Valo ohjaa ihmisen biologista kelloa

Valo on vuorokausirytmimme tärkein ohjaaja. Päivänvalo vaikuttaa sen vuoksi hyvinvointiimme merkittävästi. Valon kylmät, valkoiset aallonpituudet estävät melatoniinin erittymistä.



Ihmisen näkö- ja hormonaalinen järjestelmä. Valo tulee silmän sisään ja verkkokalvo lähettää signaaleja aivojen näkökeskukseen sekä suprakiasmaattiseen tumakkeeseen. Gangliosolujen toimintaan vaikuttaa vahvimmin horisontin yläpuolelta tuleva valo. Lähde: Licht.de

Tutkijat ovat tutkineet valon biologisia vaikutuksia jo vuosikymmenien ajan. Kuitenkin vasta 2002 tunnistettiin verkkokalvon gangliosolut, joita ei käytetä näkemiseen. Nämä viimeksi tunnistetut solut reagoivat herkimmin näkyvään siniseen valoon ja asettavat biologisen kellomme, joka synkronoi kehomme ulkoiseen päivä- ja yörytmiin.

Ihmisen silmän verkkokalvossa on kolmenlaisia fotoreseptoreita: värejä tunnistavia tappisoluja, hämärän valon tunnistavia sauvasoluja ja siniselle valolle herkkiä gangliosoluja.

Biologisen kellojärjestelmämme tärkeä tulos on melatoniini-nimisen hormonin eli ”unihormonin” tuotanto. Hormonin tuotanto käpylisäkkeessä vaihtelee kellonajan mukaan. Melatoniinia erittyy yöllä ja sen taso on päivällä erittäin alhainen. Valolle altistuminen estää melatoniinin muodostumista voimakkaammin. Tähän liittyy usein tavanomaista suurempaa valppautta ja huomiokyvyn terävyyttä.

Hormonipulssigeneraattorit
Gangliosolut lähettävät signaaleja aivoihin ja säätelevät sitä kautta hormonituotantoa. Kolme tärkeintä biologista rytmiämme säätelevää hormonia ovat:
1. Melatoniini, joka aiheuttaa väsymystä, hidastaa elimistön toimintaa ja laskee aktiivisuustasoa, jolloin lepääminen helpottuu.
2. Kortisoli on stressihormoni, jonka tuotanto alkaa noin klo 3 aamuyöllä. Se stimuloi aineenvaihduntaa ja ohjelmoi kehon päivätilaan. 
3. Serotoniini stimuloi ja motivoi. Kun veren kortisolitaso laskee päivän mittaan, sen sykli on päinvastainen kuin melatoniinitason. Serotoniini auttaa nostamaan energiatasoja.




Miten ihmislähtöinen valaistus toimii?

Ihmislähtöistä valaistusta suunniteltaessa on kiinnitettävä erityistä huomiota neljään parametriin: spektriin, valaistusvoimakkuuteen, ajoitukseen ja kestoon sekä valonjakoon. Jokaista parametria voidaan muuttaa niin kauan kuin muitakin parametreja säädetään vastaavasti. 



Spektri  

Valaistusvoimakkuus  

Ajoitus ja kesto

Valonjako

Spektri

Valo on ihmisen silmälle näkyvää säteilyä, jonka aallonpituus on 380–780 nm. Ihmisen silmä rekisteröi optisia ärsykkeitä kolmenlaisilla tappisoluilla, jotka reagoivat joko punaiseen, vihreään tai siniseen säteilyyn. Emme kuitenkaan pidä värejä yhtä kirkkaina. Keltavihreän spektrin värit koetaan kirkkaimpina, huipun ollessa 555 nm. Sauvasolujen ansiosta pystymme näkemään hämärässä, mutta ne eivät pysty erottamaan värejä. Biologisesti vaikuttava alue on sininen spektri noin 460-480 nm alueella.

Silmänherkkyyskäyrä päivänvalossa v(λ), hämärässä v'(λ) ja sirkadiaaninen herkkyys c(λ)

Gangliosolut ovat herkimpiä valolle, jonka aallonpituus on 480 nm (1). Tämä vastaa sinistä valoa. Biologisia vaikutuksia aktivoivassa, valkoisessa valossa on tämän vuoksi paljon sinisiä aallonpituuksia, minkä vuoksi sitä sanotaan kylmäksi valkoiseksi valoksi. Sen värilämpötila on vähintään 5000–6000 K. Tutkimukset (2) osoittavat, että spektrin sinisen osan valolle altistuminen vähentää melatoniinin eritystä. Tiivistetysti voidaan sanoa, että kylmä sininen valo, jota on paljon auringonvalossa ja tietyissä valonlähteissä, auttaa vuorokausirytmin ylläpitämisessä ja kasvattaa subjektiivisesti koettua valppautta, elimistön ydinlämpötilaa ja sydämen syketiheyttä (3).

