生命说，要有光：薛天教授谈光调控生命过程

本文来自微信公众号： 世界科学 ，作者：世界科学等，原文标题：《生命说，要有光——薛天教授谈光调控生命过程 | 锚点》

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INTERVIEW

人类最重要的感觉是什么？毫无疑问是视觉。我们获得的绝大部分信息都是通过眼睛看到的。中国科学技术大学生命科学与医学部教授薛天博士就是一位视觉方面的专家，他的研究已经多次改写了教科书。其实从更广泛的层面来说，他的研究主题是光与生命的关系。

光不仅给我们带来信息，对生命过程也具有重要的调控作用。从发育到衰老，到精神疾病，许多现象都源自合适的光或者不合适的光。

薛天

中国科学技术大学生命科学与医学部教授

“光调控生命过程”的机制

Q：薛老师，很多报道都提到您开拓了一个领域，叫作“光调控生命过程”。这个领域在研究什么？

A：

我们以前一直认为光主要为我们提供图像信息，但其实它不仅调节我们的视觉能力，还对其他多种生理过程具有调节作用，包括情绪、脑发育和血糖代谢等。

从专业角度来讲，我们主要做两大模块的研究，一个是成像视觉（主要涉及我们习以为常的“看见”过程），另一个是非成像视觉（涉及生物钟调节、情绪、代谢等过程）。

Q：也就是说，这个“光调控生命过程”可以描述为非成像视觉，是吗？

A：

对。比如说，到了国外你要调节时差，实际上就是在调节你体内的生物钟（昼夜节律）和日出日落（外界太阳光）的关系。我们很早就通过公共卫生学方面的研究认识到，光线可以调节身体的一系列功能。例如，长时间的阴雨天会让你感到情绪低落，艳阳高照会让你情绪高涨。

这些研究很重要，能为我们提供探讨一些科学问题的“入口”，但是它们解决的只是相关性的问题，不能回答因果问题。这个时候，就需要从事基础科学研究的神经生理学家做进一步的探索了。

Q：我们现在对“光调控生命过程”的机理有哪些了解？

A：

视觉是我们最重要的信息输入来源。我们最初开展脑功能研究时，也是以视觉为主线的。最主要的视觉输入来源于我们的眼睛，特别是眼底这一层视网膜。视网膜中逐级传递成像视觉信号的三级主神经元依次为感光细胞、双极细胞和神经节细胞。

感光细胞，也就是视锥细胞和视杆细胞，感光后将光信号转换为神经电信号，经双极细胞、神经节细胞逐级整合后，由视神经传出眼球，再经视交叉、外侧膝状体投射到大脑初级视觉皮层，形成我们所说的成像视觉。

非成像视觉主要由自感光视网膜神经节细胞（ipRGCs）介导。其信号传递过程涉及诸多神经核团，这些核团分工协作，共同执行多种生理功能。例如，我们的生物钟主要由视交叉上方的小圆形核团——视交叉上核调节，以确定我们每天什么时候起床、什么时候睡觉，而瞳孔对光反射这一现象（受到强光照射时瞳孔会收缩）则依赖于顶盖前核等核团的参与。

ipRGCs大概于21世纪初被发现。这种细胞是视网膜神经节细胞中特殊的一类，自身就表达感光蛋白，能够在没有视锥和视杆细胞参与的情况下独立感光。

当时，研究人员发现，一些感光细胞退化的病人虽然失去了成像视觉，眼前是黑的，但他们身上还存在一定的瞳孔对光反射现象，而且他们的昼夜节律仍然能和外界的日出日落相匹配。这种临床现象使得研究人员猜测，视网膜内除了视锥、视杆两种感光细胞，可能还存在其他可以感光的细胞，由此人们才发现了ipRGCs。

这种细胞被发现之后，大家首先要研究的就是它的光信号转导机制，也就是它如何把光信号变成电信号——这也是我回国前在美国约翰霍普金斯大学完成的最后一项工作。

有趣的是，哺乳动物体内这类感光细胞的光信号转导机制，和无脊椎动物昆虫复眼的感光分子机制十分相似。二者的感光蛋白本身具有同源性，感光蛋白感光后发生构象变化，进而激活下游信号分子，使得瞬时受体电位（TRP）的离子通道开放，离子穿过细胞膜产生电信号。TRP离子通道最早就是在果蝇复眼中发现的，哺乳动物体内同样存在多个TRP家族亚型。

