环境热与人类睡眠

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英文标题：
《Ambient heat and human sleep》
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作者：
Kelton Minor, Andreas Bjerre-Nielsen, Sigga Svala Jonasdottir, Sune
  Lehmann, Nick Obradovich
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最新提交年份：
2020
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分类信息：

一级分类：Computer Science        计算机科学
二级分类：Computers and Society        计算机与社会
分类描述：Covers impact of computers on society, computer ethics, information technology and public policy, legal aspects of computing, computers and education. Roughly includes material in ACM Subject Classes K.0, K.2, K.3, K.4, K.5, and K.7.
涵盖计算机对社会的影响、计算机伦理、信息技术和公共政策、计算机的法律方面、计算机和教育。大致包括ACM学科类K.0、K.2、K.3、K.4、K.5和K.7中的材料。
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一级分类：Economics        经济学
二级分类：General Economics        一般经济学
分类描述：General methodological, applied, and empirical contributions to economics.
对经济学的一般方法、应用和经验贡献。
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一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：Economics        经济学
分类描述：q-fin.EC is an alias for econ.GN. Economics, including micro and macro economics, international economics, theory of the firm, labor economics, and other economic topics outside finance
q-fin.ec是econ.gn的别名。经济学，包括微观和宏观经济学、国际经济学、企业理论、劳动经济学和其他金融以外的经济专题
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英文摘要：
  Ambient temperatures are rising globally, with the greatest increases recorded at night. Concurrently, the prevalence of insufficient sleep is increasing in many populations, with substantial costs to human health and well-being. Even though nearly a third of the human lifespan is spent asleep, it remains unknown whether temperature and weather impact objective measures of sleep in real-world settings, globally. Here we link billions of sleep measurements from wearable devices comprising over 7 million nighttime sleep records across 68 countries to local daily meteorological data from 2015 to 2017. Rising nighttime temperatures shorten within-person sleep duration primarily through delayed onset, increasing the probability of insufficient sleep. The effect of temperature on sleep loss is substantially larger for residents from lower income countries and older adults, and females are affected more than are males. Nighttime temperature increases inflict the greatest sleep loss during summer and fall months, and we do not find evidence of short-term acclimatization. Coupling historical behavioral measurements with output from climate models, we project that climate change will further erode human sleep, producing substantial geographic inequalities. Our findings have significant implications for adaptation planning and illuminate a pathway through which rising temperatures may globally impact public health.
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PDF下载：
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2022-4-22 19:41:24 上传

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关键词：Insufficient Measurements inequalities Implications Quantitative

环境热量和人类睡眠凯尔顿小调1 2 3*, 安德烈亚斯·比耶尔·尼尔森1 4 , 西格里杜尔·斯瓦拉·乔纳斯多蒂尔5., 苏恩·莱曼1 5,  尼克·奥布拉多维奇6.*   1.哥本哈根社会数据科学中心，哥本哈根大学2奥尔堡大学建筑环境学系3加利福尼亚大学全球政策实验室，伯克利4哥本哈根大学经济系5丹麦科技大学应用数学与计算机科学系，6马克斯·普朗克人类发展研究所人类与机器中心摘要：全球环境温度正在上升，夜间上升幅度最大。与此同时，睡眠不足的患病率在许多人群中不断上升，给人类健康和福祉带来了巨大的代价。尽管人类寿命的近三分之一是在睡眠中度过的，但在全球范围内，温度和天气是否会影响现实世界环境中睡眠的客观测量仍然是个未知数。在这里，我们将68个国家超过700万个夜间睡眠记录的可穿戴设备的数十亿睡眠测量数据与2015年至2017年的当地每日气象数据联系起来。夜间温度升高主要通过延迟发作缩短人内睡眠时间，增加睡眠不足的可能性。对于低收入国家的居民和老年人来说，温度对睡眠损失的影响要大得多，女性受影响比男性更大。在夏季和秋季，夜间温度升高造成的睡眠损失最大，我们没有发现短期适应的证据。结合历史行为测量和气候模型的结果，我们预测气候变化将进一步侵蚀人类的睡眠，造成严重的地理不平等。

我们的研究结果对适应规划具有重要意义，并阐明了全球气温上升可能影响公共健康的途径。1.导言有规律、充足的睡眠有助于人类的身心健康1.. 睡眠时间短与认知能力下降有关2., 生产力下降3., 旷工增加4., 免疫功能受损5., 以及高血压风险升高、心血管不良后果、死亡率6., 抑郁、愤怒和自杀行为7,8. 急性睡眠限制会延迟反应时间2., 增加事故风险9, 抑制神经系统将新体验编码为记忆10, 限制与衰老和神经退行性疾病有关的神经毒性代谢物从大脑中清除11. 然而，越来越多的工业化人口无法获得充足的睡眠，这一发展归因于生活方式和环境的变化，但尚未完全了解3,12,13. 同时，由于人为气候变化和城市热岛的扩张，夜间环境温度正在上升14,15. 为了为政策、规划和设计提供信息，需要更多关于限制或促进充足睡眠的环境因素的信息，尤其是室外环境温度所起的作用16,17.   之前关于环境温度对成年人睡眠影响的研究主要局限于短期对照实验室研究或不精确的自我报告调查。人类和其他哺乳动物已经发展出神经生理和行为过程来协调体温调节和睡眠的节律，可能是为了节省能量消耗18.

