Ljuset och människans biologi

Ljuset är den viktigaste ”tidsvisaren” som styr vår dygnsrytm. Dagsljuset bidrar alltså starkt till vårt välbefinnande. Kallvita våglängder i ljuset hämmar utsöndringen av melatonin.



Bildtext: Människans visuella och hormonella system. Ljuset når in i ögat och signaler skickas från näthinnan till hjärnans syncentrum och den suprachiasmatiska kärnan (dygnsrytm-centrum). Den mest effektiva ljusexponeringsvinkeln för maximal aktivering av gangliecellerna är ovanför horisontlinjen. Källa: Licht.de

Forskare har studerat de biologiska effekterna av ljus i årtionden. Men det var först 2002 som de upptäckte ganglieceller i näthinnan som inte används för synen. Dessa relativt nyupptäckta celler reagerar mest på synligt blått ljus och styr den biologiska klockan som synkroniserar våra kroppar med den externa tidscykeln, dvs. dag och natt.

Bildtext: Det mänskliga ögats näthinna har tre fotoreceptorer: färgkänsliga tappar, ljuskänsliga stavar och ganglieceller som är känsliga för blått ljus.

Ett av det biologiska klocksystemets viktigaste funktioner är produktionen av hormonet melatonin – ett ”sömnhormon”. Produktionen i tallkottskörteln varierar beroende på tidpunkt på dygnet. Melatonin utsöndras på natten och hålls på minimala nivåer dagtid. Den stora melatoninhämning som utlöses av ljusexponering sammanfaller ofta med en ökad känsla av vakenhet och högre ihållande uppmärksamhet.

Hormonella pulsgeneratorer
Gangliecellerna sänder signaler till hjärnan och reglerar hormonproduktionen. De tre viktigaste hormonerna som styr den biologiska rytmen är:

1. Melatonin som gör dig trött, bromsar kroppsfunktionerna och sänker aktivitetsnivån till förmån för vila.

2. Kortisol är däremot ett stresshormon som börjar produceras runt 03:00 på morgonen. Det stimulerar ämnesomsättningen och ”programmerar” kroppen för dagläge. 

3. Serotonin fungerar som stimulant och motivator. Medan kortisolnivån i blodet sjunker under dagens gång och därigenom agerar kontracykliskt mot melatoninnivån, hjälper serotoninet till att öka energinivåerna.




Installation av Human Centric Lighting 

När man installerar Human Centric Lighting så finns det fyra parametrar som kräver noggrann uppmärksamhet: spektrum, intensitet, tidpunkt och varaktighet samt distribution. Varje byggnad och miljö har sina egna unika utmaningar som måste hanteras i enlighet därmed. För att optimera påverkan av HCL måste lösningen anpassas efter de specifika behoven.



Spektrum   

Intensitet   

Tidpunkt & varaktighet   

Distribution 

Spektrum

Ljus är strålning som är synlig för det mänskliga ögat inom våglängdsintervallet 380–780 nanometer. Optisk stimulans registreras av tre olika sorters stavar i ögat som reagerar på röd, grön och blå strålning. Men vi uppfattar inte färger som lika ljusa. Färger i det gul-gröna spektrumet vid ca 555 nm uppfattas som de starkaste. Stavcellerna gör det möjligt för oss att se i svagt ljus. Däremot kan de inte urskilja färger. Det biologiskt effektiva intervallet är det blå spektrumet runt 460 nm. 

Bildtext: Känslighetskurvor för dagsljusförhållanden v(λ), natt v'(λ) och dygnsrytm c(λ)

Gangliecellerna är känsligast för ljus vid 480 nanometer (1). Det motsvarar blått ljus. Motsvarande vita ljus innehåller därför en stor andel blå våglängder och kallas därför kallvitt ljus, med färgtemperaturer från 5 000–6 000 kelvin och högre. Forskning visar att exponering av ljus i den blå delen av spektrumet leder till lägre utsöndring av melatonin. Man kan kort sagt säga att det kallvita ljuset som finns i solljus och vissa ljuskällor hjälper till att justera fasen i dygnsrytmen och resulterar i en högre subjektiv vakenhet, kroppstemperatur och hjärtfrekvens (3). 

Bildtext: Spektral fördelning av olika ljuskällor. Kallvitt LED-ljus innehåller en högre andel blå våglängder och är därför effektivare när det gäller reglering av dygnsrytmen.

Källa: 
1 Bailes, H.J. och 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

Melatoninhämning börjar vid 30 lux och når maximal nivå när ögat exponeras för cirka 1 000 lux. Vetskapen om att melatonin når maximal nivå när ögat exponeras för över 1 000 lux kan användas som riktlinje för maxnivå. Detta motsvarar en vertikal eller cylindrisk belysningsstyrka Ez på 1 000 lux. (Äldre med nedsatt syn behöver en högre belysningsnivå). Under 2019 presenterade Underwriters Laboratories (UL) nya rekommendationer för lux-nivå för att uppnå melatoninhämning. Rekommendationen är 254 lux på ögat (uppmätt vertikalt) förutsatt att indirekt ljus används med en färgtemperatur på 5000 kelvin. Om färgtemperaturen eller ljusfördelningen ändras, påverkas också den rekommenderade lux-nivån. Glamox utgår från detta när vi anpassar våra lösningar för människoorienterad belysning.

