Licht en de menselijke biologie

Licht is de belangrijkste tijdgever om ons circadiane ritme te beheersen. Daglicht levert daarom een belangrijke bijdrage aan ons welzijn. Koele witte golflengten in het licht onderdrukken melatonine afgifte.



Bijschrift: Het menselijke visuele en hormonale systeem. Licht komt het oog binnen en signalen worden van het netvlies naar het visuele centrum van de hersenen en suprachiasmatische kern gestuurd. De meest efficiënte lichtbelichtingshoek voor maximale triggering van ganglioncellen is van boven de horizon. Bron: Licht.de

Wetenschappers bestuderen al tientallen jaren de biologische effecten van licht. Maar pas in 2002 ontdekten ze ganglioncellen in het netvlies, die niet werden gebruikt om te zien. De nieuw geïdentificeerde cellen reageren het meest gevoelig op zichtbaar blauw licht en stellen de biologische klok in die ons lichaam synchroniseert met de externe cyclus van dag en nacht.

Bijschrift: Het netvlies van het menselijk oog bevat drie fotoreceptoren: kleurgevoelige kegels, lichtgevoelige staafjes en blauwlichtgevoelige ganglioncellen.

Een belangrijk onderdeel van het biologische kloksysteem is de productie van het hormoon melatonine - een "slaaphormoon". Deze productie in de pijnappelklier varieert met het tijdstip van de dag. Melatonine wordt 's nachts uitgescheiden en heeft overdag een minimaal niveau. Een grotere melatonine-onderdrukking, veroorzaakt door blootstelling aan licht, valt vaak samen met een verhoogd gevoel van alertheid en een verhoogde aanhoudende aandacht.

De hormonale impuls gevers
De ganglioncellen sturen signalen naar de hersenen en reguleren de hormoonproductie. De drie belangrijkste hormonen, die het biologische ritme regelen zijn:
1. Melatonine maakt je moe, vertraagt ​​de lichaamsfuncties en verlaagt de activiteit ten gunste of verdiende rust.
2. Cortisol daarentegen is een stresshormoon dat wordt geproduceerd vanaf ongeveer 3 uur 's nachts. Het stimuleert de stofwisseling en programmeert het lichaam voor de dagmodus.
3. Serotonine werkt als een stimulans en motivator. Terwijl het cortisolniveau in het bloed de hele dag daalt en daardoor contra-cyclisch werkt ten opzichte van het melatoninegehalte, helpt serotonine het energieniveau te verhogen.




Human Centric Lighting implementeren 

Bij het installeren van Human Centric Lighting zijn er vier parameters waar extra aandacht aan moet worden besteed: spectrum, intensiteit, timing & duur en distributie. Om het effect van Human Centric Lighting te optimaliseren, moet de oplossing worden afgestemd op de specifieke behoeften. 



Spectrum   

Intensiteit   

Timing en duur 

Distributie 

Spectrum

Licht is straling die zichtbaar is voor het menselijk oog in het bereik van 380-780 nanometer. Optische stimuli worden in het menselijk oog geregistreerd door drie verschillende kegeltjes die gevoelig reageren op rode, groene of blauwe straling. Maar we zien kleuren niet even helder. Kleuren in het geelgroene spectrum op 555 nanometer worden het helderst waargenomen. De staafjes stellen ons in staat om bij zwak licht te zien. Ze kunnen echter geen kleuren onderscheiden. Het biologisch effectieve bereik ligt het blauwe spectrum rond 460 nanometer.

Bijschrift: De gevoeligheidscurves onder daglichtomstandigheden (λ), in de nacht v'(λ) en voor circadiane effecten c(λ)

De ganglioncellen zijn het meest gevoelig voor licht bij 480 nanometer (1). Dit correspondeert met blauw licht. Het equivalente witte licht zal daarom een groot deel van de blauwe golflengten bevatten en wordt daarom koel wit licht genoemd, met kleurtemperaturen van 5000-6000 Kelvin en hoger. Onderzoek (2) heeft aangetoond, dat blootstelling aan licht in het blauwe deel van het spectrum resulteert in een lagere melatonine uitscheiding. Kortom, we zouden kunnen zeggen dat het koele witte licht, dat we veel van in zonlicht en bepaalde lichtbronnen vinden, zal helpen bij het aanpassen van de circadiane fase en resulteert in een hogere subjectieve alertheid, kernlichaamstemperatuur en hartslag (3).

