Valgus ja inimbioloogia

Valgus on tähtsaim aja määraja meie ööpäevase rütmi reguleerimisel. Seetõttu on päevavalgusel oluline roll meie heaolus. Valguse külmad valged lainepikkused vähendavad melatoniini sekretsiooni.



Inimese nägemis- ja hormonaalne süsteem. Valgus siseneb silma ja võrkkestalt saadetakse signaale aju nägemiskeskusesse ja suprakiasmaatilisse tuuma. Kõige efektiivsem valguse langemisnurk ganglionrakkude maksimaalseks mõjutamiseks on horisondist kõrgemalt. Allikas: Licht.de

Teadlased on uurinud valguse bioloogilist mõju aastakümneid. Kuid alles 2002. aastal avastati võrkkesta ganglionrakud, mida ei kasutata nägemiseks. Need uued avastatud rakud reageerivad kõige tundlikumalt nähtavale sinisele valgusele ja seavad bioloogilist kella, mis sünkroonib meie keha välise päeva ja öö tsükliga.

Inimese silma võrkkest sisaldab kolme valgusretseptorit: valgustundlikud koonused, hämara valguse suhtes tundlikud kepikesed ja sinise valguse suhtes tundlikud ganglionrakud.

Bioloogilise kella süsteemi põhiline väljund on hormooni melatoniini – unehormooni – produtseerimine. Selle produktsioon käbinäärmes ööpäeva jooksul varieerub. Melatoniini sekretsioon toimub öösel ning selle tase päevasel ajal on minimaalne. Melatoniini suurem supressioon valgusega kokkupuutumisel langeb sageli kokku erksuse ja püsiva tähelepanu tasemete tõusuga.

Hormonaalse rütmi genereerijad
Ganglionrakud saadavad ajju signaale ja reguleerivad hormoonide produktsiooni. Kolm kõige tähtsamat bioloogilist rütmi reguleerivat hormooni on järgmised.

1. Melatoniin tekitab teil väsimuse, aeglustab keha funktsioone ja vähendab aktiivsust, et saada teenitud puhkust.

2. Seevastu kortisool on stressihormoon, mida produtseeritakse alates ligikaudu kella kolmest hommikul. See stimuleerib ainevahetust ja programmeerib keha päevarežiimiks. 

3. Serotoniin toimib stimulandi ja motivaatorina. Kortisooli tase veres langeb päeva jooksul ja see toimib seega melatoniini tasemega vastupidises tsüklis, kuna serotoniin aitab energiatasemeid tõsta.




Human Centric Lighting-i rakendamine 

Tõhusa Human Centric Lighting valgustuslahenduse paigaldamiseks ja programmeerimiseks vajavad neli parameetrit hoolikat tähelepanu: spekter, intensiivsus, ajastus ja kestus ning jaotus Iga parameetrit võib muuta, kui ühte või mitut muud parameetrit on vastavalt kohandatud.



Spekter   

Intensiivsus   

Ajastus ja kestus  

Valgusjaotus  

Spekter

Valgus on kiirgus, mis on inimsilmale nähtav lainepikkuste vahemikus 380–780 nanomeetrit. Inimsilm registreerib optilisi stiimuleid kolme erineva koonusega, mis reageerivad tundlikult punasele, rohelisele või sinisele kiirgusele. Kuid me ei taju värve võrdse eredusega. Kollase-rohelise spektri värve lainepikkusega 555 nanomeetrit tajume kõige eredamatena. Kepikesekujulised rakud võimaldavad meil näha hämara valgusega. Need ei ole aga võimelised värve eristama. Bioloogilise toimega vahemik on sinine spekter lainepikkusega ligikaudu 460 nanomeetrit.

Tundlikkuse kõverad päevavalguse tingimustes v(λ), öösel v’(λ) ja ööpäevase rütmi suhtes c(λ)

Ganglionrakud on kõige tundlikumad valguse suhtes lainepikkusel 480 nanomeetrit (1). See vastab sinisele valgusele. Samaväärne valge valgus sisaldab seetõttu suurt osa sinistest lainepikkustest ja seda nimetatakse seetõttu külmaks valgeks valguseks, värvitemperatuuridega alates 5–6000 kelvinist. Teadusuuringud (2) on näidanud, et kokkupuude spektri sinise osa valgusega vähendab melatoniini sekretsiooni. Lühidalt öeldes aitab külm valge valgus, mida leidub palju päikesevalguses ja teatavates valgusallikates, reguleerida ööpäevast faasi ja loob suurema subjektiivse erksuse, kõrgema basaalkehatemperatuuri ja südame löögisageduse (3).

Valgusallikate spektraaljaotused. Külmal valgel LED-valgusel on rohkem siniseid lainepikkusi ning see on seetõttu efektiivsem ööpäevase rütmi reguleerimisel.

Allikad
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.


