Lys og menneskets biologi

Lys er den viktigste tidsgiveren for å kontrollere døgnrytmen vår. Dagslys er derfor viktig for at vi skal føle velvære. Kaldhvite bølgelengder i lyset undertrykker melatoninutskillelsen.

Menneskets syn og hormonsystem. Lys treffer øyet og signaler sendes fra netthinnen til hjernens synssentrum og nucleus suprachiasmaticus. Den meste effektive vinkelen for lyseksponering som treffer gangliecellene maksimalt er over horisonten. Kilde: Licht.de

I flere tiår har forskere studert den biologiske virkningen av lys. Men først i 2002 oppdaget de ganglieceller i netthinnen som ikke brukes til å se. De nyidentifiserte cellene reagerer svært sensitivt på synlig blått lys, og sørger for å synkronisere den biologiske klokken i kroppen med den eksterne dag/natt-syklusen. 

Netthinnen i menneskeøyet har tre lysreseptorer: Tapper som er fargesensitive, staver som er følsomme for svakt lys, og ganglieceller som oppfatter blått lys.

En viktig funksjon i den biologiske klokken er produksjon av hormonet melatonin – et såkalt «søvnhormon». Dette hormonet produseres i konglekjertelen i ulik mengde avhengig av tiden på døgnet. Melatonin utskilles om natten og har minimale nivåer på dagtid. En sterkere undertrykkelse av melatonin forårsaket av lyseksponering sammenfaller ofte med en økende følelse av våkenhet og større oppmerksomhet. 

Hormonelle impulsgivere
Gangliecellene sender signaler til hjernen og regulerer hormonproduksjonen. De tre viktigste hormonene som styrer den biologiske rytmen er:

1. Melatonin gjør deg trøtt, gjør kroppsfunksjonene langsommere og senker aktiviteten, slik at du kan få velfortjent hvile.

2. Kortisol er derimot et stresshormon som produseres fra rundt kl. 3 om natten. Det stimulerer stoffskiftet og programmerer kroppen for dagmodus. 

3. Serotonin har som funksjon å stimulere og motivere kroppen. Mens kortisolnivået i blodet synker i løpet av dagen med en syklus som er motsatt av melatoninnivået, bidrar serotonin til å øke energinivået.




Slik tas Human Centric Lighting i bruk  

Ved installering av Human Centric Lighting er det fire faktorer det er viktig å ta hensyn til: spektrum, intensitet, tidspunkt og varighet, og lysfordeling. Alle bygninger og omgivelser har sine utfordringer. Løsningen må derfor tilpasses nettopp ditt prosjekt for å sikre optimal effekt av HCL.



Spektrum   

Intensitet   

Timing og varighet  

Lysfordeling  

Spektrum

Lys er den strålingen som er synlig for det menneskelige øyet i området 380–780 nanometer. Optisk stimuli registreres i det menneskelige øyet av tre forskjellige tapper som reagerer følsomt på rød, grønn og blå stråling. Men vi oppfatter ikke fargene som like lyse. Farger i det gul-grønne spekteret ved 555 nanometer oppfattes som lysest. Stavene gjør at vi kan se selv i svakt lys. De kan derimot ikke skille mellom farger. Det biologisk effektive området er det blå spekteret rundt 460 nanometer.

Følsomhetskurver i dagslysforhold v(λ), om natten v'(λ) og for døgnsykluseffekter c(λ).

Gangliecellene er mest følsomme for lys ved 480 nanometer (1). Det tilsvarer blått lys. Et tilsvarende hvitt lys vil derfor inneholde en stor porsjon blå bølgelenger og refereres til som kaldhvitt lys, med fargetemperaturer fra 5–6000 kelvin og oppover. Forskning (2) viser at eksponering for lys i den blå delen av spekteret fører til redusert utskilling av melatonin. Vi kan altså si at det kaldhvite lyset som vi finner mye av i sollys og i visse lyskilder, kan bidra til å justere døgnfasen og føre til økt våkenhet, kroppstemperatur og hjerterytme (3). 

Ulike lyskilders fordeling i lysspekteret. Kaldhvitt LED-lys har en høyere andel av blå bølgelengder og påvirker derfor døgnrytmen mer effektivt.



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.


Intensitet

Melatoninundertrykkelsen starter ved 30 lux og mettes ved ca. 1000 lux ved øyenivå. Kunnskapen om at melatoninnivåer mettes ved over 1000 lux ved øyenivå, kan brukes som en retningslinje for maksimalnivåer. Dette tilsvarer en vertikal belysning, eller sylindrisk belysning Ez, på 1000 lux. (Eldre personer med dårligere syn trenger et høyere belysningsnivå.)

I 2019 presenterte Underwriters laboratories (UL) nye anbefalinger for lux-nivåer som sikrer melatoninundertrykkelse. UL anbefaler 254 lux på øyet (målt vertikalt), forutsatt bruk av indirekte lys og en fargetemperatur på 500 kelvin. Hvis fargetemperaturen eller lysfordelingen endres, vil også det anbefalte lux-nivået endres. Glamox tar utgangspunkt i dette når vi tilpasser våre Human Centric Lighting-løsninger.