Bijschrift: De spectrale verdelingen van verschillende lichtbronnen. Koel wit LED-licht heeft een grotere hoeveelheid blauwe golflengten en is daarom effectiever als het gaat om het aanpassen van circadiane ritmes.

Bronnen
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.


Intensiteit

In 2019 presenteerden Underwriters Laboratoria (UL) nieuwe aanbevelingen voor verlichtingssterkte om melatonine onderdrukking te bereiken. De aanbeveling is voor 254 lux op het oog gemeten (verticaal) bij gebruik van indirect licht en een kleurtemperatuur van 5000 Kelvin. Als de kleurtemperatuur of lichtverdeling wordt gewijzigd, verandert ook de aanbevolen verlichtingssterkte. Glamox gebruikt dit als basis bij het maken van onze Human Centric Lighting oplossingen. De melatonine onderdrukking begint bij 30 lux en verzadigt bij ongeveer 1000 lux op oogniveau. Wetende dat het melatoninegehalte bij het oog verzadigd is boven 1000 lux, kan als richtlijn voor het maximale niveau worden gebruikt. Dit vertaalt zich in een verticale verlichtingssterkte, of cilindrische verlichtingssterkte Ez, van 1000 lux. (Oudere mensen met een verminderd gezichtsvermogen hebben een hogere verlichtingssterkte nodig).

Bijschrift: De Underwriters laboratoria (UL) beveelt 254 lux op oogniveau aan, mits het gebruik van indirect licht en een kleurtemperatuur van 5000 Kelvin.

Vanwege fysische wetten zal de horizontale verlichtingssterkte op het werkoppervlak (op 0,75 m boven vloerniveau) 2 of zelfs 3 keer hoger zijn dan op ooghoogte. Dat kan opnieuw grote uitdagingen opleveren in termen van verblinding en energieverbruik. Ons advies is daarom om de verlichtingssterkte te verminderen tot maximaal 250-350 lux op oogniveau (komt overeen met ca. 750-1000 lux op het werkvlak) en liever de blootstellingstijd te verlengen. Dit vermindert niet noodzakelijkerwijs het energieverbruik, maar komt de lichtomstandigheden ten goede.

Wat is cilindrische verlichtingssterkte?
EN 12464-1 roept op tot meer licht op de gezichten van mensen om de omstandigheden voor visuele communicatie te verbeteren. In gebieden waar goede visuele communicatie belangrijk is, vooral in kantoren, vergader- en onderwijsruimten, moet Ez niet minder dan 150 lx zijn met U0 ≥ 0,10. Hoofden van mensen worden voorgesteld als cilinders, de cilindrische verlichtingssterkte is het gemiddelde van al het licht (gemeten in lux) dat op de cilinder valt.

Bijschrift: Cilindrische verlichtingssterkte Ez is het gemiddelde van al het verticale licht dat een denkbeeldige cilinder raakt.

Maintenance factor
De lichtstroomafname (LLMF) voor Human Centric Lighting oplossingen moet op 1,0 worden gehouden. Dit komt omdat een verlichtingsinstallatie met een Ez-waarde van 250 - 300 lux voldoende licht zal hebben om te voldoen aan de vereisten voor zowel visuele taakverlichting als de gewenste biologische effecten. Na verloop van tijd zal de netto lichtstroom verminderen, maar het zal nog steeds voldoende zijn om de visuele taken uit te voeren. Het gevolg is echter dat de duur van de effectieve blootstelling aan het circadiane licht moet worden verlengd om dezelfde effecten te verkrijgen als in het begin. Aangezien er geen duidelijke richtlijnen bestaan over lumenbehoudsniveaus of duurperioden, raden we aan dat de LLMF zo hoog mogelijk wordt ingesteld.