Intensiivsus  

Melatoniini produktsiooni vähenemine algab valgustugevusega 30 luksi ja küllastub ca 1000 luksi puhul silmade tasemel. Teadmist, et melatoniini tasemed küllastuvad valgustustihedusega üle 1000 luksi silma tasandil, võib kasutada maksimaalse taseme määramisel. See tähendab vertikaalset valgustust ehk silindrilist valgustustihedust Ez 1000 luksi. (Halvenenud nägemisega eakad vajavad suuremat valgustuse taset.) 2019. aastal avaldas Underwriters Laboratories (UL) uued soovitused valgustuse taseme kohta luksides, mis on vajalik melatoniini produktsiooni vähendamiseks. Soovitatav tase on 254 luksi silma tasandil (vertikaalselt mõõdetuna), kui kasutatakse kaudset valgust ja värvitemperatuuri 500 kelvinit. Kui muudetakse värvitemperatuuri või valguse jaotumist, muutub ka soovitatav tase luksides. Glamox lähtub sellest meie inimesekeskse valgustuse lahenduste kohandamisel.

Underwriters Laboratories (UL) poolt soovitatav tase on 254 luksi silma tasandil (vertikaalselt mõõdetuna), kui kasutatakse kaudset valgust ja värvitemperatuuri 500 kelvinit.

Füüsikaseaduste tõttu on tööpinna horisontaalne valgustus (0,75 m põrandast kõrgemal) 2 või isegi 3 korda suurem kui silma tasandil. See võib tekitada taas suuri probleeme seoses pimestamise ja energiakuluga. Seepärast soovitame vähendada valgustustaseme maksimaalselt 250–350 luksini silma tasandil (vastab ligikaudu 750–1000 luksile töötasandil) ja pigem pikendada valgusega kokkupuute aega. See ei pruugi energiakulu vähendada, kuid parandab valgustustingimusi.

Mis on silindriline valgustustihedus?
EN 12464-1 kohaselt on nõutav suunata rohkem valgust inimeste nägudele, et parandada visuaalse suhtlemise tingimusi. Hea visuaalse suhtlemise vajadustega ruumides, eriti büroodes, koosoleku- ja õpperuumides, ei tohiks Ez olla vähem kui 150 luksi, kui U0 ≥ 0,10. Kui kujutada inimese pead silindrina, on silindriline valgustustihedus kogu silindrile langeva valguse keskmine (luksides mõõdetuna).

Silindriline valgustustihedus Ez on kogu kujuteldavale silindrile langeva vertikaalse valguse keskmine.

Säilivustegur
Human Centric Lighting valgustuslahendustel tuleb hoida lambi valgusvoo säilivustegur 1,0. Põhjuseks on, et kui valgusti mõõt Ez on 250–300 luksi, annab see piisavalt valgust nii visuaalsete tööde valgustamiseks kui ka soovitud bioloogiliste mõjude esilekutsumiseks. Aja jooksul valgusvoog väheneb, kuid on siiski visuaalseteks töödeks piisav. Seetõttu tuleb aga ööpäevast rütmi mõjutava valguse kestust pikendada, et saavutada sama mõju kui algul. Kuna valgusvoo säilimise tasemete ja kestuste kohta selged suunised puuduvad, soovitame seada valgusvoo säilivusteguri võimalikult kõrgeks.

Allikad 
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.


Ajastatus ja kestus

Valguse mittevisuaalsed mõjud sõltuvad päevaajast.

Kõige tõhusam on hommikune valgus. See ütleb meie bioloogilisele kellale, et päev on alanud ja keha funktsioonid tuleb aktiveerida. Seevastu õhtune valgus põhjustab melatoniini produktsiooni vähenemist ja raskendab magamajäämist. Õhtune valgus (enne keha minimaalse basaaltemperatuuri saavutamist) võib põhjustada faasi edasilükkumist, kuid varahommikune valgus (pärast minimaalset temperatuuri) võib faasi varasemaks tuua. Akuutsed mõjud erksusele siiski päevaajast ei sõltu. Mõju tähelepanu püsimisele on oluline ainult hommikuti (1).

Värvitemperatuuri varieerumise ajastamine on seotud ka inimese psühholoogiaga. Eelistatavad valgustusseadistused võivad varieeruda olenevalt päevaajast. Seetõttu tuleb kasutajatel võimaldada seada värvust ise, eelistatavalt aegadel, mil faasi edasilükkumise või varasemaks toomise risk on väiksem.

Üldreegel on, et mida pikem on valgustuse kestus, seda suurem on faasi nihe (2). Kuid see suhe ei pruugi olla lineaarne. Inimesed võivad olla valgustusperioodi alguspoolel valguse suhtes tundlikumad (3). Lühiajaline kokkupuude ereda valgusega võib samuti kutsuda esile ööpäevase rütmi faaside nihkeid. Ereda valguse kohene mõju subjektiivsele erksusele ei pruugi aga valguse kestusest oleneda. Selle asemel tuleb aktiveerimise eesmärgil kasutada pidevat või korduvat valgustust (4).
Seetõttu on raske anda kestuse suhtes selgeid juhiseid. Tuleb leida kompromiss isiklike eelistuste, soovitud faasinihke mõju ja energiakulu vahel. Meie Human Centric valgustite puhul on tööhüpoteesiks, et hilisel hommikul tuleb anda faasi varasemaks toovat, sinisega rikastatud eredat valgust, et öökullid saaksid oma keha basaaltemperatuuri minimaalsest tasemest üle. Soovitame kasutajatele ka tööpäeva jooksul erksust suurendavat valgust mõõdukate kestustega. Selleks võib kombineerida eelprogrammeeritud valgustustsüklit värvitemperatuuri ja hämardi tasemete individuaalse reguleerimisega.

