Licht und die menschliche Biologie

Das Licht ist der wichtigste Zeitgeber zur Steuerung unseres zirkadianen Rhythmus. Das Tageslicht ist daher ein wichtiger Beitrag zu unserem Wohlbefinden. Die Wellenlängen von kaltem weißem Licht unterdrücken die Melatoninausschüttung.



Das visuelle und hormonelle System des Menschen. Licht tritt in das Auge und Signale werden von der Netzhaut zum Sehzentrum des Gehirns und dem Suprachiasmatischen Nucleus gesendet. Der effizienteste Beleuchtungswinkel für eine maximale Auslösung der Ganglienzellen liegt etwas oberhalb des Horizonts. Quelle: Licht.de

Wissenschaftler haben seit Jahrzehnten die biologischen Auswirkungen des Lichts erforscht. Doch erst 2002 wurden die Ganglienzellen in der Netzhaut entdeckt, die nicht zum Sehen genutzt werden. Die neu entdeckten Zellen reagieren äußerst sensibel auf sichtbares blaues Licht und stellen die biologische Uhr ein, die unseren Körper mit dem äußeren Zyklus aus Tag und Nacht synchronisiert. 

Die Netzhaut des menschlichen Auges enthält drei Fotorezeptoren: farbempfindliche Zapfen, Stäbchen, die auf abgedunkeltes Licht reagieren, und die für blaues Licht empfindlichen Ganglienzellen.

Ein wichtiges Resultat der biologischen Uhr ist die Produktion des Hormons Melatonin, eines „Schlafhormons“. Diese Produktion in der Zirbeldrüse variiert mit der Tageszeit. Melatonin wird nachts ausgeschüttet und hat tagsüber nur ein geringes Niveau. Eine stärkere Melatoninunterdrückung, die durch Lichteinwirkung ausgelöst wird, fällt oft mit einem verstärkten Gefühl von Wachheit und einer dauerhaften Aufmerksamkeit zusammen.

Die hormonalen Impulsgeber
Die Ganglienzellen senden Signale an das Gehirn und regeln die Hormonproduktion. Die drei wichtigsten Hormone, die den biologischen Rhythmus steuern, sind:
1. Melatonin macht Sie müde, verlangsamt die Körperfunktionen und senkt die Aktivität, um dem Körper zur Ruhe zu bringen.
2. Cortisol ist andererseits ein Stresshormon, das etwa ab 3 Uhr morgens produziert wird. Es regt den Stoffwechsel an und programmiert den Körper für den Tageszustand. 
3. Serotonin wirkt als Stimulans und Motivator. Während der Cortisolspiegel im Blut über den Tag abfällt und dabei gegenläufig zum Melatoninspiegel verläuft, hilft das Serotonin dabei, das Energieniveau zu erhöhen.




Implementierung von Human Centric Lighting 

Um eine effiziente Human Centric Lighting-Lösung zu installieren und zu programmieren, müssen vier Parameter sorgfältig beachtet werden: Lichtspektrum, Intensität, Zeitpunkt und Dauer sowie Lichtverteilung. Jeder Parameter kann geändert werden, solange einer oder mehrere der anderen Parameter entsprechend angepasst werden.



Lichtspektrum   

Intensität   

Zeitpunkt und Dauer 

Lichtverteilung 

Lichtspektrum

Licht ist die Strahlung, die für das Auge im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer sichtbar ist. Optische Reize werden im menschlichen Auge durch drei verschiedene Zapfen registriert, die empfindlich auf rote, grüne oder blaue Strahlung reagieren. Doch wir nehmen Farben nicht gleich hell wahr. Farben im gelb-grünen Spektrum bei 555 Nanometer werden am hellsten wahrgenommen. Die Zapfenzellen ermöglichen uns, im abgedunkelten Licht zu sehen. Sie können aber keine Farben unterscheiden. Der biologisch wirksame Bereich ist das blaue Spektrum bei etwa 460 Nanometer. 

