Lys og biologi

Lyset er den vigtigste “tidsgiver” til styring af vores døgnrytme. Dagslys er derfor vigtigt for vores trivsel. Kolde hvide bølgelængder i lyset dæmper udskillelsen af melatonin.



Billedtekst: Menneskets visuelle og hormonelle system. Lys rammer øjet, og der sendes signaler fra nethinden til hjernens visuelle center og den suprachiasmatiske kerne. Den mest effektive lysvinkel til at aktivere ganglieceller ligger over horisonten. Kilde: Licht.de

Videnskabsfolk har i årevis forsket i lysets biologiske virkninger. Men det var først i 2002, de opdagede gangliecellerne på nethinden, som ikke bruges til at se med. De netop identificerede celler reagerer mest på synligt blåt lys og sætter det biologiske ur, som synkroniserer vores krop med den eksterne cyklus i form af nat og dag.

Billedtekst: Nethinden på et menneskes øje indeholder tre fotoreceptorer: Farvefølsomme kegleceller, stavceller, der er følsomme over for dæmpet lys, og ganglieceller, der er følsomme over for blåt lys.

Det biologiske urs vigtigste produkt er hormonet melatonin – et “søvnhormon”. Denne produktion i pinealkirtlen varierer alt efter tidspunktet på dagen. Melatonin udskilles om natten, og niveauet er minimalt om dagen.  Yderligere dæmpning af produktionen af melatonin via lys falder ofte sammen med øget årvågenhed og mere vedvarende opmærksomhed.

Generatorer af den hormonelle puls
Gangliecellerne sender signaler til hjernen og regulerer hormonproduktionen. De tre vigtigste hormoner, der styrer den biologiske rytme:
1. Melatonin gør dig træt, gør kropsfunktionerne langsommere og sænker aktivitetsniveauet til fordel for velfortjent hvile.
2. Cortisol er et stresshormon, der produceres fra omkring kl. 3 om morgenen. Det stimulerer stofskiftet og programmerer kroppen til den kommende dag.
3. Serotonin fungerer som et stimulerende og motiverende element. Mens cortisolniveauet i blodet falder i løbet af dagen og således modvirker melatoninniveauet, hjælper serotonin med at øge energiniveauet.




Implementering af Human Centric Lighting 

For at installere og programmere en effektiv Human Centric Lighting løsning, kræver 4 parametre opmærksomhed: spektret, intensitet, timing & varighed og fordeling. Hvert parameter kan ændres, så længe en eller flere af de andre parametre ligeledes justeres.




Farvespektret   

Intensitet   

Timing og varighed  

Fordeling  

Farvespektret

Lys er de stråler, der er synlige for det menneskelige øje i en afstand på 380–780 nm.  Optiske stimuli registreres i det menneskelige øje af tre forskellige kegleceller, som reagerer på røde, grønne eller blå stråler. Men vi opfatter ikke farver lige klart. Farver i de gulgrønne spekter ved 555 nm opfattes som klarest. Stavceller gør det muligt for os at se i dæmpet lys. Men de kan ikke skelne farver. Den biologisk effektive afstand for det blå spektrum er ca. 460 nm.

Sensitivitetskurver i dagslys v(λ), om natten v’(λ) og for at påvirke døgnrytmen c(λ)

Gangliecellerne er mest følsomme over for lys ved 480 nm (1). Det svarer til blåt lys. Det tilsvarende hvide lys vil således indeholde en stor andel blå bølgelængder og omtales derfor som koldt hvidt lys med farvetemperaturer fra 5-6.000 kelvin og derover. Forskning (2) har vist, at eksponering for lys i den blå del af spektret resulterer i en lavere udskillelse af melatonin. Kort sagt, det kolde hvide lys, der findes meget af i sollys og visse lyskilder, bidrager til at justere døgnrytmen og resulterer i en højere subjektiv årvågenhed, kropstemperatur og hjerterytme (3). 

Den spektrale fordeling af forskellige lyskilder. Koldt hvidt LED lys har flere blå bølgelængder og er derfor mere effektivt til at rykke døgnrytmen.

Kilder
1 Bailes, H.J. and 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 et al., 2001 Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor. The Journal of Neuroscience, 21, 6405-6412.; Thapan et al., 2001 An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans. The Journal of Physiology, 535, 261-267.
3 Cajohen et al., 2005 High sensitivity of human melatonin, alertness, thermoregulation, and heart rate to short wavelength light. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 90, 1311-1316.


Lysintensitet

Dæmpning af melatonin starter ved 30 lux og stopper ved ca. 1.000 lux i øjenhøjde. Når vi ved, at melatonin topper over 1.000 lux i øjenhøjde, kan det bruges som retningslinje for et maks. niveau. Det kan omformuleres til en vertikal belysning eller cylindrisk belysningsstyrke Ez på 1.000 lux. (Ældre mennesker med nedsat syn har brug for et højere belysningsniveau). 