Eri valonlähteiden spektrijakaumia. Kylmässä valkoisessa ledissä on enemmän sinisiä aallonpituuksia, minkä vuoksi se säätää vuorokausirytmiä tehokkaammin.

Lähteet:
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.


Valaistusvoimakkuus

Melatoniinin tuotannon väheneminen alkaa, kun vertikaalivalaistusvoimakkuus on 30 luksia. Ohjeellisena enimmäistasona voidaan käyttää tietoa siitä, että melatoniinitasot saturoituvat, kun valaistusvoimakkuus silmien tasolla on noin 1000 luksia. Tämä vastaa 1000 luksin pystysuoraa tai sylinterivalaistusvoimakkuutta. 

Vuonna 2019 standardointilaitos UL esitteli uuden ohjearvon valaistusvoimakkuudelle, jolla pystytään vähentämään melatoniinin tuotantoa riittävästi sirkadiaanisen rytmin siirtämiseksi. Tämä suositus on 254 luksia (pystysuora valaistusvoimakkuus) valaistustavan ollessa epäsuora ja värilämpötilan ollessa 5000 K. Jos valonjako tai värilämpötila muuttuu, myös suositeltu valaistustaso muuttuu. Glamox käyttää tätä suositusta perustana ihmislähtöisissä valaistusratkaisussa.

UL suosittelema valotaso on 254 luksia epäsuoraa valoa 5000 K värisävyllä. Tämä vastaa 30 %:n melatoniinitason laskua, joka on tarpeeksi sirkadiaanisen rytmin siirtämiseksi.

Fysiikan lakien vuoksi vaakasuuntainen valaistusvoimakkuus työtasolla (0,75 m lattiasta) on 2 tai jopa 3 kertaa suurempi. Tämä puolestaan voi aiheuttaa merkittäviä häikäisyyn ja energiankulutukseen liittyviä haasteita. Suosittelemme sen vuoksi valotason alentamista enintään 250–350 luksiin silmien tasolla (vastaa noin 750-1000 luksia työtasolla) ja ennemmin altistusajan pidentämistä. Tämä ei välttämättä vähennä energiankulutusta mutta parantaa valaistusolosuhteita.

Mitä sylinterivalaistusvoimakkuus tarkoittaa?
EN 12464-1 -standardissa vaaditaan aiempaa enemmän valoa ihmisten kasvoille visuaalisen viestinnän olosuhteiden parantamiseksi. Alueilla, joilla hyvä visuaalinen viestintä on tärkeää, kuten toimistoissa sekä kokous- ja opetusalueilla, Ez-arvon tulisi olla vähintään 150 lx ja U0 ≥ 0,10. Kun ihmisen pään kuvittelee sylinteriksi, sylinterivalaistusvoimakkuus vastaa kaiken sylinteriin kohdistuvan valon keskiarvoa mitattuna lukseina.

Sylinterivalaistusvoimakkuus Ez on kaiken kuvitteelliseen sylinteriin kohdistuvan pystysuuntaisen valon keskiarvo.

Valaistuksen alenemakerroin
Ihmislähtöisten valaistusratkaisujen valovirran alenemakerroin (LLMF) tulisi pitää arvossa 1,0. Tämä johtuu siitä, että jos valaistus mitoitetaan 300–400 luksin Ez-arvolle, valomäärä riittää täyttämään sekä visuaalisen tehtävävalaistuksen että haluttujen biologisten vaikutusten vaatimukset. Lumen-määrä pienenee ajan mittaan mutta riittää edelleen näönvaraisten tehtävien tekemiseen. Tällöin kuitenkin vuorokausirytmiin vaikuttavan valolle altistumisen kestoa on pidennettävä, jotta saavutettaisiin samat vaikutukset kuin alussa. Koska lumen-määrän ylläpitotasoista tai jaksojen kestosta ei ole olemassa selkeitä ohjeita, suosittelemme LLMF:n määrittämistä mahdollisimman suureksi.

Ez ei välttämättä ole tarkin mahdollinen keino arvioida valaistusvoimakkuutta silmien tasolla, jolle haluamme valon tulevan, mutta se on käytännöllinen lähestymistapa, jolla on monia etuja. Tärkein niistä on se, että valaistussuunnittelijat tuntevat ja käyttävät tätä mittaria jo tällä hetkellä. Toimintatasolle 1,2 metriä lattiasta (istuville ihmisille) mitatun tai lasketun Ez -arvon ja työskentelyalueen valaistusvoimakkuuden Em (0,75 m lattiasta) välinen suhde on 1:2 tai 1:3. Silmiin kohdistuu näin ollen useimmiten vähemmän valoa kuin työtasolle.