Die Empfindlichkeitskurven unter Tageslichtbedingungen v(λ), in der Nacht v'(λ) und für zirkadiane Effekte c(λ)

Die Ganglienzellen sind bei 480 Nanometer am lichtempfindlichsten (1). Dies entspricht blauem Licht. Das entsprechende weiße Licht enthält daher einen großen Anteil an Wellenlängen im Blaubereich und wird als kaltes weißes Licht mit Farbtemperaturen von 5.000 bis 6.000 Kelvin und mehr bezeichnet. Untersuchungen (2) haben gezeigt, dass die Einwirkung von Licht im blauen Teil des Spektrums zu einer geringeren Melatoninausschüttung führt. Kurz gesagt hilft das kalte weiße Licht, das wir häufig im Sonnenlicht und in bestimmten Lichtquellen finden, bei der Einstellung der zirkadianen Phase und führt zu einer höheren subjektiven Aufmerksamkeit, Körperkerntemperatur und Herzfrequenz (3).  

Die Spektralverteilung von verschiedenen Lichtquellen. Kaltes weißes LED-Licht hat einen größeren Anteil an Wellenlängen im Blaubereich und ist daher effektiver bei der Einstellung des zirkadianen Rhythmus.

Quellen 
1 Bailes, H.J. und Lucas, R.J. (2013): Human melanopsin forms a pigment maximally sensitive to blue light (lmax  _479 nm) supporting activation of Gq/11 and Gi/o signalling cascades. Proc. Biol. Sci. 280, 20122987
2 Brainard u. a. (2001): Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor. The Journal of Neuroscience, 21, S. 6405-6412.; Thapan u. a. (2001): An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans. The Journal of Physiology, 535, S. 261-267.
3 Cajohen u. a. (2005): High sensitivity of human melatonin, alertness, thermoregulation, and heart rate to short wavelength light. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 90, S. 1311-1316.


Intensität 

Die Melatoninunterdrückung beginnt bei 30 Lux und ist bei etwa 1.000 Lux auf Augenhöhe gesättigt. Das Wissen, dass der Melatoninspiegel bei über 1.000 Lux auf Augenhöhe gesättigt ist, kann als Richtlinie für Höchststände genutzt werden. Dies lässt sich in eine vertikale Beleuchtung oder zylindrische Beleuchtungsstärke Ez von 1.000 Lux übersetzen. (Ältere Menschen mit verminderter Sehkraft benötigen eine höhere Beleuchtungsstärke.) 

2019 stellte Underwriters Laboratories (UL) neue Empfehlungen für die Beleuchtungsstärke vor, um die Melatoninunterdrückung zu erreichen. Die Empfehlung liegt bei 254 Lux am Auge (vertikal gemessen), wenn indirektes Licht und eine Farbtemperatur von 500 Kelvin verwendet werden. Wenn die Farbtemperatur oder Lichtverteilung geändert werden, verändert sich auch die empfohlene Beleuchtungsstärke. Glamox nutzt dies als Grundlage bei der Anpassung unserer HCL-Lösungen (Human Centric Lighting). 

Die Underwriters Laboratories (UL) empfehlen 254 Lux auf Augenhöhe, wenn indirektes Licht und eine Farbtemperatur von 500 Kelvin verwendet werden.

Aufgrund von physikalischen Gesetzen ist die horizontale Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche (0,75 m über Fußbodenniveau) zwei oder drei Mal höher als auf Augenhöhe. Dies kann jedoch große Herausforderungen im Hinblick auf Blendung und Energieverbrauch bereiten. Unsere Empfehlung ist daher, das Lichtniveau auf höchstens 250 bis 350 Lux auf Augenhöhe (entsprechend ca. 750 bis 1.000 Lux auf der Arbeitsfläche) zu senken und stattdessen die Leuchtdauer zu verlängern. Dadurch wird nicht unbedingt der Energieverbrauch gesenkt, doch die Beleuchtungsbedingungen werden günstiger.

Was ist die zylindrische Beleuchtungsstärke? 
Die Norm DIN EN 12464-1 verlangt mehr Licht auf die Gesichter, um die Bedingungen für die visuelle Kommunikation zu verbessern. In Bereichen, in denen eine gute visuelle Kommunikation von Bedeutung ist – wie etwa in Büros, Sitzungsräumen und Klassenräumen –, sollte Ez nicht weniger als 150 lx sein mit U0 ≥ 0,10. Mit der Vorstellung des Kopfes als Zylinder beschreibt die zylindrische Beleuchtungsstärke den Durchschnitt von allem Licht (gemessen in Lux), das auf den Zylinder fällt. 