I 2019 fremlagde Underwriters laboratories (UL) nye anbefalinger for luxniveauet for at opnå melatonindæmpning. Anbefalingen lyder på 254 lux på øjet (målt lodret) under forudsætning af indirekte lys og en farvetemperatur på 500 kelvin. Hvis farvetemperaturen eller lysfordelingen ændres, vil det anbefalede luxniveau også skulle ændres. Glamox bruger dette som basis, når vi tilpasser vores Human Centric Lighting løsninger.

Underwriters laboratories (UL) anbefaler 254 lux i øjenhøjde under forudsætning af indirekte lys og en farvetemperatur på 500 kelvin.

På grund af de fysiske love vil horisontal belysning på en arbejdsoverflade (0,75 m over gulvniveau) være 2 eller endda 3 gange højere end i øjenhøjde. Det kan give store udfordringer med hensyn til blænding og energiforbrug. Vores anbefalinger er derfor at reducere lysniveauet til maks. 250-350 lux i øjenhøjde (svarende til ca. 750-1.000 lux på arbejdsbordet) og i stedet forlænge eksponeringstiden. Det reducerer ikke nødvendigvis energiforbruget, men det vil give bedre lysforhold.

Hvad er cylindrisk belysning?
EN 12464-1 anbefaler mere lys på menneskers ansigter for at forbedre betingelserne for visuel kommunikation. I områder, hvor god visuel kommunikation er vigtig, især på kontorer og i møde- og undervisningslokaler, skal Ez ikke være under 150 lux med U0 ≥ 0,10. Hvis man forestiller sig menneskers hoveder som cylindre, er den cylindriske belysning gennemsnittet af alt det lys (målt i lux), der falder på cylinderen.

Cylindrisk belysningsstyrke Ez er gennemsnittet af alt det vertikale lys, der rammer en imaginær cylinder.

Vedligeholdelsesfaktor

LLMF (Lamp Lumen Maintenance Factor) eller lumenvedligeholdelsesfaktoren for Human Centric Lighting løsninger skal holdes på 1,0. Det er, fordi en belysningsinstallation dimensioneret til en Ez på 250-300 lux, vil have tilstrækkeligt lys til at opfylde kravene med hensyn til både visuel arbejdsbelysning og de ønskede biologiske virkninger. Med tiden vil lumenoutputtet blive mindre men stadig tilstrækkeligt til at udføre visuelle opgaver. Konsekvensen er imidlertid, at eksponeringen for lys, der påvirker døgnrytmen skal forlænges for at opnå samme effekt som i begyndelsen. Da der ikke findes nogen retningslinjer for niveauet af LLMF eller varigheden heraf, anbefaler vi, at LLMF sættes så højt som muligt.

Ez er måske ikke det mest præcise udtryk for belysning i øjenhøjde, hvor vi ønsker, at lyset skal ramme, men det er en pragmatisk tilgang med mange fordele. Den første er, at det er en måleenhed, som belysningsplanlæggeren allerede forstår og bruger. Forholdet mellem Ez målt og beregnet på et aktivitetsniveau 1,2 m over gulvet for mennesker, der sidder ned, og arbejdsområdebelysning Em ved 0,75 m er mellem 1:2 eller 1:3.  Derfor er lyset i øjenhøjde ofte lavere end lyset på arbejdsbordet.

Kilder 
1
M. Gibbsa,b, S. Hamptona, L. Morganb, J. Arendta, 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 and Eastman, 2009 Phase advancing the human circadian clock with blue-enriched polychromatic light.


Timing og varighed

Ikke-visuelle effekter af lys, der ikke danner billeder, påvirkes af tidspunktet på dagen.

Lyset om morgenen er det mest effektive. Det fortæller vores biologiske ur, at dagen er begyndt, og at kropsfunktionerne skal aktiveres. Modsat vil lys om aftenen dæmpe melatoninproduktionen og gøre det sværere at falde i søvn.  Lys om aftenen, inden kropstemperaturen falder til sit minimum (nadir), kan resultere i forsinkelse af døgnrytmen, mens lys tidligt om morgenen (efter nadir) kan rykke døgnrytmen frem. Den umiddelbare indvirkning på årvågenhed er imidlertid uafhængig af tidspunktet på dagen. Effekten på vedvarende opmærksomhed er kun markant om morgenen (1).

Den menneskelige psyke spiller også en rolle med hensyn til timingen af ændringer af farvetemperaturen. Foretrukne belysningsindstillinger kan variere alt efter tidspunktet på dagen. Derfor skal brugerne have mulighed for selv at justere farverne, gerne når risikoen for forsinkelse eller fremrykning af døgnrytmen er lavere.

En tommefingerregel er, at jo længere tid man eksponeres, jo større er ændringen af døgnrytmen (2). Men dette forhold er ikke nødvendigvis lineært. Det kan være, at mennesker er mere følsomme over for lys i begyndelsen af eksponeringen (3). Eksponering for stærkt lys i korte perioder kan også medføre en ændring af døgnrytmen. Øjeblikkelig indvirkning på subjektiv årvågenhed ved klart lys er dog ikke afhængig af varigheden af eksponeringen. I stedet kræves løbende eller gentagen eksponering for at opnå aktivering (4).