Lähteet: 
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.


Ajoitus ja kesto

Kellonaika vaikuttaa valon biologisesti vaikuttaviin ominaisuuksiin. 

Valo on tehokkainta aamulla. Se kertoo biologiselle kellollemme, että päivä on alkanut ja että elintoiminnot täytyy aktivoida. Vastaavasti altistuminen valolle illalla heikentää melatoniinin tuotantoa ja vaikeuttaa nukahtamista. Ilta-aikainen altistuminen (ennen elimistön lämpötilan minimiarvon saavuttamista) voi aiheuttaa vuorokausirytmin jätättämistä, kun taas altistuminen varhain aamulla (elimistön lämpötilan minimiarvon jälkeen) voi aiheuttaa vuorokausirytmin edistämistä. Välittömät vaikutukset valppauteen kuitenkin ovat samat kellonajasta riippumatta. Pitkäkestoiset valppauteen kohdistuvat vaikutukset ovat merkittäviä vain aamulla (1).

Myös ihmisen psykologialla on merkitystä värilämpötilan vaihtelujen ajoituksessa. Suositeltavat valoasetukset voivat vaihdella kellonajan mukaan. Käyttäjillä pitäisi sen vuoksi olla mahdollisuus säätää värejä itse, mieluiten aikoina, jolloin vuorokausirytmin jätättämisen tai edistämisen riski on pieni.

Peukalosääntönä voidaan todeta, että mitä suurempi altistumisaika on, sitä suurempi on vuorokausirytmin siirtymä (2). Tämä suhde ei kuitenkaan aina ole lineaarinen. Jotkut ihmiset saattavat olla herkempiä valolle valoaltistuksen ensimmäisessä vaiheessa (3). Myös lyhytkestoinen altistus kirkkaalle valolle voi aiheuttaa vuorokausirytmin siirtymistä. Kirkkaan valon välittömät vaikutukset subjektiivisesti koettuun valppauteen eivät kuitenkaan välttämättä riipu altistuksen kestosta. Aktivointiin tarvitaan jatkuvaa tai toistuvaa altistusta (4). Kestoa koskevien selkeiden ohjeiden laatiminen on tämän vuoksi vaikeaa. Valinta on kompromissi henkilökohtaisten mieltymysten, halutun vuorokausirytmin siirtymän ja energiankulutuksen välillä. Pyrkimyksenämme ihmislähtöisissä valaistusratkaisuissa on tarjota runsaasti sinistä sisältävää, kirkasta valoa aamupäivän loppupuolella, jotta yökyöpelitkin ehtivät ohittamaan elimistönsä lämpötilaminimin.  Suosittelemme myös, että käyttäjille annetaan mahdollisuus käyttää valppautta lisäävää valoa työpäivän aikana kohtalaisen pituisina jaksoina. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi yhdistämällä valmiiksi ohjelmoituun valaistussykliin mahdollisuus säätää värilämpötilaa ja himmennystasoja yksilöllisesti.

Lähteet:
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.

Lisätietoa ajoituksesta ja kestosta

Kylmälle valkoiselle tai lämpimälle valkoiselle valolle altistumisen kellonaika on tärkeä, koska se vaikuttaa päivärytmiin. Asian ymmärtämiseksi täytyy tutustua ihmisen suorituskykykäyrään. Kutsumme ”aallonpohjaksi” kohtaa, jossa hormonituotanto ja elimistön lämpötila ovat alimmillaan. Näin tapahtuu yleensä kaksi tuntia ennen luontaista heräämisaikaa. Jos luontainen heräämisaikasi on klo 7, aallonpohja on klo 5. Altistuminen valolle ennen aallonpohjaa siirtää vuorokausirytmiä eteenpäin, kun taas altistuminen aallonpohjan jälkeen siirtää sitä taaksepäin.

Ihmisen suorituskykykäyrä: keho ja mieli ovat terävimmillään noin klo 10 aamulla. Toimintakyky on alhaisimmillaan noin kaksi tuntia ennen heräämistä. Toimintakyky putoaa hetkellisesti myös iltapäivän alkupuolella. Altistuminen valolle ennen toimintakyvyn alhaisinta hetkeä siirtää päivärytmiä myöhemmäksi, kun taas altistuminen valolle toimintakyvyn alhaisimman hetken jälkeen aikaistaa rytmiä.

