций и управления когнитивным дефицитом с помощью неинвазивных методов, таких как воздействие света.

Хотя хорошо известно, что свет влияет на биологические функции, такие как сон и бодрствование, конкретные эффекты света на активность человеческого мозга, особенно в отношении когнитивных функций, остаются менее изученными. Гипоталамус, важнейшая область мозга, участвующая в регуляции циркадных ритмов и активности, был в центре внимания этого исследования из-за его центральной роли в этих функциях.

«Перенос результатов о том, как световое воздействие влияет на мозг на животных моделях, на человека — сложный процесс, поскольку более позднее созревание коры головного мозга у людей обеспечивает гораздо более сложную когнитивную обработку», — говорит ведущий автор Айлей Кэмпбелл. «В частности, не установлен вопрос о том, способствуют ли ядра гипоталамуса стимулирующему влиянию света на познание».

Чтобы изучить, как различные уровни освещенности влияют на активность мозга и когнитивные способности, исследователи набрали 30 здоровых молодых людей. Эти участники были отобраны на основе строгих критериев, чтобы гарантировать отсутствие у них психических и неврологических расстройств, нарушений сна и других состояний, которые могли повлиять на функцию мозга или результаты исследования. Участников также попросили соблюдать постоянный график сна и бодрствования в течение недели до эксперимента и избегать таких веществ, как кофеин и алкоголь, которые могут повлиять на их когнитивные функции.

В день эксперимента участники прибыли в лабораторию утром и сначала подвергались воздействию яркого белого света в течение пяти минут, а затем 45-минутному периоду тусклого света. Этот протокол был разработан для стандартизации недавнего воздействия света среди всех участников.

Ядро исследования включало сканирование функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) с использованием сканера сверхсильного поля 7 Тесла, который обеспечивает гораздо более высокое разрешение и более четкие изображения активности мозга, чем стандартные МРТ-сканеры. Во время сканирования фМРТ участники выполняли два типа слуховых когнитивных задач — исполнительную задачу и эмоциональную задачу — в различных условиях светового воздействия.

Исполнительное задание представляло собой слуховую версию задания n-back — обычного теста, используемого для измерения рабочей памяти и исполнительных функций. Участники прослушивали последовательность слуховых стимулов и должны были определить, соответствует ли текущий элемент элементу, представленному двумя шагами ранее.

В эмоциональном задании участники слушали вокализации, произносимые либо эмоциональным (гневным), либо нейтральным тоном, и их просили определить пол говорящего. Основная цель заключалась в том, чтобы задействовать способности участников к обработке эмоций и проверить их реакцию на эмоциональное содержание.

Воздействие света во время выполнения задач тщательно контролировалось с помощью специальной волоконно-оптической системы, совместимой с МРТ, которая равномерно и непрямо доставляла свет прямо в глаза. Исследователи использовали различную интенсивность света, в том числе различные уровни белого светодиодного света, обогащенного синим, и монохроматический оранжевый свет определенной интенсивности. Интенсивность воздействия света измерялась в меланопическом эквиваленте дневной освещенности (mel EDI-lux), показателе, который учитывает, как свет влияет на циркадную систему человека.

Исследователи обнаружили, что более высокий уровень освещенности приводит к увеличению активности задней и латеральной частей гипоталамуса как при выполнении исполнительных, так и при эмоциональных задачах. Эта область гипоталамуса связана с бодрствованием и бдительностью. Такое увеличение предполагает, что более яркие условия освещения могут повысить внимательность, тем самым потенциально улучшая когнитивные способности при выполнении задач, требующих значительных умственных усилий и концентрации.

Увеличение освещенности также приводило к снижению активности в передней и вентральной частях гипоталамуса. Эти области участвуют в регуляции сна и циркадных ритмах. Снижение активности здесь может указывать на то, что свет оказывает подавляющее воздействие на области мозга, способствующие сну, при воздействии более высоких уровней света, что согласуется с предыдущими исследованиями, предполагающими, что свет может подавлять сонливость.

Важно отметить, что исследователи конкретно связали эти изменения в активности гипоталамуса с когнитивными способностями. При выполнении исполнительной задачи производительность улучшалась по мере увеличения уровня освещенности. Интересно, что это улучшение выполнения задач отрицательно коррелировало с активностью задней части гипоталамуса.

Это говорит о том, что, хотя более высокий уровень освещенности обычно увеличивает активность в этой области, наиболее эффективная когнитивная деятельность наблюдается в тот момент, когда это увеличение активности не было максимальным. Точные причины этой отрицательной корреляции требуют дальнейшего изучения, но это может означать сложный баланс между возбуждением и оптимальным когнитивным функционированием, при котором слишком сильное возбуждение потенциально может нанести вред производительности.

Более того, результаты эмоционального задания соответствовали исполнительному заданию с точки зрения воздействия света на активность гипоталамуса, хотя конкретное влияние на эмоциональную обработку было менее ясно из непосредственных данных. Время реакции на эмоциональные стимулы существенно не менялось в зависимости от условий освещенности, но существовала значительная связь между активностью заднего гипоталамуса и поведенческими реакциями, что указывает на более длительное время реакции с более высоким уровнем активности. Это может свидетельствовать о том, что повышенный свет может повысить эмоциональную значимость стимулов, тем самым влияя на то, как быстро люди реагируют на эмоциональную информацию.

В целом, эти результаты подчеркивают влияние света на функцию мозга, выделяя определенные области гипоталамуса, которые по-разному реагируют на изменения освещенности.

«Наши результаты показывают, что гипоталамус человека не реагирует одинаково на различные уровни света при выполнении когнитивных задач», — объяснил старший автор Жиль Вандевалле. «Было обнаружено, что более высокий уровень света связан с более высокими когнитивными способностями, и наши результаты показывают, что это стимулирующее воздействие частично опосредовано задним гипоталамусом. Эта область, вероятно, работает совместно со сниженной активностью переднего и нижнего гипоталамуса, а также других структур мозга, не относящихся к гипоталамусу, которые регулируют бодрствование».

Однако исследование было сосредоточено исключительно на краткосрочных эффектах воздействия света, используя короткие периоды воздействия света во время когнитивных задач. Эта конструкция не учитывает потенциальные долгосрочные последствия длительного воздействия света в течение нескольких дней или недель, что может быть актуально для практических применений, таких как освещение рабочего места или терапия нарушений сна. Понимание этих долгосрочных эффектов может дать более глубокое понимание того, как воздействие света можно использовать для управления или улучшения когнитивных и эмоциональных функций с течением времени.

Еще одним ограничением являются контролируемые лабораторные условия, которые могут не полностью воспроизводить реальные условия, когда множество факторов влияют на воздействие света и когнитивные способности. Конкретные условия исследования, такие как тип и время воздействия света, строго контролировались и могли не отражать изменчивость, обнаруженную в естественной среде. Будущие исследования могут быть направлены на повторение этих результатов в более естественных условиях, чтобы определить, наблюдаются ли аналогичные эффекты в менее контролируемых условиях.

«Направленное освещение для терапевтического использования — это захватывающая перспектива. Однако для этого потребуется более полное понимание того, как свет влияет на мозг, особенно на подкорковом уровне. Наши результаты представляют собой важный шаг на пути к этой цели на уровне гипоталамуса», — резюмирует Кэмпбелл.