你的白天身體不是你的晚上身體—生理時鐘如何看見藍光 & 大腦中的藍色精靈

<你的白天身體不是你的晚上身體—生理時鐘如何看見藍光>

地球每 24 小時自轉一周,這個規律的日夜週期,對於地球上的生物造成極顯著的影響。為了適應這個規律的週期變化,生物體內形成了一個內生性的生理時鐘,幫助個體準備即將來臨的外在變化。本講次說明生物體透過何種機制調節生理時鐘,以及人們在現代社會中該注意些什麼事情,避免生理時鐘受到干擾。

講師|臺灣大學生命科學系教授 陳示國
整理撰文|高英哲

地球日夜週期的差異,最明顯的地方在於光照度,白天跟晚上的光量相差一億倍以上;其次是氣溫差異,即使在變化比較溫和的區域,日夜溫差也會達到攝氏十度以上。生物為了適應這個既明顯又規律的變化,逐漸衍生出一套調節身體機能的生理時鐘。生理時鐘的英文 circadian clock ,正是「大約」 (circa) 跟「一日」 (dian) 這兩個希臘字組合而成;舉凡體內的褪黑激素、核心體溫、三酸甘油脂,以至於主觀警覺性、反應時間等等,都會隨著生理時鐘而出現規律性的變異。

雖然自古以來就有人注意到生理時鐘這個現象,然而一直要到 1950 年代,科學界才開始對這個現象有系統性的研究。德國生理學家艾許夫 (Jürgen Aschoff) 以及美國生物學家皮登卓 (Colin Pittendrigh) ,是引領這個研究領域的先行者,他們私交甚篤,對於如何調節生理時鐘,卻有著截然不同的見解:艾許夫主張調節光照度,皮登卓卻認為選對時間才是重點。

艾許夫利用二戰留下的地下碉堡做實驗,讓受測者在不見天日的環境中生活,並紀錄他們的睡眠時間,發現受測者的睡眠時段,很規律地每天推遲大約半個小時,也就是生理時鐘以 24.5 個小時為一個週期——這就是為什麼生理時鐘的英文字是「大約一日」。這意味著生理時鐘並不是完全切合地球自轉的規律,而且後續研究還發現每個物種的生理時鐘也有些許差異,因此生物必須依據自然環境中光照度的變化,調節自己的生理時鐘。

人類透過眼睛的感光細胞,感應光照度的變化。然而奇怪的是,有些感光細胞因病或因傷萎縮的人,他們的身體照樣可以調整時差,後來發現是一種叫做視黑質 (melanopsin) 的感光蛋白,不需要經由視錐以及視感細胞,也可以感應光照變化,並且把訊息傳遞到負責調節生理時鐘的視交叉上核。由於視黑質所能感應到的光波長,正好是落在藍光的區段,如果視黑質在夜間接收到過多藍光,視交叉上核便會以為現在是有天空藍的白天,把身體調節成適應白天活動的狀態,造成生理機能的錯亂。

了解人體調節生理時鐘的機制後,我們就能採取相對應的策略——盡可能讓生活作息在一段時間內保持固定(固定白班或固定夜班),以及在應該休息時避免暴露在藍光環境之中(比方說使用電子產品)——讓自己的生理時鐘更加穩定。

 

<大腦中的藍色精靈>

動物對於代表「晚餐」的鈴聲,除非處在毫無警覺的睡眠,不然在一般情形下,不可能會忽略這麼重要的訊息;然而當牠們處於需要保持高度警覺,獲取利益遠大於一餐的情形時,大腦必須要忽略鈴聲的干擾,以便專注於處理眼下所獲得的訊息。大腦中負責處理這種彈性選擇的,是一個稱為「藍斑核」的小結構,本講次介紹這個最早受到研究的大腦區域之一,其運作原理及重要性。

講師|臺灣大學生命科學系教授 閔明源
整理撰文|高英哲

動物對於所處環境的反應,大抵分為兩種:一是對於已知的獎勵來源進行「利用」,二是對於未知的環境進行「探索」,以獲取比已知獎勵更豐富、更穩定的來源。這兩種反應之間有其交換代價:一個只滿足於「利用」的個體,雖然可以穩定地獲取固定獎勵,卻放棄了進一步改善生活的機會;而一個勇於進行「探索」的個體,雖然有機會改善其生活條件,卻也必須承擔徒勞無功,浪費能量的風險。

負責處理動物採取「利用」或「探索」行為的大腦區域,是位於中腦的藍斑核 (locus coeruleus) 。藍斑核顧名思義呈現藍色,這是因為它釋放出來,一種叫做正腎上腺素 (norepinephrine) 的神經傳導物質,本身就會形成黑色素,如果沒有累積很多的話,看起來就會接近藍黑色。藍斑核是大腦中正腎上腺素的主要供應者,幾乎所有的大腦區域,都含有緻密的正腎上腺素神經纖維。藍斑核具有全面性的行為調節功能,它透過正腎上腺素系統,調節大腦的睡眠與清醒週期,自主神經功能控制,情緒狀態調節,學習與記憶,以及痛覺等等。

研究者藉由控制獎勵以及測量大腦放電等等實驗手段,了解藍斑核對於身體機能的調節機制,以及大腦接收刺激,進行決策,做出反應等等,一系列傳導過程的放電倍率值。對藍斑核的調節機制有一定了解之後,就可透過刺激藍斑核單神經元放電活動等等手段,進行主動的調節控管,比方說要提高探索環境敏銳度時刺激放電,需要專注處理眼下事務時就抑制放電。其他諸如增強認知功能,提高動機水平,促進交感神經活動等等,也都是藍斑核在臨床上可能的相關應用,可協助患者擺脫生活上不必要的干擾。

 

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