光，作为地球上生命的源泉，不仅赋予万物生机与色彩，更是生物感知外界、调控自身生理节律、新陈代谢、情绪及认知等复杂生命过程的重要信息来源。然而，随着社会的飞速发展与现代化进程的加速，人造光源的广泛应用改变了我们的光照环境，包括光谱、光强及照明时长，从而对人类健康构成了新的挑战。近年来，流行病学调查显示，夜间光污染与肥胖、糖尿病等代谢性疾病的发病率上升密切相关。这表明不合理光照模式可能会干扰人体的正常代谢功能，进而导致疾病。然而其背后的生物学机制一直不明。为了解开这一谜题，我国科研团队开展了“光感受调节血糖代谢机制”的创新性研究，并取得了突破性进展。
揭秘光调控血糖代谢的过程
通过对小鼠和人类的实验发现，无论是在白天还是夜晚，经过数小时的光照刺激后，小鼠和人的血糖代谢能力都会显著降低。这意味着光照会直接降低机体处理血糖的效率。哺乳动物通过视网膜上的多种感光细胞来感知光线，这包括负责图像感知的视锥细胞和视杆细胞，以及能够感知短波长蓝光的自感光视网膜神经节细胞（ipRGC）。通过基因工程技术，逐一关闭这三种细胞的光感应功能，研究揭示了光对血糖代谢的影响主要由ipRGC介导。
在大脑中，下丘脑是调控机体代谢的中枢，而其中与ipRGC有较密集连接的区域有视交叉上核和视上核。研究人员分别操控这两个下丘脑核团，发现视上核是光调节血糖代谢的关键节点。随后，经过系列实验，揭示了一条全新的神经通路：从眼中的ipRGC感光细胞传递光信号至下丘脑的视上核的催产素能神经元和抗利尿激素能神经元，再投射至室旁核、脑干孤束核和中缝苍白核等延髓的相关核团，负责将光信号转化为调节血糖代谢的神经活动。
大脑感知环境光信号后，对血糖代谢的调节最终需要由外周组织器官来执行。研究发现，这些神经信号最终通过延髓发出的交感神经作用于外周棕色脂肪组织，一个通过代谢葡萄糖来产热以维持体温的重要组织。进一步实验通过阻断交感神经与棕色脂肪组织的联系，以及利用热中性环境温度来压抑棕色脂肪组织产热活性的手段，证实光降低血糖代谢的原因是通过抑制脂肪组织消耗血糖的产热功能。
上述光调节血糖代谢的发现和生物学机理是否在人体上同样存在？对于这个问题，研究人员利用ipRGC对短波蓝光敏感而对长波红光不敏感的特点，通过测试人在不同波长光线照射下的血糖代谢能力，以及利用热中性温度环境抑制人体的棕色脂肪活性。结果显示与小鼠的研究结果一致，光降低人的血糖代谢能力也是由ipRGC感知光线，进而影响棕色脂肪组织的活性所介导。
综上，这项研究发现了ipRGC的关键作用，揭示了从光感受器到代谢效应器的完整调节神经网络。这一全新的“眼—脑—外周棕色脂肪轴”包括眼中的ipRGC、下丘脑视上核、室旁核、脑干孤束核和中缝苍白核，并通过交感神经作用于外周棕色脂肪组织。该研究细致解析了光调节血糖代谢的生物学机制，拓展了光感受调节生命过程的新功能。
光调控血糖的进化来源和现实意义
生命体为何进化出光影响血糖代谢这一神经生理功能？一个可能的猜测是其有助于动物快速适应不同的太阳辐射环境，以维持体温的平衡。机体总热量来源于自身产热和外部辐射（太阳光）。在户外，太阳光充足时，日照提供的热量可以替代一部分自身产热来保持体温。因此，光能通过这项工作发现的“眼—脑—外周棕色脂肪轴”通路，迅速降低脂肪细胞中葡萄糖的利用率，减少自身产热。而当动物进入洞穴或树荫等太阳辐射较少的地方时，动物体内又会通过这条通路，调动棕色脂肪组织迅速消耗血糖来产生热量，补偿太阳辐照减少的热量，以保持体温不变。
这项研究还揭示了冷暖光感背后的生理基础。生活中，短波光（蓝光）常引发凉爽感，而长波光（红光）则带来温暖，这可能是光通过调节脂肪组织产热所致。ipRGC细胞对蓝光的高度敏感性，使其能有效抑制产热，从而赋予蓝光环境下的“凉爽”体验，为光与人体感官互动增添了新视角。
更为重要的是，此发现显示一个原本有利于机体保持体温稳定的神经机制，在现代工业化社会过多的人造光污染中，很可能造成代谢疾病的增加。已知人体的夜间糖代谢能力比白天弱，而光污染通过这条新发现的通路会进一步降低人体夜间的糖代谢能力。人们夜间反复长时间暴露于人造光源，结合进食夜宵的习惯，就会对人体代谢带来沉重负担，长此以往就可能导致肥胖、糖尿病等代谢性疾病。
同时，该研究深化了光对糖代谢影响的理解，并揭示了光污染与代谢性疾病间的潜在关联。现代社会中，广泛使用的人造光源延长了光照时间，可能通过影响脂肪组织活性，增加糖尿病和肥胖风险。这一发现对基础科学与公共卫生均有重要意义，不仅提供了防治光污染所致糖代谢紊乱的新理论支撑，还预示了潜在的治疗方向。因此，了解人造光源的代谢影响，提示我们需调整室内照明设计与屏幕使用习惯，以降低健康风险。
光与健康的未来
在深化科学探索上，科学界仍需更深入地研究光在调节生物体生理和病理过程中的作用。这包括了解光是如何通过神经机制调节脂质和蛋白质代谢，以及长期夜间光暴露如何影响大脑和外周器官的可塑性调节。同时，评估深空、深海、极地和坑道等极端光照环境下，光对人体机能的影响，为极端条件下的生命支持与保护提供科学依据。
在应用前景上，随着光与健康关系研究的深入，个性化光照管理系统呼之欲出。该系统将精准对接个人生理与健康需求，智能调控光照条件。借助物联网与AI技术，照明系统将实现环境感知与需求响应的深度融合，动态优化光强与光谱，全天候营造最适合的照明环境，守护人体健康。此外，可以研发光谱趋近自然光特性的新型光源，模拟自然光谱或灵活调节光谱构成，以减少对人体的不良影响。
综上所述，这项研究不仅深化了关于光感受调控生命机理的基础科学认知，还对人类健康的促进、未来照明技术的导向发展以及公共健康政策的制定产生了深远影响。光，作为我们日常生活中不可或缺的照明工具，其更深层次的意义在于对人类生命健康的深刻影响。只有在科学研究的引领下，合理、智慧地使用和利用光资源，才能让光真正成为我们健康生活的伴侣。
（作者系中国科学技术大学 与医学部讲席教授）
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