光，作為地球上生命的源泉，不僅賦予萬物生機與色彩，更是生物感覺外界、調控自身生理節律、新陳代謝、情緒及認知等複雜生命過程的重要資訊來源。然而，随着社會的飛速發展與現代化程序的加速，人造光源的廣泛應用改變了我們的光照環境，包括光譜、光強及照明時長，進而對人類健康構成了新的挑戰。近年來，流行病學調查顯示，夜間光污染與肥胖、糖尿病等代謝性疾病的發病率上升密切相關。這表明不合理光照模式可能會幹擾人體的正常代謝功能，進而導緻疾病。然而其背後的生物學機制一直不明。為了解開這一謎題，大陸科研團隊開展了“光感受調節血糖代謝機制”的創新性研究，并取得了突破性進展。
揭秘光調控血糖代謝的過程
通過對小鼠和人類的實驗發現，無論是在白天還是夜晚，經過數小時的光照刺激後，小鼠和人的血糖代謝能力都會顯著降低。這意味着光照會直接降低機體處理血糖的效率。哺乳動物通過視網膜上的多種感光細胞來感覺光線，這包括負責圖像感覺的視錐細胞和視杆細胞，以及能夠感覺短波長藍光的自感光視網膜神經節細胞（ipRGC）。通過基因工程技術，逐一關閉這三種細胞的光感應功能，研究揭示了光對血糖代謝的影響主要由ipRGC介導。
在大腦中，下丘腦是調控機體代謝的中樞，而其中與ipRGC有較密集連接配接的區域有視交叉上核和視上核。研究人員分别操控這兩個下丘腦核團，發現視上核是光調節血糖代謝的關鍵節點。随後，經過系列實驗，揭示了一條全新的神經通路：從眼中的ipRGC感光細胞傳遞光信号至下丘腦的視上核的催産素能神經元和抗利尿激素能神經元，再投射至室旁核、腦幹孤束核和中縫蒼白核等延髓的相關核團，負責将光信号轉化為調節血糖代謝的神經活動。
大腦感覺環境光信号後，對血糖代謝的調節最終需要由外周組織器官來執行。研究發現，這些神經信号最終通過延髓發出的交感神經作用于外周棕色脂肪組織，一個通過代謝葡萄糖來産熱以維持體溫的重要組織。進一步實驗通過阻斷交感神經與棕色脂肪組織的聯系，以及利用熱中性環境溫度來壓抑棕色脂肪組織産熱活性的手段，證明光降低血糖代謝的原因是通過抑制脂肪組織消耗血糖的産熱功能。
上述光調節血糖代謝的發現和生物學機理是否在人體上同樣存在？對于這個問題，研究人員利用ipRGC對短波藍光敏感而對長波紅光不敏感的特點，通過測試人在不同波長光線照射下的血糖代謝能力，以及利用熱中性溫度環境抑制人體的棕色脂肪活性。結果顯示與小鼠的研究結果一緻，光降低人的血糖代謝能力也是由ipRGC感覺光線，進而影響棕色脂肪組織的活性所介導。
綜上，這項研究發現了ipRGC的關鍵作用，揭示了從光感受器到代謝效應器的完整調節神經網絡。這一全新的“眼—腦—外周棕色脂肪軸”包括眼中的ipRGC、下丘腦視上核、室旁核、腦幹孤束核和中縫蒼白核，并通過交感神經作用于外周棕色脂肪組織。該研究細緻解析了光調節血糖代謝的生物學機制，拓展了光感受調節生命過程的新功能。
光調控血糖的進化來源和現實意義
生命體為何進化出光影響血糖代謝這一神經生理功能？一個可能的猜測是其有助于動物快速适應不同的太陽輻射環境，以維持體溫的平衡。機體總熱量來源于自身産熱和外部輻射（太陽光）。在戶外，太陽光充足時，日照提供的熱量可以替代一部分自身産熱來保持體溫。是以，光能通過這項工作發現的“眼—腦—外周棕色脂肪軸”通路，迅速降低脂肪細胞中葡萄糖的使用率，減少自身産熱。而當動物進入洞穴或樹蔭等太陽輻射較少的地方時，動物體内又會通過這條通路，調動棕色脂肪組織迅速消耗血糖來産生熱量，補償太陽輻照減少的熱量，以保持體溫不變。
這項研究還揭示了冷暖光感背後的生理基礎。生活中，短波光（藍光）常引發涼爽感，而長波光（紅光）則帶來溫暖，這可能是光通過調節脂肪組織産熱所緻。ipRGC細胞對藍光的高度敏感性，使其能有效抑制産熱，進而賦予藍光環境下的“涼爽”體驗，為光與人體感官互動增添了新視角。
更為重要的是，此發現顯示一個原本有利于機體保持體溫穩定的神經機制，在現代工業化社會過多的人造光污染中，很可能造成代謝疾病的增加。已知人體的夜間糖代謝能力比白天弱，而光污染通過這條新發現的通路會進一步降低人體夜間的糖代謝能力。人們夜間反複長時間暴露于人造光源，結合進食宵夜的習慣，就會對人體代謝帶來沉重負擔，長此以往就可能導緻肥胖、糖尿病等代謝性疾病。
同時，該研究深化了光對糖代謝影響的了解，并揭示了光污染與代謝性疾病間的潛在關聯。現代社會中，廣泛使用的人造光源延長了光照時間，可能通過影響脂肪組織活性，增加糖尿病和肥胖風險。這一發現對基礎科學與公共衛生均有重要意義，不僅提供了防治光污染所緻糖代謝紊亂的新理論支撐，還預示了潛在的治療方向。是以，了解人造光源的代謝影響，提示我們需調整室内照明設計與螢幕使用習慣，以降低健康風險。
光與健康的未來
在深化科學探索上，科學界仍需更深入地研究光在調節生物體生理和病理過程中的作用。這包括了解光是如何通過神經機制調節脂質和蛋白質代謝，以及長期夜間光暴露如何影響大腦和外周器官的可塑性調節。同時，評估深空、深海、極地和坑道等極端光照環境下，光對人體機能的影響，為極端條件下的生命支援與保護提供科學依據。
在應用前景上，随着光與健康關系研究的深入，個性化光照管理系統呼之欲出。該系統将精準對接個人生理與健康需求，智能調控光照條件。借助物聯網與AI技術，照明系統将實作環境感覺與需求響應的深度融合，動态優化光強與光譜，全天候營造最适合的照明環境，守護人體健康。此外，可以研發光譜趨近自然光特性的新型光源，模拟自然光譜或靈活調節光譜構成，以減少對人體的不良影響。
綜上所述，這項研究不僅深化了關于光感受調控生命機理的基礎科學認知，還對人類健康的促進、未來照明技術的導向發展以及公共健康政策的制定産生了深遠影響。光，作為我們日常生活中不可或缺的照明工具，其更深層次的意義在于對人類生命健康的深刻影響。隻有在科學研究的引領下，合理、智慧地使用和利用光資源，才能讓光真正成為我們健康生活的伴侶。
（作者系中國科學技術大學生命科學與醫學部講席教授）