Ez is misschien niet de meest nauwkeurige graadmeter voor verlichtingssterkte op oogniveau, maar het is een pragmatische benadering met veel voordelen. Dit is een waarde, die de lichtontwerper al begrijpt en gebruikt. De relatie tussen Ez gemeten of berekend in een meetvlak 1,2 m boven de vloer voor zittende personen en de verlichtingssterkte Em in het taakgebied op 0,75 m ligt tussen 1:2 of 1:3. Daarom is het de verlichtingssterkte op het oog in de meeste gevallen lager dan de verlichtingssterkte op het werkoppervlak.

Bronnen
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 en duur

Niet-visuele effecten van licht worden beïnvloed door het tijdstip van de dag.

Licht in de ochtend is het meest effectief. Het vertelt onze biologische klok dat de dag is begonnen en dat lichaamsfuncties moeten worden geactiveerd. Omgekeerd zal blootstelling aan licht 's avonds ervoor zorgen, dat de melatonineproductie wordt onderdrukt en het moeilijker wordt om in slaap te vallen. Blootstelling aan licht in de nachts, voordat de kernlichaamstemperatuur zijn minimum bereikt (nadir) kan leiden tot een fasevertraging. Terwijl blootstelling aan licht in de vroege ochtend (na nadir) een fasevooruitgang kan veroorzaken. De acute effecten op alertheid zijn echter niet afhankelijk van het tijdstip van de dag. Effecten op aanhoudende aandacht zijn alleen significant in de ochtend (1).

Menselijke psychologie speelt ook een rol met betrekking tot timing van variaties in kleurtemperatuur. Voorkeursinstellingen voor de verlichting kunnen variëren met het tijdstip op de dag. Daarom moeten gebruikers de mogelijkheid krijgen om de kleuren zelf aan te passen, bij voorkeur wanneer het risico op fasevertraging of vooruitgang lager is.

Een algemene vuistregel is dat hoe groter de blootstellingstijd, hoe groter de faseverschuiving (2). Maar deze relatie is niet noodzakelijk lineair. Het kan zijn dat mensen gevoeliger zijn voor licht in het eerste deel van de blootstelling aan licht (3). Korte duur van blootstelling aan fel licht kan ook faseverschuivingen in circadiane ritmes veroorzaken. Directe effecten van fel licht op subjectieve alertheid zijn echter mogelijk niet afhankelijk van de duur van de blootstelling. In plaats daarvan is continue of herhaalde blootstelling vereist wanneer activering de bedoeling is (4).
Daarom is het moeilijk om duidelijke richtlijnen te geven met betrekking tot de duur. Er moet een compromis worden gemaakt tussen persoonlijke voorkeuren, het gewenste fase verschuivende effect en energieverbruik. Een werkhypothese voor onze Human Centric Lighting installaties is om fase-bevorderend, blauw verrijkt helder licht in de late ochtend te bieden zodat avondmensen hun punt van minimale kernlichaamstemperatuur voorbij zijn. En we adviseren gebruikers toegang te geven tot alertheid-bevorderend-licht gedurende de werkdag, met een gematigde duur. Dit kan worden geïmplementeerd door een voorgeprogrammeerde verlichtingscyclus te combineren met individuele controle over kleurtemperatuur en dimniveaus.

Bronnen
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.

Leer meer over timing en duur van licht.

Het tijdstip van de dag waarop blootstelling aan koel wit of warm wit licht plaatsvindt, is belangrijk vanwege het effect op het dagelijkse ritme. Om dit te begrijpen, moeten we de menselijke prestatiecurve onderzoeken. We noemen het punt waarop de hormoonproductie en lichaamstemperatuur op zijn laagst zijn 'nadir'. Dit gebeurt normaal gesproken twee uur vóór de natuurlijke wektijd. Dus als je natuurlijke wektijd 7 uur is, is Nadir om 5 uur. Blootstelling aan licht voor nadir zal het dagelijkse ritme naar voren schuiven, terwijl blootstelling aan licht na nadir het dagelijkse ritme naar achteren verschuift.

Bijschrift: Menselijke prestatiecurve gedurende de dag: lichaam en geest zijn het meest energiek rond 10 uur 's morgens. Twee uur voor wektijd bereiken we een dieptepunt. Een natuurlijke dip treedt ook op in de vroege middag. Blootstelling aan licht voor nadir verschuift het dagelijkse ritme achteruit, terwijl licht na nadir een fase-bevorderend effect heeft.