Derfor er det svært at give klare retningslinjer med hensyn til varighed. Der skal laves et kompromis mellem personlige præferencer, den ønskede døgnrytmeændring og energiforbruget. En hypotese for vores Human Centric Lighting installationer er at levere blåligt lys sent om morgenen, så natuglerne får mulighed for at nå forbi deres min. kropstemperatur.  Og vi anbefaler at give brugerne adgang til lys, der øger årvågenheden, i moderate tidsrum i løbet af dagen.  Dette kunne implementeres ved at kombinere en forudprogrammeret belysningscyklus med individuel styring af farvetemperaturer og dæmpningsniveauer.

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

Læs mere om timing og varighed

Tidspunktet på dagen, hvor man eksponeres for koldt eller varmt hvidt lys, er vigtigt på grund af dets indvirkning på døgnrytmen. For at forstå det er vi nødt til at undersøge menneskets præstationskurve. Vi kalder det punkt, hvor hormonproduktionen og kropstemperaturen er lavest, for “nadir” . Det er normalt to timer, inden man vågner. Så hvis du normalt vågner kl. 7, er nadir kl. 5. Eksponering for lys inden nadir vil rykke døgnrytmen frem, mens eksponering for lys efter nadir vil rykke den tilbage.

Menneskets præstationskurve i løbet af dagen: Krop og sjæl er i bedst form omkring kl. 10. To timer, inden man vågner, ligger de lavest. Der er også et naturligt dyk tidligt på eftermiddagen. Eksponering for lys inden nadir rykker døgnrytmen tilbage, mens lys efter nadir har en fremrykkende effekt.

Menneskets præstationskurve er forskellig alt efter kronotype. Derfor er det ideelle tidspunkt for eksponering for lys, der påvirker døgnrytmen, også forskelligt.

Den menneskelige psyke spiller også en rolle med hensyn til timingen af ændringer af farvetemperaturen. Foretrukne belysningsindstillinger kan variere alt efter tidspunktet på dagen. Derfor skal brugerne have mulighed for selv at justere farverne, gerne når risikoen for forsinkelse eller fremrykning af døgnrytmen er lavere.

Vi ved også, at lys i de tidlige timer efter nadir giver større indvirkning på døgnrytmen end senere på dagen. Når vi ved det, kan vi omhyggeligt indstille tiden for lyseksponering for at opnå den ønskede effekt. Men da mennesker har forskellige kronotyper, skal timingen være meget præcis. ”Natugler” vågner senere end de morgenfriske. Cyklussens varighed kan også variere fra 23 timer for A-mennesker til måske 26 timer for B-mennesker. Derfor kan man risikere at udsætte B-mennesker for aktiverende lys på den forkerte side af nadir. Inden for normal arbejdstid kan lyseksponeringen fra kl. 9 om morgenen derfor bruges som en tommelfingerregel. Det vil gøre det nemmere at vænne sig til mindre dagslys om vinteren.

For medarbejdere på nathold i flere dage i træk kan det være nyttigt at rykke døgnrytmen 8 timer tilbage for at reducere trætheden om natten. Ved at bruge ovenstående viden kan det opnås ved at eksponere medarbejderen for koldt hvidt lys sent om aftenen/tidligt på natten i et par timer (afhængigt af lysintensiteten). Det vil rykke kurven tilbage over et par dage.

Koldt hvidt lys kan have en positiv effekt på subjektiv årvågenhed og humøret. Effekten er pludselig og går over få minutter, efter at lyset er slukket. Den akutte indvirkning på den subjektive årvågenhed, træthed og vitalitet ved eksponering for stærkt lys er også uafhængig af tidspunktet på dagen. Men effekten af stærkt lys på vedvarende opmærksomhed er mest markant om morgenen.

Hvad med indivuelle forskelle og præferecer?
Det er ikke kun kronotyperne, der er forskellige, men også deres præferencer. Der er ingen standard for justerbare hvide belysningsløsninger. Det, der har god indvirkning på døgnrytmen for nogle, kan have en negativ indvirkning på andre.  I klasseværelser, hvor det er vanskeligere at tilpasse lyset til den enkelte, vil elever og lærere få samme spektrum, intensitet og eksponering. Det betyder, at man skal være endnu mere omhyggelig, når man planlægger belysning. Det samme gælder kontorlandskaber, men individuel tilpasning er stadig nemmere at implementere i form af arbejdslamper, fritstående lamper eller hængelamper over hver arbejdsplads. Belysningsløsninger i industrien og i patientstuer på hospitalet er også nemmere at tilpasse individuelt.



Fordeling af lys 

Gangliecellerne i den tredje fotoreceptor er mest følsomme i den nasale og lavere del af nethinden. Det skyldes, at øjet tilpasser sig de naturlige lysforhold, fordi dagslys rammer øjet ovenfra.

Lyset kommer fra vinkler over 60 grader i forhold til det horisontale niveau, og under det horisontale niveau har det ingen indvirkning på produktionen af melatonin. Det er, fordi gangliecellerne er placeret i den nasale og lavere del af nethinden. Lys, der kommer fra højre, må ikke opfattes som irriterende blænding.