Underwriters laboratories (UL) anbefaler 254 lux ved øyenivå forutsatt bruk av indirekte lys og en fargetemperatur på 500 kelvin.

Fysiske lover gjør at den horisontale belysningen på arbeidsflaten (ved 0,75 m over gulvnivå) vil være to eller til og med tre ganger høyere enn ved øyenivå. Det kan igjen føre til store utfordringer når det gjelder blending og energiforbruk. Vi anbefaler derfor å redusere lysnivået til maksimalt 250–350 lux ved øyenivå (tilsvarer ca. 750–1000 lux på arbeidsplanet) og heller forlenge eksponeringstiden. Dette reduserer ikke nødvendigvis energiforbruket, men det vil gi bedre belysningsforhold.

Hva er sylindrisk belsyning?

EN 12464-1 skal sikre mer lys på menneskers ansikter for å forbedre forholdene for visuell kommunikasjon. På steder hvor visuell kommunikasjon er viktig, særlig på kontorer, møterom og i undervisningslokaler, bør ikke Ez være under 150 lx med U0 ≥ 0,10. Hvis vi fremstiller menneskers hoder som sylindere, er sylindrisk belysning gjennomsnittet av alt lys (målt i lux) som faller på sylinderen.

Sylindrisk belysning Ez er gjennomsnittet av alt vertikalt lys som treffer en innbilt sylinder. 

Vedlikeholdsfaktor
Lyskildens lumen-vedlikeholdsfaktor (LLMF) for Human Centric Lighting-løsninger bør være på 1,0. Det er fordi en belysningsinstallasjon som er dimensjonert for en Ez på 250–300 lux, vil gi nok lys til å tilfredsstille både kravene til belysning for visuelle oppgaver og ønskede biologiske effekter. Etter hvert vil lumen-effekten reduseres, men den vil fortsatt være tilstrekkelig for å utføre visuelle oppgaver. Konsekvensen er imidlertid at varigheten av lyseksponering som påvirker døgnrytmen, må forlenges for å oppnå samme effekt som i begynnelsen. Ettersom det ikke foreligger noen klare retningslinjer for nivå eller varighet på lumen-vedlikehold, anbefaler vi at LLMF settes så høy som mulig. 

Ez er kanskje ikke den mest nøyaktige erstatningen for belysning ved øyenivå, som er der vi ønsker at lyset skal treffe, men det er en nøktern metode med mange fordeler. Først og fremst er det en målestokk som belysningsplanleggere allerede forstår og bruker. Forholdet mellom Ez målt eller beregnet på et aktivitetsplan 1,2 m over gulvet for sittende personer og arbeidsplassbelysning Em ved 0,75 m, er mellom 1:2 og 1:3. Derfor er belysningen ved øyenivå i de fleste tilfeller mindre enn belysningen ved arbeidsflaten.

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 varighet

Lysets ikke-visuelle effekter påvirkes av tidspunktet på dagen.

Lyset har størst effekt om morgenen. Det forteller nemlig kroppens biologiske klokke at dagen har startet og at kroppens funksjoner skal settes i gang. Og omvendt vil lyset om kvelden føre til at kroppens melatoninproduksjon undertrykkes, slik at det blir vanskeligere å sovne. Eksponering om kvelden før kroppens kjernetemperatur når sitt minimumsnivå (lavpunktet) kan føre til faseforsinkelse, mens eksponering tidlig om morgenen (etter lavpunktet) kan forårsake fasefremskyving. De umiddelbare effektene på våkenheten avhenger imidlertid ikke av tidspunktet på dagen. Effektene på den langsiktige oppmerksomheten er bare betydelige om morgenen (1).

Menneskelig psykologi spiller også en rolle for timing av variasjoner i fargetemperaturen. De foretrukne belysningsinnstillingene kan variere i løpet av dagen. Derfor bør brukerne få mulighet til å tilpasse fargene selv, og helst når risikoen for faseforsinkelse eller fasefremskyving er lavere.

Generelt kan vi si at jo lenger eksponeringstiden er, jo større blir faseforskyvningen (2). Men dette forholdet er ikke nødvendigvis lineært. Folk kan være mer følsomme for lys i den første delen av lyseksponeringen (3). Kortvarig eksponering for sterkt lys kan også forårsake faseforskyvning i døgnrytmen. Rask effekt av skarpt lys på våkenheten avhenger derimot ikke nødvendigvis av varigheten på eksponeringen. I stedet kreves det kontinuerlig eller gjentatt eksponering hvis vi vil bli mer våkne (4).

Derfor er det vanskelig å gi tydelige retningslinjer når det gjelder varighet. Vi må finne et kompromiss mellom personlige preferanser, ønsket faseforskyving og energiforbruk. En arbeidshypotese for våre Human Centric Lighting-installasjoner er å gi fasefremskyndende, blåforsterket skarpt lys tidlig om morgenen for at B-mennesker skal tilbakelegge minimumsnivået for kroppens kjernetemperatur. Og vi anbefaler å gi brukerne tilgang til våkenhetsfremmende lys med moderat varighet i løpet av arbeidsdagen. Det kan innføres ved å kombinere en forhåndsprogrammert belysningssyklus med individuell kontroll over fargetemperatur og dimmenivåer.