Die zylindrische Beleuchtungsstärke Ez ist der Durchschnitt des vertikalen Lichts, das auf einen imaginären Zylinder fällt. 

Wartungsfaktor
Der Lampenlichtstrom-Wartungsfaktor (LLMF) für Human Centric Lighting-Lösungen sollte bei 1,0 liegen. Der Grund hierfür ist, dass eine Beleuchtung, die auf eine Ez von 250 bis 300 Lux dimensioniert ist, genug Licht bietet, um die Anforderungen an die Beleuchtung für die visuellen Aufgaben und den erwünschten biologischen Effekt zu erfüllen. Mit der Zeit wird die Lumenleistung zurückgehen, aber immer noch für die Ausführung der visuellen Aufgaben ausreichen. Die Folge ist jedoch, dass die Dauer der auf den zirkadianen Rhythmus effektiven Lichteinwirkung verlängert werden muss, um die gleichen Effekte wie am Anfang zu erreichen. Da keine klaren Richtlinien für die Lichtstromwartung oder die Dauer vorliegen, empfehlen wir, den LLMF so hoch wie möglich einzustellen. 

Ez ist vielleicht nicht der genaueste Platzhalter für die Beleuchtungsstärke auf Augenhöhe, wo das Licht auftreffen soll, doch es handelt sich um einen pragmatischen Ansatz, der viele Vorzüge hat. Erstens handelt es sich um ein Maß, das die Lichtplaner bereits verstehen und einsetzen. Die Beziehung zwischen Ez, gemessen oder berechnet auf einer Aktivitätsebene 1,20 m über dem Fußboden für sitzende Menschen, und der Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche Em auf 0,75 m liegt zwischen 1:2 und 1:3. Daher ist das Licht am Auge in den meisten Fällen schwächer als das Licht auf der Arbeitsfläche.

Quellen
1
M. Gibbs, S. Hampton, L. Morgan, J. Arendt (2002):  Adaptation of the circadian rhythm of 6-sulphatoxymelatonin to a shift schedule of seven nights followed by seven days in offshore oil installation workers.
2 Smith, Revell & Eastman (2009); Smith und Eastman (2009): Phase advancing the human circadian clock with blue-enriched polychromatic light.


Zeitpunkt und Dauer 

Die nicht-visuellen Effekte des Lichts werden durch die Tageszeit beeinflusst. 

Licht ist morgens am effektivsten. Das Licht zeigt unserer biologischen Uhr, dass der Tag angefangen hat und die Körperfunktionen aktiviert werden müssen. Im Gegensatz dazu sorgt eine Lichteinwirkung am Abend dafür, dass die Melatoninproduktion unterdrückt und es schwerer wird, einzuschlafen. Eine Lichteinwirkung am Abend, bevor die Körperkerntemperatur ihr Minimum erreicht (Tiefpunkt), kann zu einer Phasenverzögerung führen, während eine Lichteinwirkung am frühen Morgen (nach dem Tiefpunkt) ein Vorrücken der Phase verursachen kann. Die akuten Effekte auf die Wachheit sind aber von der Tageszeit unabhängig. Effekte auf die Daueraufmerksamkeit sind nur am Morgen signifikant (1). 

Die menschliche Psychologie spielt ebenfalls eine Rolle bei der Festsetzung von Zeitpunkten für die Farbtemperaturwechsel. Die bevorzugten Lichteinstellungen können mit der Tageszeit variieren. Deshalb sollte den Benutzern die Möglichkeit gegeben werden, die Farben selbst einzustellen – am besten, wenn die Gefahr einer Phasenverzögerung oder eines Vorrückens der Phase geringer ist. 