在人类中，核心体温的最大速率与睡眠开始密切相关，睡眠倾向在核心体温节律的最小值附近达到峰值19,20. 在睡眠开始之前，远端皮肤和四肢的血流量增加，可以冷却核心体温21. 睡眠期间，皮肤和核心体温对环境温度都变得更加敏感，研究表明，当温度在热中性区（人体只能通过调节干热损失（皮肤血流量）来维持核心温度的环境温度范围）之外变热或变冷时，觉醒的持续时间会增加，尽管是在限制人类适应的受控条件下22.   在现实世界中，户外环境温度和气象条件对成年人睡眠的影响知之甚少17. 自我报告研究的证据表明，在温暖的天气中，睡眠不足的患病率会增加23–26. 其中最大的一项研究汇集了美国全国代表性健康调查的数据，发现每月夜间温度异常升高会增加上个月自我报告的睡眠不足夜数。然而，回顾性自我报告的睡眠结果是出了名的不精确、不可靠，并且已经被证明具有可疑的内在有效性27,28. 因此，环境温度和天气条件是否以及在多大程度上可能影响全球成年人的睡眠持续时间和时间仍然是一个悬而未决的问题。与之前的研究所采用的测量精度和分辨率有限（即使是最大的一项研究也只使用来自一个国家的数据）相比，商用可穿戴设备的全球覆盖范围有望理解人类睡眠的环境决定因素。

在这里，我们利用了一个大规模的睡眠数据集，该数据集包括68个国家近50000人的700多万条重复睡眠记录，使用基于加速度计的健身带连接到智能手机应用程序（图1B，D）。该睡眠数据集复制了既定的年龄、区域间和社会时间睡眠特征（方法，补充表1-2，图1C）。基于加速度计的商用可穿戴设备越来越普遍，尤其适合大规模观测研究29, 与以前的研究设计相比，提供了一些经验优势。来自健身带的原位睡眠测量提供了动态的空间和时间参考信息，以便与不同地理区域的气象数据进行精确合并，从而能够研究温度对睡眠的影响在整个睡眠期内的个体变化。此外，根据标准定义，总睡眠时间的客观测量可用于调查天气是否影响获得短睡眠的概率1..   图1全球天气数据加上健身带每天700多万次的睡眠观察，可以分析可能影响睡眠的环境因素。（A）, 每日全球历史气候学网络（GHCND）绘制的气象站地图。每个蓝点代表一个站。（B）, 世界地图描绘了本研究中健身带用户的国家级计数，涵盖了除南极洲以外的所有大陆的68个国家。用户相对较多的国家呈现出较深的绿色。（C）, 图中显示了2016日历年个人睡眠持续时间与平均值（小时）之间的规律性和动态时间模式。

每个每日测量值对应于活动用户当天夜间睡眠偏差的平均值。反复出现的周末高峰（高于零）和工作日低谷（低于零）反映了成人工作周的时间结构不平衡——工作日睡眠减少在周末因睡过头而得到部分补偿。（D）, 2015年9月至2017年10月两年内收集的夜间睡眠观察的年度总数（百万）。为了研究环境温度是否会改变睡眠行为，我们将夜间睡眠持续时间（总睡眠时间）和时间（睡眠开始和偏移）的适应带观测值与地理位置的气象和气候数据（图1A，B，方法）配对。我们研究四个问题。首先，环境温度会影响人类睡眠的持续时间和时间吗？第二，温度会影响3的概率吗获得一个短暂的睡眠？第三，人口和环境因素是否会降低人类睡眠对环境温度的敏感性？第四，气候变化——通过夜间温度升高——是否会影响未来的睡眠时间？为了检验这第一组问题，我们采用了多变量固定效应面板模型，并对个体进行了重复测量，利用气象变量相对于当地气候规范的外生变化来估计温度和天气暴露对个体睡眠结果的急性影响（方法，补充表5）。本研究的一个进展是，我们的数据集允许我们控制所有稳定的个体特征，并利用人内天气暴露和睡眠结果的波动，以确定夜间温度对我们感兴趣的人水平睡眠结果的因果影响。

重要的是，这种固定效应模型控制了白天时间的变化，从我们的分析中消除了白天的潜在混杂效应（补充表26）。我们验证了我们的主要结论对替代样本纳入标准、气象数据、时间控制和结果测量（方法、SI、补充表5-19、26-27、图2）的稳健性。此外，我们的建模框架控制任何未观察到的固定设备特征，我们确认可穿戴设备的使用周期和频率不会改变我们的主要结果（方法，补充表28-29）。结果我们的分箱温度回归结果表明，夜间环境温度的外源性增加几乎在整个观察温度范围内缩短了成人的睡眠时间（图2A，补充图2）。最低温度超过10°C与睡眠时间的急剧下降有关。平均而言，夜间温度高于25°C时，个体的睡眠时间比5到10°C时缩短了7分钟以上（系数：-7.25，p<0.001）。预计气候变化将继续增加夜间极端温度的幅度和频率，超过最近的历史记录。虽然我们样本中的数据在25°C以上比较稀少，但扩大温度箱的范围表明，与我们样本中最冷的夜晚相比，最热的夜晚>30°C会导致每晚约15分钟的急性睡眠丧失（补充图3，补充表30和31）。夜间温度的升高放大了获得短睡眠的估计概率，这是用睡眠不足的标准定义来衡量的1.. 睡眠不足7小时的概率逐渐增加到10°C，然后以更高的速度增加。