Bildtext: Underwriters laboratories (UL) rekommenderar 254 lux på ögonnivå förutsatt att indirekt ljus med en färgtemperatur på 5000 kelvin används.

De fysiska lagarna gör att den horisontella belysningsstyrkan på arbetsytan (0,85 m över golvnivå) blir 2 eller 3 gånger högre än på ögonnivå. Detta kan innebära svårigheter avseende bländning och energiförbrukning. Vår rekommendation är därför att sänka ljusnivån till högst 250–350 lux i ögonhöjd (motsvarar cirka 750–1 000 lux i aktivitetsplanet) och i stället förlänga exponeringstiden. Detta minskar inte nödvändigtvis energiförbrukningen, men det förbättrar belysningsmiljön.

Vad är cylindrisk belysning?
Belysningsstandarden SS-EN 12464-1 stipulerar mer belysning på människors ansikten för att skapa bättre förutsättningar för visuell kommunikation. I områden där god visuell kommunikation är viktigt, i synnerhet kontors-, mötes- och undervisningslokaler bör Ez inte vara lägre än 150 lux med U0≥ 0,10. Med människans huvud representerat av en cylinder, är den cylindriska belysningsstyrkan genomsnittet av allt ljus (i lux) som träffar cylindern.

Bildtext: Den cylindriska belysningsstyrkan Ez är genomsnittet av allt vertikalt ljus på en imaginär cylinder.

Bibehållningsfaktor
Ljusflödesbibehållningsfaktorn (LLMF) för människocentrerade belysningslösningar bör hållas till 1,0. Detta beror på att en belysningsinstallation som är dimensionerad med Ez på 250–300 lux har tillräcklig ljusstyrka för att uppfylla kraven för både visuell arbetsbelysning och önskad biologisk påverkan. Över tiden minskar det genererade ljusflödet, men är ändå tillräckligt för visuella arbetsuppgifter. Resultatet är däremot att varaktigheten av ljusexponeringen måste förlängas för att uppnå samma effekt på dygnsrytmen. Eftersom det saknas tydliga riktlinjer för bibehållningsfaktorer och varaktighetsperioder för ljusflödet, rekommenderar vi högsta möjliga LLMF.

Ez är kanske inte det bästa instrumentet för mätning av belysningsstyrkan i ögonhöjd, dit ljuset ska nå, men är ändå en användbar metod med många fördelar. Ett viktigt skäl är att detta är ett mått som belysningsdesigners redan förstår och använder. Förhållandet mellan Ez som mäts eller beräknas i ett aktivitetsplan 1,2 m över golvet för sittande personer och arbetsområdets belysningsstyrka Em vid 0,85 m ligger på mellan 1:2 eller 1:3. Det innebär att ljuset i ögonhöjd i regel är svagare än ljuset vid arbetsytan.

Källor 
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.


Tidpunkt och varaktighet

De biologiska effekterna av ljus påverkas av tidpunkt på dygnet.

Ljuset på morgonen har störst effekt. Det talar om för den biologiska klockan att dagen har börjat och att kroppsfunktionerna måste aktiveras. Och tvärtom så har ljusexponering på kvällen en melatoninhämmande effekt som gör det svårare att somna. Exponering av ljus, innan lägsta kroppstemperatur nås (nadir) kan orsaka fasfördröjning, medan exponering tidigt på morgonen (efter nadir) kan förskjuta fasen framåt. Den direkta effekten på vakenhet är däremot beroende av tidpunkten på dygnet. Effekterna på ihållande uppmärksamhet är endast signifikant på morgonen (1). 

Den mänskliga psykologin spelar också en roll när det gäller tidpunkter för variationer i färgtemperatur. Önskade ljusinställningar kan variera beroende på tiden på dygnet. Därför ska användarna ges möjlighet att själva justera färgerna, särskilt under de perioder då det är lägre risk för fasfördröjning eller framflyttning.

En allmän tumregel är ju längre exponeringstid desto större fasförskjutning (2). Men detta förhållande behöver inte nödvändigtvis vara linjärt. Det kan vara så att människor är mer ljuskänsliga under den första fasen av ljusexponeringen (3). Dessutom kan kortvarig exponering av intensivt ljus orsaka fasförskjutningar i dygnsrytmen. De direkta effekterna av intensivt ljus på den subjektiva vakenheten behöver däremot inte vara beroende av exponeringens varaktighet. I stället krävs kontinuerlig eller upprepad exponering när aktivering önskas (4). 