Eine Faustregel lautet: Je länger die Dauer der Lichteinwirkung ist, desto größer ist die Phasenverschiebung (2). Doch diese Beziehung ist nicht unbedingt linear. Es kann sein, dass Menschen im ersten Teil der Lichteinwirkung lichtempfindlicher sind (3). Kurze Zeiträume mit hellem Licht können ebenso Phasenverschiebungen im zirkadianen Rhythmus induzieren. Sofortige Effekte von hellem Licht auf die subjektive Wachheit hängen jedoch nicht von der Dauer der Lichteinwirkung ab. Stattdessen ist eine dauerhafte oder wiederholte Lichteinwirkung erforderlich, wenn eine Aktivierung bezweckt wird (4). 

Daher ist es schwer, klare Richtlinien im Hinblick auf die Dauer zu geben. Ein Kompromiss zwischen den individuellen Vorlieben, der gewünschten Phasenschiebung und dem Energieverbrauch muss gefunden werden. Eine Arbeitshypothese für unsere Human-Centric-Lighting-Installationen ist, ein phasenbeschleunigendes, blau angereichertes helles Licht am späteren Morgen zu bieten, damit auch Nachteulen den Tiefstand bei der Körperkerntemperatur überschreiten können. Und wir empfehlen, den Benutzern während des Arbeitstags Zugang zu einem die Wachheit fördernden Licht mit mittlerer Dauer zu geben. Dies lässt sich durch eine Kombination aus einem vorprogrammierten Beleuchtungszyklus mit der individuellen Steuerung von Farbtemperatur und Dimmwerten umsetzen.

Quellen
1 Smolders u. a. (2012): A higher illuminance induces alertness even during office hours: findings on subjective measures, task performance and heart rate measures. Physiology & Behavior, 107, S. 7-16.
2 Chang u. a. (2012): Human responses to bright light of different durations. Journal of Physiology, 590, S. 3102-3112.; Dewan u. a. (2011): Light-induced changes of the circadian clock of humans: Increasing duration is more effective than increasing light intensity. Sleep, 34, S. 593-599.
3 St. Hilaire u. a. (2012): Human phase response curve to a 1h pulse of bright white light. Journal of Physiology, 590, S. 3035-3045, und Rimmer u. a. (2000): Dynamic resetting of the human circadian pacemaker by intermittent bright light. American Journal of Physiology - Regulatory Integrative and Comparative Physiology, 279, S. 1574-1579.
4 Vandewalle u. a. (2009): Light as a modulator of cognitive brain function. Trends in Cognitive Sciences, 13, S. 429-438.

Erfahren Sie mehr über Zeitpunkt und Dauer des Lichts

Die Tageszeit für die Einwirkung von kaltem weißem oder warmem weißem Licht ist aufgrund der Auswirkungen auf den täglichen Rhythmus wichtig. Um dies zu verstehen, haben wir die Leistungskurve des Menschen untersucht. Den Punkt, an dem die Hormonproduktion und die Körpertemperatur am tiefsten sind, nennen wir den „Tiefpunkt“. Dies geschieht in der Regel zwei Stunden vor der normalen Aufwachzeit. Wenn Sie normalerweise um 7 Uhr aufwachen, ist der Tiefpunkt um 5 Uhr. Lichteinwirkung vor dem Tiefpunkt verschiebt den täglichen Rhythmus nach vorn, während Licht nach dem Tiefpunkt ihn nach hinten verschiebt.

Leistungskurve des Menschen über den Tag: Körper und Geist sind um 10 Uhr am wachsten. Zwei Stunden vor der Aufwachzeit erreichen sie einen Tiefpunkt. Eine natürliche Delle tritt auch am frühen Nachmittag auf. Lichteinwirkung vor dem Tiefpunkt verschiebt den Tagesrhythmus nach hinten, während Licht nach dem Tiefpunkt einen phasenbeschleunigenden Effekt hat. 

Die menschliche Leistungskurve ist bei verschiedenen Chronotypen unterschiedlich. Daher ist auch der ideale Zeitpunkt für die Einwirkung von zirkadian wirksamem Licht verschieden.

Die menschliche Psychologie spielt ebenfalls eine Rolle bei der Festsetzung von Zeitpunkten für die Farbtemperaturwechsel. Die bevorzugten Lichteinstellungen können mit der Tageszeit variieren. Deshalb sollte den Benutzern die Möglichkeit gegeben werden, die Farben selbst einzustellen – am besten, wenn die Gefahr einer Phasenverzögerung oder eines Vorrückens der Phase geringer ist.