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.

Les mer om timingen og varigheten til lys

Tidspunktet på dagen når eksponering for kaldhvitt eller varmhvitt lys finner sted, er viktig fordi det påvirker dagsrytmen. For å forstå dette må vi undersøke kurven for menneskets yteevne. Det vi kaller «lavpunktet» er når hormonproduksjonen og kroppstemperaturen er på sitt laveste. Det skjer vanligvis to timer før vi våkner av oss selv. Så hvis du pleier å våkne kl. 7, så vil lavpunktet være kl. 5. Lyseksponering før lavpunktet vil fremskynde dagsrytmen, mens eksponering etter lavpunktet forskyve den bakover.

Menneskets yteevne i løpet av dagen: Kropp og sinn er mest opplagt rundt kl. 10.00. Lavpunktet er to timer før vi står opp. Det oppstår også et naturlig fall tidlig om ettermiddagen. Lyseksponering før lavpunktet vil faseforskyve dagsrytmen bakover, mens lys etter lavpunktet vil bidra til å fremskynde fasen. 

Menneskets yteevne varierer for de ulike kronotypene. Derfor er også den beste tiden for lyseksponering med døgnrytmeeffekt ulik for hver enkelt.

Menneskelig psykologi spiller også en rolle for timing av variasjoner i fargetemperaturen. De foretrukne belysningsinnstillingene kan variere i løpet av dagen. Derfor bør brukerne få mulighet til å tilpasse fargene selv, og helst når risikoen for faseforsinkelse eller fasefremskyving er lavere.

Vi vet også at i de tidlige morgentimene etter lavpunktet har lyset en sterkere effekt på rytmeforskyvning enn senere på dagen. På grunnlag av dette kan vi stille inn tiden for lyseksponering for å oppnå den ønskede effekten. Men ettersom mennesker har forskjellige kronotyper, må timingen stilles inn med forsiktighet. B-mennesker våkner senere av seg selv enn A-mennesker. Varigheten av syklusen kan også variere fra 23 timer for A-mennesker til kanskje 26 timer for B-mennesker. Vi kan derfor risikere å stimulere B-menneskene med aktiverende lys på feil side av lavpunktet. I kontortiden vil det derfor vanligvis være greit å bruke lyseksponering etter kl. 9 om morgenen. Det vil gjøre det lettere å tilpasse seg mindre dagslys om vinteren.

For folk som jobber nattskift flere netter på rad kan det være nyttig å forskyve rytmen 8 timer bakover for å bli mindre trøtt om natten. Med kunnskapen vi har nevnt ovenfor kan vi oppnå dette ved å eksponere ansatte for kaldhvitt lys i noen timer (avhengig av intensiteten) sent om kvelden eller tidlig om natten. Det vil forskyve kurven bakover i noen dager.

Kaldhvitt lys kan ha en positiv effekt på humøret og følelsen av våkenhet. Effekten er kortvarig, og vil gå over noen minutter etter at eksponeringen er avsluttet. De umiddelbare effektene eksponeringen for skarpt lys har på følelsen av våkenhet, trøtthet og vitalitet, avhenger heller ikke av tidspunktet på dagen. Imidlertid er den langsiktige effekten av eksponering for skarpt lys på oppmerksomheten, sterkest om morgenen. 

Hva med individuelle forskjeller og preferanser? 
Menneskers kronotyper varierer, og det samme gjør de personlige preferansene. Det finnes ingen fasit for «tuneable white»-belysningsløsninger. Det som har en fremragende faseforskyvingseffekt på noen, kan ha negative virkninger for andre. I klasserom, der det er vanskelig å få til individuell tilpasning av belysningen, vil elever og lærere utsettes for samme spektrum, intensitet og eksponering. Dermed kreves det enda bedre planlegging av slike virkemidler. Det samme gjelder åpne kontorlandskap, men her er det enklere å få til individuelle løsninger med personlig tilpasset belysning som bordlamper, stålamper eller pendellamper over hvert arbeidsområde. Belysningsløsninger på industrielle arbeidsplasser og på pasientrom på sykehus kan det også være enklere å tilpasse individuelt.


Fordeling av lys

Gangliecellene i den tredje lysreseptoren er mest sensitive inn mot nesen og i det nedre området av netthinnen. Dette skyldes at øyet tilpasser seg naturlige lysforhold, siden dagslyset kommer inn i øyet ovenfra.

Lys som kommer fra vinkler over 60° i forhold til horisontalplanet og under horisontalplanet, har liten eller ingen effekt på melatoninproduksjonen. Det er fordi de fleste ganglieceller finnes inn mot nesen eller i det nedre området av netthinnen. Lys som kommer fra «riktig» vinkel, må ikke oppfattes som ubehagelig blending.