Q：果蝇是一种非常著名的模式生物。据我所知，有很多研究果蝇的人获得过诺贝尔奖。

A：

是的。这个TRP离子通道和我们的感知觉密切相关，广泛参与痛觉、味觉、温度感知等生理过程。

在解析ipRGCs的感光分子机制后，2012年我回到国内开始建立独立实验室，继续研究“光调控生命过程”。我们想了解：前端的感光细胞是什么，光信号由眼传递到脑经过了哪些通路，涉及的脑区、神经环路是什么。更重要的是，有些神经环路从脑延伸到全身，会影响各种躯体功能，比如对于情绪的调节、对于脑发育的影响、对于血糖代谢的影响等，这样一来，就拓展出许多新的研究方向。

目前来看，光调控生命过程本身就是感知觉领域、视觉领域里十分重要且活跃的前沿方向。十多年来，国际、国内同行也开展了大量的研究工作，而我们可以说是引领和推动了整个领域的发展，部分研究成果逐渐被写入教科书。

光对于情绪的影响

Q：具体而言，光对人的情绪有哪些影响？

A：

光线的强弱以及处于白天还是夜晚，会影响人类的情绪。焦虑症、抑郁症是成年人群体中高发的精神类疾病。

研究人员开展流行病学调查后发现，倒班工人夜间可能会接收到大量非自然光的照射，罹患焦虑、抑郁类负性情绪障碍的风险明显更高。还有一些针对不同纬度地区人群的研究发现，在高纬度地区（如北欧国家），“季节相关性抑郁”（SAD）这种抑郁症亚型的发病率很高，尤其是在冬季，因为高纬度地区冬季的白昼日照太短，夜晚漫长，这个时候就容易产生抑郁情绪。

刚才提及的所有现象都指向一点：在自身生物钟对应的日间，充足的自然光照对情绪具有正向调节作用，而在生物节律中本该是黑暗的夜间，过多的光暴露会给情绪带来负面影响。

这就引出一个有趣的问题：同样是光线，为什么白天对人的情绪影响是正面的，夜间过量光照就会带来负面影响？我们实验室和暨南大学任超然老师课题组（重点探索光调节脑功能的神经生物学机制及转化治疗策略）的研究基本解析了这一现象背后的机制。

简而言之，白天和夜间，眼睛接收到的光信号会激活大脑两条完全不同的调控通路：白天激活的通路会舒缓负性情绪、提升愉悦感受，而夜间激活的通路则会抑制我们的快感中枢。

我们实验室开展的研究表明：在夜间，光信号会从眼睛传递到外侧缰核边缘区背侧，再由这个区域投射到伏隔核——这个核团正是大脑的快感中枢；夜间持续的光线照射会激活外侧缰核边缘区背侧的神经元，进而抑制伏隔核的兴奋水平，长时间光暴露易诱发负性情绪。

实际上，外侧缰核边缘区背侧的神经元严格受昼夜节律的调控，你可以把它想象成水龙头的阀门：白天的时候，这个阀门是关上的，所以即便外界有大量光线，相关神经元也难以被激活，这条通路就无法向下传递信号、抑制快感中枢；到了夜间，这个阀门就会打开，光信号会沿着这条通路去压制快感中枢。

我们两个组的一系列互补工作结合在一起，反映了中国视觉神经科学家在光调控情绪领域为国际学界发展作出的重要贡献。

光对于血糖代谢的影响

Q：您还做了关于代谢的研究。

A：

是的。大量的公共卫生学研究及流行病学调查都发现一个现象：夜间光暴露越多，2型糖尿病、肥胖症等代谢性疾病的患病风险就越高。但这只是揭示了相关性，并未提供因果性证据，所以我们就借助动物模型研究光如何影响代谢。

我们选择在夜间的固定时段给动物模型光照，并开展血糖耐受实验，观察其糖代谢变化。血糖如果一直很高，难以下降，就会影响眼睛、肾脏等器官的功能。

Q：一直高叫作耐受还是不耐受？

A：

那叫不耐受。

Q：耐受就说明糖飞快地分解了，是吗？

A：

血糖下降不是因为糖立刻被分解了，而是被转化为肝糖原和肌糖原储存起来了，这才使得血糖回落至正常水平，并保持稳定。我们每天基本都要吃大米、馒头等食物，它们都是糖的来源，所以血糖水平肯定会出现波动。关键在于，我们的身体要有能力迅速地把血糖拉回到正常值范围，而且在血糖低的时候能够迅速消耗储存的糖原，维持血糖稳定。