Ihmisen suorituskykykäyrä vaihtelee riippuen kronotyypistä. Tämän takia myös optimaalinen valoaltistuksen ajoitus vaihtelee.

Myös ihmisen psykologialla on merkitystä värilämpötilan vaihtelujen ajoituksessa. Suositeltavat valoasetukset voivat vaihdella kellonajan mukaan. Käyttäjillä pitäisi sen vuoksi olla mahdollisuus säätää värejä itse ja mieluiten sellaisina aikoina, jolloin vuorokausirytmin jätättämisen tai edistämisen riski on pieni.

Tiedämme, että ensimmäisinä aallonpohjaa seuraavina tunteina annetulla valolla on voimakkaampi vaikutus rytmin siirtymiin kuin myöhemmin päivällä. Voimme tämän tiedon perusteella asettaa tarkasti valolle altistumisen ajankohdan, jotta saavutetaan haluttu vaikutus. Koska ihmisten kronotyypit kuitenkin vaihtelevat, ajoitus on valittava huolellisesti. ”Yökyöpelien” heräämisaika on myöhäisempi kuin ”aamuvirkkujen”. Myös syklin kesto saattaa vaihdella esimerkiksi aamuvirkun 23 tunnista yökyöpelin 26 tuntiin. Vaarana voi näin ollen olla, että yökyöpelien rytmi menee sekaisin, jos valo aktivoidaan aallonpohjan väärällä puolella. Normaalina toimistoaikana voidaan käyttää peukalosääntönä valolle altistamista klo 9 alkaen. Tämä auttaa mukautumaan talvisin tavanomaista vähäisempään päivänvaloon.

Jos työntekijä on yövuorossa useiden päivien ajan, rytmiä voi olla hyödyllistä siirtää 8 tuntia taaksepäin, jolloin uneliaisuus yöllä vähenee. Edellä mainittujen tietojen avulla tämä voidaan saavuttaa altistamalla työntekijä kylmälle valkoiselle valolle myöhään illalla tai alkuyöstä muutaman tunnin ajaksi (valaistusvoimakkuuden mukaan vaihdellen). Tällöin aktiivisuuskäyrä siirtyy taaksepäin muutaman päivän aikana.

Sininen valo saattaa vaikuttaa myönteisesti subjektiivisesti koettuun valppauteen ja mielialaan. Vaikutus alkaa nopeasti ja menee ohi muutamassa minuutissa altistumisen päättymisestä. Nämä kirkkaalle valolle altistumisen välittömät vaikutukset subjektiivisesti koettuun valppauteen, väsymykseen ja elinvoimaisuuteen eivät vaihtele kellonajan mukaan. Kirkkaalle valolle altistumisen vaikutus pitkäkestoiseen tarkkaavaisuuteen on kuitenkin voimakkainta aamulla.

Entä yksilölliset erot ja mieltymykset?  
Erilaisten kronotyyppien lisäksi myös ihmisten mieltymykset vaihtelevat. Ihmislähtöiseen valaistukseen ei ole olemassa yleispätevää ratkaisua. Järjestelmä, josta on yhdelle hyötyä vuorokausirytmin siirron suhteen, saattaa vaikuttaa toiseen kielteisesti. Tiloissa, joissa valaistuksen yksilöllinen mukauttaminen on vaikeampaa, kuten luokkahuoneet, on suunnitteluun kiinnitettävä erityistä huomiota. Sama pätee avokonttoreihin, vaikka yksilölliset säädöt ovat niissä helpommin toteutettavissa. Niissä voidaan käyttää henkilökohtaisia valaisimia, kuten erillisiä työpistevalaisimia, siirrettäviä lattiavalaisimia tai riippuvalaisimia kunkin työpisteen yläpuolella. Myös teollisuuden työpisteiden ja sairaaloiden potilashuoneiden valaistusratkaisuja voi olla helpompi säätää yksilöllisesti.



Valonjako  

Vuorokausirytmiin vaikuttavat reseptorit ovat erityisen herkkiä verkkokalvon alaosassa, joten hieman yläviistosta tuleva valo on kaikkein tehokkainta biologisen vaikutuksen saamiseksi. Tämä johtuu siitä, että silmä mukautuu luonnollisiin valaistusolosuhteisiin, koska päivänvalo tulee silmään ylhäältä.

Valolla, joka tulee yli 60 ° suhteessa vaakatasoon tai alaviistosta, on vähän tai ei ollenkaan vaikutusta melatoniinin tuotantoon.  Tämä johtuu siitä, että suurin osa gangliosoluista sijaitsee verkkokalvon alaosassa. ”Oikeasta” kulmasta tuleva valo ei luonnollisesti saa aiheuttaa minkäänlaista kiusahäikäisyä.