夜间最低温度大于25°C，与5到10°C相比，睡眠不足7小时的概率增加了3.5个百分点。为这种估计的关系提供了尺度，如果对一个晚上100000名成年人的人口进行外推，夜间温度从15°C到20°C到20°C到25°C的均匀变化，将导致另外1100人睡眠不足。相反，低于-5°C的低温环境会降低睡眠不足的可能性。4.图2环境温度升高会缩短人的睡眠时间，增加睡眠不足的可能性。（A）夜间最低温度升高与每个温度箱的平均睡眠时间变化之间的关系图。随着最低温度的升高，当温度超过10°C时，睡眠持续时间会随着直线下降而急剧下降。阴影区域代表95%的置信区间，该置信区间是使用第一行政区划水平上聚集的异方差稳健标准误差计算的。直方图绘制了数百万次睡眠观察中观察到的夜间温度分布。（B） 夜间高于25°C的高温会显著缩短人类的睡眠时间，主要是通过延迟睡眠开始时间和稍微缩短睡眠补偿时间。（C） 夜间温度高于15°C时，睡眠补偿会提前，而低于-10°C的极冷温度会延迟补偿时间。（D） 夜间温度升高到-10°C以上会略微延迟睡眠中期（人类睡眠期的中点），尽管高温下的变化幅度小于伴随的睡眠开始和偏移的变化。

（E）) 在-10°C以上，夜间环境温度升高会延迟整个观察到的温度分布的睡眠开始。（F） 在每个最低温度箱中获得短暂睡眠的概率的预测变化图。当温度升高到5°C以上时，获得短时间睡眠的概率（用三个标准衡量）也会增加。5.我们的结果是可靠的，即使采用了更极端的睡眠不足阈值，包括<6小时和<5小时，也表明随着温度升高，总睡眠时间的边际损失会使人睡眠不足（图2F，补充表8和9）。此外，由于之前来自手机通话数据汇总的证据表明，人们可能会通过午睡来弥补夏季季节性睡眠减少的影响，因此我们检查了我们的主要结果，以24小时睡眠时间取代夜间睡眠时间是否可靠30. 与总睡眠时间可能保持不变的假设相反，我们发现，在我们的样本中，包括白天睡眠实际上略微增加了温度对个体睡眠损失的影响大小（补充表5、25）。我们发现，人类的睡眠对整个温度范围内的环境温度升高很敏感，这与之前的实验研究不同，之前的实验研究发现，在高环境温度和低环境温度下，睡眠都会减少22, 尽管它扩展了其他观察性、自我报告研究的发现23,26. 在现实环境中，人类似乎更善于适应周围环境，以便在较冷的条件下获得充足的睡眠，而睡眠损失随着环境温度的升高而增加。由于其他气象因素也可能影响睡眠，我们使用我们的主要灵活模型规范（方法，Eq。

1b）估计人类睡眠对天气变化的反应。随着白天最高温度值和夜间最低温度值（tmax-tmin）之间日间温度范围的变化，睡眠减少进一步增加。由于我们指定的模型控制了其他天气变量，包括云量和相对湿度，两种合理的解释是室内环境可能会保留白天获得的热量，或者白天的热量可能会带来延长到睡眠期的生理需求。相比之下，高水平的降水、风速和云量都会略微增加睡眠时间（补充图1）。与中度相对湿度相比，低湿度和高湿度都会减少睡眠，前者会导致更严重的睡眠减少。为了研究整个睡眠周期对温度驱动的睡眠丧失的反应，我们构建了独立的灵活模型来预测睡眠开始、睡眠中期和偏移时间。根据这些综合估计，我们说明，气温升高主要通过睡眠开始时间的较大延迟和睡眠补偿时间的适度提前来压缩人类的睡眠时间。当最低温度上升到-10°C以上时，睡眠开始的延迟会缩短睡眠时间（图2A，C-E），并略微延迟睡眠中期。相比之下，当温度超过15°C时，夜间温度会增加提前睡眠补偿时间。与5-10°C相比，最低温度超过25°C的夜间睡眠延迟约6分钟（系数：5.92，p<0.001），提前睡眠补偿延迟约2.5分钟（系数：-2.51，p<0.001）。因此，夜间温度升高时，睡眠持续时间的大幅度下降是由睡眠开始的延迟和睡眠补偿的进展共同驱动的，这会缩短人类的睡眠周期，并略微延迟睡眠中期（补充表12）。6.无花果