Q：所以，其实关键在于那个响应的速度，是吧？

A：

对，响应的能力和速度。我们通过实验发现，无论是白天还是晚上，经过数个小时的光照刺激，人和小鼠的血糖控制能力都会下降，机体保持高血糖的时间更长。

Q：这听起来给人的建议就是吃饭的时候应该黑灯瞎火地吃。（对话双方哈哈大笑）

A：

不能完全这么讲。昼夜节律会让你白天的血糖控制能力强于夜间。你刚刚那句话实际上对夜间是有价值和意义的。在夜间，我们自身的生物钟会让血糖控制能力变差，这个时候如果再加上光污染，血糖控制能力就更差了。而此时，往往又是我们拿着手机、看着电脑吃夜宵的时刻，可以说所有不利因素都集齐了，那你调节血糖的负担自然就会变重。在这种情况下，若要让血糖回归正常水平，就得花更长的时间，且容易造成一系列代谢问题，比如肥胖症、糖尿病。

Q：结论是不要吃夜宵，即使吃夜宵也不要看着手机吃夜宵。

A：

你说得特别对。总的原则是，要尽量减少入夜之后的进食，如果要进食，也尽量避免不必要的光污染。

光污染并非一概而论，它存在波长方面的区别。我们发现，影响血糖代谢的光主要是短波长的光。以前用的那种白炽灯，其发光方式是黑体辐射，钨丝通电后升温发光，由电能转化为热能再转化为光能，其中大部分光是人眼不可见的，在可见光区间内，短波长的光占比很少，发光效率低下，所以逐渐被淘汰。但现在看来，那种白炽灯从某种程度上来说反而是夜间比较健康的照明光源。

Q：是因为白炽灯的光跟阳光比较像吗？

A：

它和阳光并不太像，但和篝火很像。篝火发光也属于黑体辐射，同样是长波长的光占主导。这意味着白炽灯、篝火等光源很难有效激活ipRGCs，因为ipRGCs感光蛋白的波长响应峰值大概是480纳米，处于蓝光波段。也就是说，它是一种对短波长光线较为敏感的感光细胞。

Q：这是否意味着我们应该避免使用蓝光？

A：

这个问题需要放在更宏观的背景下来看。现在发光二极管（LED）灯的使用极其广泛，但这类灯存在明显短板：在同等视觉亮度下，它的短波长蓝光辐射远远高于白炽灯，更容易激活ipRGCs。因此，从某种程度上来说，此类光污染带来的危害更大。

所以，至少在家庭夜间照明中，尽量不要选用冷光LED灯。虽然冷光、暖光LED灯都有一个蓝光的峰值，但是冷光LED灯的蓝光峰值更高、短波长的光占比更大，对人体昼夜节律、代谢的干扰更强。

与此同时，我们通过研究还发现，视网膜中的ipRGCs接收到短波长的光信号之后，信号会通过大脑的几个神经核团进行传递，最后通过交感神经作用于外周棕色脂肪组织。

Q：这个首先需要解释一下，棕色脂肪组织是什么？

A：

我们脂肪分为白色脂肪组织、米色脂肪组织和棕色（或称褐色）脂肪组织三种。

白色脂肪主要负责储能，米色和棕色脂肪则主要负责产热。在某些情况下，棕色脂肪甚至可以产生我们躯体30%、40%以上的热量，且它与交感神经有着密切的联系。我们在实验中发现，光（特别是蓝光）可以激活ipRGCs，相关信号经视神经传递至下丘脑、延髓区域的神经核团，进而调控交感神经对棕色脂肪组织的作用，抑制其产热能力，减少机体对血糖的消耗，从而降低机体的血糖耐受性。

薛天团队围绕光感受对生命过程的调控发现第三类感光细胞ipRGCs的全新光信号转导机制，解析了“眼-外侧缰核边缘区-伏隔核”神经环路，揭示了夜间光暴露引发抑郁的机制，对于人们正确认识夜间过度照明的潜在危害并探索防治手段具有重要意义。该成果入选2020年度“中国神经科学重大进展”。

在探索光感知促进脑发育的神经机制方面，薛天团队发现了发育早期视觉（光）感知促进大脑高级认知区域神经元突触协同发育的感光、神经环路和分子机制，并揭示了这一机制对成年脑高级认知能力的影响。该成果入选2022年度“中国神经科学重大进展”。

在此基础上，他进一步发现了全新的“眼-脑-外周棕色脂肪”通路，解析了长久以来未知的光调节血糖代谢的生物学机理，拓展了光感受调控生命过程的新功能，为防治光污染导致的糖代谢紊乱提供了理论依据与潜在的干预策略。该成果入选2023年度“中国科学十大进展”。

光对于脑发育的影响

Q：除此之外，之前您还提到光对于脑发育也是有影响的。

A：

这是我们做的另外一项工作。充足的光照对于婴幼儿的健康发育，特别是脑发育，具有重要意义。我们之所以开始研究光对脑发育的影响，其实是受北京大学生命科学学院于翔教授的启发。