Wir wissen auch, dass Licht in den frühen Stunden nach dem Tiefpunkt einen stärkeren Effekt auf Rhythmusverschiebungen am späteren Tag hat. Mit diesen Erkenntnissen können wir die Zeit für die Lichteinwirkung einstellen, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Aber weil die Menschen verschiedene Chronotypen sind, müssen die Zeitpunkte sorgfältig gewählt werden. „Nachteulen“ haben spätere Aufwachzeiten als Frühaufsteher. Die Dauer des Zyklus kann auch zwischen 23 Stunden für Frühaufsteher und vielleicht 26 Stunden für Nachteulen variieren. Daher besteht die Gefahr, Nachteulen auf der falschen Seite des Tiefpunkts mit aktivierendem Licht zu versorgen. Bei normalen Bürozeiten kann daher eine Lichteinwirkung ab 9 Uhr als Faustregel verwendet werden. Dies hilft den Menschen, sich besser an das geringere Tageslicht in der Winterzeit anzupassen.

Für Arbeitnehmer, die über mehrere Tage in Nachtschichten arbeiten, kann es hilfreich sein, den Rhythmus um acht Stunden nach hinten zu verschieben, um die Müdigkeit während der Nacht zu verringern. In Anbetracht der oben genannten Erkenntnisse kann dies erreicht werden, indem die Arbeitnehmer am späten Abend oder in der frühen Nacht für einige Stunden (abhängig von der Beleuchtungsstärke) einem kalten weißen Licht ausgesetzt werden. Dies verschiebt die Kurve über einige Tage nach hinten. 

Kaltes weißes Licht kann einen positiven Effekt auf die subjektive Wachheit und Stimmung haben. Der Effekt ist plötzlich und verschwindet einige Minuten, nachdem die Lichteinwirkung aufgehört hat. Diese akuten Effekte einer Einwirkung von hellem Licht auf die subjektive Wachheit, Müdigkeit und Vitalität erfolgen ebenfalls unabhängig von der Tageszeit. Der Effekt einer Einwirkung von hellem Licht auf die Daueraufmerksamkeit ist aber am Morgen am deutlichsten. 


Was ist mit den individuellen Unterschieden und Vorlieben?

Nicht nur die menschlichen Chronotypen unterscheiden sich, sondern auch die Vorlieben. Es gibt keine Einheitsgröße, die für alle abstimmbaren weißen Beleuchtungslösungen passt. Was auf einige Personen ausgezeichnete Effekte auf die Phasenverschiebung hat, kann bei anderen negative Effekte erzeugen. In Klassenräumen, in denen sich die Beleuchtung nur schwer individuell anpassen lässt, sind Schüler und Lehrer einem gleichen Spektrum mit einer gleichen Beleuchtungsstärke und Dauer ausgesetzt. Deshalb muss die Planung von solchen Anwendungen noch sorgfältiger vorgenommen werden. Dasselbe gilt für Großraumbüros, doch individuelle Anpassungen lassen sich hier leichter in Form von personalisierter Beleuchtung durch Arbeitsleuchten, freistehenden Leuchtkörpern oder Pendelleuchten über jedem Arbeitsplatz einrichten. Beleuchtungslösungen an Industriearbeitsplätzen und in Krankenzimmern in Krankenhäusern können ebenfalls einfacher individuell eingerichtet werden.

Lichtverteilung 

Die Ganglienzellen des dritten Fotorezeptors sind am empfindlichsten im nasalen und unteren Bereich der Netzhaut. Dies liegt daran, dass sich das Auge an natürliche Lichtbedingungen anpasst, weil das Tageslicht von oben ins Auge eindringt. 

Licht, das in einem Winkel von über 60° zur Horizontalebene und unterhalb der Horizontalebene einstrahlt, hat einen geringen oder überhaupt keinen Effekt auf die Melatoninproduktion. Dies liegt daran, dass sich die meisten Ganglienzellen im nasalen und unteren Bereich der Netzhaut befinden. Licht, das aus dem „korrekten“ Winkel einstrahlt, darf nicht als unangenehm blendend wahrgenommen werden.