Därför är det svårt att ange tydliga riktlinjer med avseende på varaktighet. En avvägning måste göras mellan personliga preferenser, önskad fasförskjutningseffekt och energiförbrukning. En arbetshypotes för våra människoorienterade belysningslösningar är att aktivera starkt ljus med blå våglängder under förmiddagen för att låta nattugglorna komma ur perioden med låg kroppstemperatur. Vi rekommenderar att användarna får tillgång till vakenhetsstimulerande ljus under arbetsdagen under måttliga tidsperioder. Detta kan implementeras genom att kombinera en förprogrammerad belysningscykel med individuell kontroll över färgtemperatur och intensitetsnivå.

Källor 
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.

Läs mer om ljusets tid och varaktighet

Tidpunkt på dagen för exponering av kallvitt eller varmvitt ljus är avgörande eftersom det påverkar dygnsrytmen. För att förstå detta måste vi undersöka kroppens prestationskurva. Nadir är den punkt då hormonproduktionen och kroppstemperaturen är som lägst. Det infaller normalt två timmar före kroppens naturliga väckningstid. Om din naturliga väckningstid är 07:00, infaller nadir 05:00. Ljusexponering före nadir förskjuter dygnsrytmen framåt, medan exponering efter nadir förskjuter den bakåt.

Bildtext: Människans prestationskurva under dygnet: kropp och själ är i bäst form kl. 10. Två timmar före uppvakning är den som lägst. En naturlig aktivitetsminskning sker också tidigt på eftermiddagen. Ljusexponering före nadir förskjuter dygnsrytmen bakåt, medan exponering efter nadir förskjuter faserna framåt.

Bildtext: Den mänskliga prestationskurvan skiljer sig mellan olika kronotyper. Därför är också tiden för exponering av ljus som påverkar dygnsrytmen också olika.

Den mänskliga psykologin spelar också en roll när det gäller tidpunkter för variationer i färgtemperatur. Önskade ljusinställningar kan variera beroende på tidpunkt på dygnet. Därför ska användarna ges möjlighet att själva justera färgerna, särskilt under de perioder då det är lägre risk för fasfördröjning eller framflyttning.

Vi vet också att ljus under de första timmarna efter nadir ger störst effekt på förskjutning av dygnsrytmen än senare under dagen. Tack vare denna kunskap är det möjligt att ställa in tiden för ljusexponering för att uppnå önskad effekt. Men eftersom människor har olika kronotyper måste tidsinställningen göras med hänsyn till detta. ”Nattugglor” har senare väckningstid än ”morgonlärkor”. Cykelns varaktighet kan dessutom variera mellan 23 timmar hos morgonlärkor och kanske 26 timmar hos nattugglor. Det innebär att det kan vara riskabelt att utsätta nattugglor för aktiverande ljus på fel sida av nadir. För normala kontorstider kan ljusexponering från 09:00 tillämpas som tumregel. Detta hjälper medarbetarna att anpassa sig till mindre dagsljus vintertid.

För medarbetare på nattskift under flera dygn, kan det vara bra att flytta rytmen 8 timmar bakåt för att minska sömnigheten under natten. Med hjälp av kunskaperna ovan kan detta åstadkommas genom att man under några timmar exponerar medarbetarna för svalt vitt ljus under sen kväll/tidig natt (beroende på ljusintensitet). Detta förskjuter kurvan bakåt under några dygn.

Blått ljus kan ha en positiv inverkan på subjektiv vakenhet och humör. Effekten är plötslig och avtar inom några minuter från det att exponeringen har upphört. Dessa direkta effekter av ljusexponering på subjektiv vakenhet, trötthet och vitalitet är också beroende av tiden på dygnet. Däremot har exponering av intensivt ljus störst effekt på ihållande koncentration på morgonen.

Vad gäller för individuella skillnader och preferenser? 
Det är inte bara de mänskliga kronotyperna som varierar, utan även människors individuella preferenser. Det finns ingen belysningslösning som passar alla perfekt. Ett system som ger en person utmärkta fasförskjutningseffekter kan ha en negativ effekt på andra personer. T ex i lektionssalar där det är svårt att ställa in individuella belysningsnivåer – elever och lärare får samma spektrum, intensitet och exponering. Detta kräver extra noggrann planering för dessa typer av lokaler. Detsamma gäller för öppna kontorslandskap, men enskilda anpassningar är fortfarande lättare att genomföra i form av personlig belysning såsom skrivbordslampor, fristående lampor eller pendelarmaturer ovanför varje arbetsstation. Belysningslösningar för industriella arbetsstationer och patientrum i sjukhus kan vara lättare att anpassa individuellt.



Ljusets fördelning 

Ganglioncellerna i den tredje fotoreceptorn är mest känsliga i näthinnans nedre del nära näsan. Detta beror på att ögat anpassar sig till naturliga ljusförhållanden, eftersom dagsljuset kommer in i ögat ovanifrån.  

Ljus som kommer från vinklar över 60° i förhållande till horisontalplanet och under horisontalplanet har liten eller ingen effekt på melatoninproduktionen. Detta beror på att de flesta ganglioncellerna finns i det nedre området av näthinnan nära näsan. Ljus som kommer från den ”rätta” vinkeln får inte uppfattas som obehagligt bländande.