Bijschrift: De menselijke prestatiecurve verloopt afwijkend voor verschillende chronotypen. Daarom verschilt de ideale tijd voor blootstelling aan circadiaan effectief licht.

Menselijke psychologie speelt ook een rol bij de timing van kleurtemperatuur variaties. De voorkeursinstellingen, die mensen hebben voor het licht kunnen wijzigen met het tijdstip. Daarom moeten gebruikers de mogelijkheid krijgen om zelf de kleuren aan te passen, bij voorkeur wanneer het risico op fasevertraging of -vooruitgang lager is.


We weten ook dat: licht in de vroege uren na nadir een sterker effect op ritmeverschuivingen geeft dan later op de dag. Dit wetende, kunnen we de tijd instellen voor blootstelling aan licht om het gewenste effect te bereiken. Maar omdat mensen verschillende chronotypes hebben, moet de timing zorgvuldig worden bepaald. Avondmensen (nachtuilen) hebben een latere wektijd dan ochtendmensen (vroege vogels). De duur van de cyclus kan ook variëren van 23 uur voor de ochtendmens tot misschien 26 uur voor de avondmens. Daarom kan men het risico lopen de avondmensen te voeden met activerend licht aan de verkeerde kant van nadir. Voor normale kantooruren kan blootstelling aan licht daarom vanaf 9 uur als vuistregel worden gebruikt. Dit zal mensen helpen zich beter aan te passen aan minder daglicht in de winter.

Voor werknemers die meerdere dagen in nachtdienst werken, kan het nuttig zijn om het ritme 8 uur achteruit te verschuiven om de slaperigheid tijdens de nacht te verminderen. Met behulp van de bovenstaande kennis kan dit worden bereikt door de werknemer in de late avond/vroege nacht een paar uur bloot te stellen aan koel wit licht (afhankelijk van de intensiteit). Dit verschuift de curve een paar dagen achteruit.

Koel wit licht kan een positief effect hebben op subjectieve alertheid en gemoedstoestand. Het effect is plotseling en duurt enkele minuten nadat de blootstelling is beëindigd. Deze acute effecten van blootstelling aan fel licht op subjectieve alertheid, vermoeidheid en vitaliteit zijn ook onafhankelijk van het tijdstip van de dag. Het effect van blootstelling aan fel licht op aanhoudende aandacht is echter het belangrijkst in de ochtend.

Hoe zit het met individuele verschillen en voorkeuren? 
Niet alleen menselijke chronotypes variëren, maar ook hun voorkeuren. Er bestaat geen one-size-fits-all oplossing voor Tuneable White. Wat uitstekende fase verschuivende effecten kan hebben op één persoon, kan negatieve effecten hebben op anderen. In klaslokalen, waar het moeilijker is om de individuele aanpassing van de verlichting in te stellen, ontvangen leerlingen en leraren hetzelfde spectrum, dezelfde intensiteit en belichting. Dit vraagt om nog grotere zorgvuldigheid bij het plannen van deze toepassingen. Hetzelfde geldt voor open kantoren, maar individuele aanpassingen zijn nog steeds eenvoudig te implementeren in de vorm van gepersonaliseerde verlichting zoals bureaulampen, vrijstaande armaturen of pendelarmaturen boven elk werkplek. Verlichtingsoplossingen op industriële werkplekken en patiëntenkamers in ziekenhuizen kunnen ook gemakkelijker individueel worden ingesteld.



Distributie van licht 

De ganglioncellen van de derde fotoreceptor zijn het meest gevoelig in het nasale- en onderste deel van het netvlies. Dit komt doordat het oog zich aanpast aan de natuurlijke lichtomstandigheden, omdat daglicht het oog van bovenaf binnenkomt.

Licht, dat uit hoeken boven 60 ° ten opzichte van het horizontale vlak en onder het horizontale vlak komt, heeft weinig of geen effect op de productie van melatonine. Dit omdat de meeste ganglioncellen in het neus- en ondergedeelte van het netvlies worden geplaatst. Licht dat uit de "juiste" hoek komt, moet niet worden waargenomen als onaangename verblinding.