Allikad 

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.

Lisateave valguse ajastatuse ja kestuse kohta

Külma valge või sooja valge valguse kasutamise päevaaeg on tähtis selle mõju tõttu ööpäevasele rütmile. Sellest arusaamiseks peame uurima inimese sooritusvõime kõverat. Madalaimaks punktiks nimetame aega, mil hormoonide produktsioon ja kehatemperatuur on madalaimad. See on tavaliselt aeg kaks tundi enne loomulikku ärkamisaega. Seega, kui teie loomulik ärkamisaeg on kell 7 hommikul, on madalaim punkt kell 5 hommikul. Valguse kasutamine enne madalaimat taset viib ööpäevast rütmi ettepoole, kuid kasutamine pärast madalaimat taset toob seda varasemaks

Inimese sooritusvõime kõver päeva jooksul: keha ja vaim on parimas vormis ligikaudu kell 10 hommikul. Kaks tundi enne ärkamisaega on need madalaimal tasemel. Loomulik langus toimub ka varasel pärastlõunal. Valguse kasutamine enne minimaalset taset viib ööpäevast rütmi ettepoole, kuid valguse kasutamine pärast minimaalset taset toob ööpäevast rütmi varasemaks.

                  
Inimese sooritusvõime kõver sõltub tema kronotüübist. Seega on erinev ka ideaalne aeg ööpäevast rütmi mõjutava valgusega kokkupuutumiseks.

Värvitemperatuuri varieerumise ajastamine on seotud ka inimese psühholoogiaga. Eelistatavad valgustusseadistused võivad varieeruda olenevalt päevaajast. Seetõttu tuleb kasutajatel võimaldada seada värvust ise, eelistatavalt aegadel, mil faasi edasilükkumise või varasemaks toomise risk on väiksem.

Teame ka, et valguse kasutamine esimestel tundidel pärast madalaimat punkti mõjutab rütmi nihkeid tugevamini kui päeva jooksul hiljem. Seda teades võime valguse kasutamise aega hoolikalt valida, et soovitud mõju saavutada. Kuna aga inimestel on erinevad kronotüübid, tuleb aeg määrata ettevaatlikult. Öökullide ärkamisaeg on hilisem kui varastel tõusjatel ehk lõokestel. Ka tsükli kestus võib erineda lõokeste 23 tunnist kuni öökullide ligikaudu 26 tunnini. Seega võib tekkida oht anda öökullidele aktiveerivat valgust madalaima punkti valel poolel. Seega tuleb üldreeglina tavalisel tööajal valgust kasutada alates kella 9 ja sellest hiljem. See aitab inimestel talvisel ajal paremini kohaneda päevavalguse vähenemisega.

Kui töötaja on mitu ööpäeva järjest öises vahetuses, on kasulik viia tema rütm 8 tunni võrra tagasi, et öist unisust vähendada. Eeltoodud teadmisi kasutades võib seda saavutada külma valge valguse kasutamisega töötajal hilisõhtul / öö hakul paari tunni jooksul (olenevalt intensiivsusest). See nihutab kõverat paari päeva jooksul tagasi.

Kuidas mõjutavad seda individuaalsed erinevused ja eelistused?
Varieeruvad mitte ainult inimeste kronotüübid, vaid ka eelistused. Reguleeritava valge valguse lahendused ei sobi kõigile ühtmoodi. Ühele inimesele suurepäraselt mõjuv faasi nihutamine võib mõjuda teistele negatiivselt. Klassiruumis, kus valgustustaseme individuaalset kohandamist on raskem saavutada, saavad õpilased ja õpetajad sama spektri, intensiivsuse ja kestusega valgust. Seetõttu tuleb olla nende kasutusviiside kavandamisel veelgi ettevaatlikum. Sama kehtib avatud büroode puhul, kuid seal on individuaalne kohandamine lihtsam isiklike töövalgustite, statiiviga valgustite või tööjaamade rippvalgustite kaudu. Ka tööstuslike tööjaamade ja haigla patsiendiruumide valgustuslahendusi võib olla lihtsam individuaalselt seada.



Valguse jaotumine 

Kolmanda valgusretseptori ganglionrakud on kõige tundlikumad nina piirkonnas ja võrkkesta alumises osas. See tuleneb silma kohanemisest loodusliku valguse tingimustega, kuna päevavalgus siseneb silma ülalt.

Horisontaaltasandist rohkem kui 60° nurga all kõrgemalt langev valgus ja horisontaaltasandist madalamalt tulev valgus mõjutab melatoniini produktsiooni vähe või ei mõjuta seda. Põhjuseks on, et enamik ganglionrakke asub nina piirkonnas ja võrkkesta alaosas. „Õige“ nurga all langev valgus ei tohi olla tajutav ebamugava pimestamisena.