当年她还在中国科学院神经科学研究所就职，其团队发表的一项研究表明，在小鼠出生后的前10天，如果一直是在暗的环境下饲养，那么它大脑中和光有关的所有皮层（包括视觉皮层）的突触的生长都会明显变得缓慢。其团队发现，这个现象可能和下丘脑分泌的催产素有关系。

这就引起了我的兴趣，因为我是做视觉研究的，我知道小鼠在出生后的前10天，其视锥、视杆细胞的功能性光信号通路尚未建立。那在这10天之内，什么细胞在感光？答案就是ipRGCs。这说明这类细胞可能在介导动物的早期光感受，然后影响脑发育。

经过后续一系列的研究，我们发现ipRGCs在机体幼年期会连接到下丘脑的视上核和室旁核——这两个核团是大脑中唯二合成催产素的核团。通过这种连接，ipRGCs相当于在生命早期就告诉大脑“你已经出生了”“外部环境有光线了”，如此一来就会激发大脑各个区域突触的生长。这其实就回答了早期光环境如何影响大脑跨皮层突触生长的问题。

但是，如果让小鼠一直处于没有光的暗环境下，其突触最后也能长出来，只是变慢了。等到小鼠成年后再去进行研究时，我们发现早年期间没有充分光暴露的小鼠在学习记忆速度方面比正常环境下成长的小鼠要慢。这就相当于，关于一加一等于二，孩子们最后都能学会，只是有些孩子可能更早学会，有些则更晚。也就是说，光在某种程度上决定了你成年后的学习记忆能力。

现在大家已经越来越重视这件事情了，也意识到孩子出生之后要让其适当地暴露在丰富的自然光线下。虽然有时候室内光线看起来挺亮的，但如果是晴天，就强度而言，外面的太阳光要比室内光线至少高两到三个数量级。我们意识不到这种明显的区别是因为我们的眼睛是一个很好的适应器，瞳孔的快速缩放也起到了重要的调节作用，所以基本出门一分钟之后就不会觉得外面的光线比室内亮很多。

研究光调控生命过程的启示

Q：除这么说我们应该马上出去晒晒太阳。

A：

有条件的时候，白天一定要接受充分的自然光线照射。特别是早上起来时的日照光线，它对于我们昼夜节律的校准是极其重要的。如今白天在室内工作的人群，相当于待在水泥型“洞穴”里，虽然有人造光，但是其强度远远不够。将来，我们也要根据白天和夜间的不同来调节室内光的色温。

白天的时候，人体需要更多短波长的光，所以应该用冷光源的光。最好是办公室中有自然光源——在窗户前办公远比在完全封闭的空间中要强得多。到了夜间，我们不可避免地要使用人造光，此时就要减少蓝光暴露，避免在家里使用冷光源的光。将来，也许我们会开发出短波长的光占比更少的光源，进而避免夜间激活ipRGCs，保护身体健康。

Q：这是非常宏大的图景，彰显了光调控生命过程这一领域对现代人的生活具有重要的指导意义。有些报道还提及你们在研究的另一个重大问题，就是为什么有些动物在夜间活动、有些动物在白天活动。

A：

“昼行”和“夜行”是我们实验室的两个重要研究课题。它们看起来或许只是简简单单的两个词，但实际上暗含着光与生命的关系，即生命体如何利用外部光线条件来决定自己的生存和活动。

理清楚这背后的机制可以帮助我们解答一个根本问题：光如何调节睡眠？这直接决定了我们最根本的生命学过程：在倒时差的时候，或者是夏天到冬天日照发生变化的时候，你的节律要匹配昼夜时长变化，要匹配日出日落的节奏。

但是，到现在为止，我们并不知道昼行、夜行是怎么来的。我们认为，人体应该是通过眼脑连接过程中的核团来调节睡眠的。对这一机制的成功解析，可以成为光与生命研究领域的一座重要里程碑。

Q：您觉得光调控生命过程领域亟待攻克的核心问题，或者说下一个锚点，是什么？

A：

就是生物是如何获得昼行性和夜行性的。

Q：这让我想到，之前和蒲慕明院士交流的时候，他提及一个我们至今尚未搞清楚的基本问题——我们为什么需要睡觉。

A：

这是一个更深刻的问题，有很多种解释。不过总体而言，光线条件与我们的觉醒、睡眠确实存在密切关联，同时也和昼行、夜行动物对活动时间的选择密切相关。只有更深入地理解这层关联，我们才能真正认清光与生命的关系。

-本文刊载于《世界科学》杂志2026年第8期“锚点”专栏；该专栏由《世界科学》编辑部和东方卫视《锚点》节目组联合开发，该节目由中国科学技术大学科技传播系副主任袁岚峰研究员主持-