Dialog om dygnsrytm och ljus

Merete: Varför är dygnsrytmen viktig?
Joachim: Dygnsrytm handlar om förutsägbarhet – när ska vi vara aktiva, och när ska vi vila/sova? Människan är skapad för ett förutsägbart mönster av ljus och mörker (dagsljus-nattmörker), och när moderna ljusmönster växlar snabbare än dygnsrytmen kan anpassa sig till detta, så får vi problem med bland annat sömnen och ämnesomsättningen.

Merete: Så vi bör intressera oss för ljusexponeringen under hela dygnet?
Joachim: Ja. Historiskt sett har vi planerat belysning med syftet att vi ska kunna se, men den mänskliga fysiologin fungerar runt en daglig aktivitet av vakenhet och sömn. Under den aktiva fasen (vakenhet), när energiförbrukningen är hög, måste kroppens organ och fysiologiska funktioner vara aktiva och kunna absorbera näringsämnen (produktivitet). Vår kropp behöver en intern synkronisering för att fungera. Kroppens ”inre klocka” (SCN) justerar timingen till den naturliga, 24 timmar långa cykeln av ljus och mörker genom att absorbera ljus från omgivningen. Detta skapar den förutsägbarhet som kroppens inre klocka och vår fysiologiska representation av tid baseras på. Synkroniseringen sker genom ljuskänsliga celler (pRGC) i ögat som är direkt kopplade till den inre klockan (SCN). Signalen överförs till resten av kroppen, främst via hormoner och perifera ”klockor” (klockgener). Ljus är vår starkaste Zeitgeber (tidsgivare), det vill säga den viktigaste parametern för att synkronisera dygnsrytmen (fig. 01). Hur mycket och i vilken riktning den inre klockan (SCN) fasförskjuts beror på ljusets timing, intensitet, varaktighet, spektrum och ljushistorik.

Merete: Vad är ”dygnsrytmljus”?
Joachim: Bra fråga! Oftast beskrivs det som melatoninhämning, det vill säga ”mörkerhormonet”, men det ska ses bredare som begrepp. De icke-visuella aspekterna av ljuset handlar om att ljus och mörker påverkar oss fysiologiskt ända ner på cellnivå, men aspekter som mat, motion och sociala företeelser spelar också roll. Vi måste skilja mellan två typer av visuella förhållanden: synvillkor och synupplevelser, samt mellan två typer av icke-visuella förhållanden: dygnsrytmer (fasförskjutning) och akut icke-cirkadiansk påverkan som tillsammans utgör ljusets effekt på vårt välbefinnande, vår hälsa och våra aktiviteter.

”Ljus är vår starkaste Zeitgeber (tidsgivare), det vill säga den viktigaste parametern för att synkronisera dygnsrytmen ”

Merete: Vi måste alltså både planera ljuset (visuellt) som tidigare och dessutom ta med ljusets icke-visuella aspekter i belysningsplaneringen?
Joachim: Precis!
Merete: Hur kan vi ta reda på vilket ljus olika människor behöver under dygnet och året?
Joachim: Det är de genetiska variationerna i den inre klockan (SCN) som avgör i vilken utsträckning vi till exempel är A-eller B-människor. De flesta är B-människor, och B-människor behöverfasförskjutning varje dag för att synkronisera sin inre klocka (SCN). Därför bör de exponeras för starkt ljus tidigt på dagen. När det gäller timingen för ljusexponeringen ska den förläggas i relation till individens DLMO, det vill säga den tidpunkt när melatoninutsöndringen inleds i mörker. Melatonin används normalt som fasmarkör för dygnsrytmen. Fasresponskurvan (fig 02) beskriver tidpunkten för det ljus man behöver för att fasförskjuta en individ i en given riktning i förhållande till DLMO. Och den beskriver när individen måste undvika ljus för att inte drabbas av fasförskjutning i fel riktning.

Merete: Men jag är ju inte läkare, och jag vill helst inte ”föreläsa” om ljusets hälsoeffekter för människor.
Joachim: Ja men det gör du ju ändå. Om du inte tar ställning riskerar du ju att ljuset påverkar människor på ett olämpligt sätt. I vårt moderna samhälle, där aktiviteter pågår dygnet runt, är problemet att det ljus vi exponeras för ofta är motsatsen till den cykel av ljus och mörker som vi är skapade för.

Merete: Så vad ska vi göra som ljusdesigners?
Joachim: Ni ska komplettera den klassiska belysningsplaneringen med behovsanalyser och beräkningar av de fem kända receptorerna (α-OPIC LUX), inklusive melanopic lux. Det har kommit olika bud om hur dygnsrytmljuset beräknas, men den senaste, och i mina ögon mest användbara metoden, är Lucas toolbox, som räknar om en ljuskällas spektralfördelning till α-opic lux, samt en viktad responsnivå för ögats samtliga receptorer (fig. 03). Eftersom olika ljuskällor påverkar dygnsrytmen på olika sätt kan man räkna ut den cirkadianska effekten med hjälp av denna toolbox. Det är också viktigt att förstå att färgtemperaturen (Kelvin) inte är detsamma som den spektrala ljusfördelningen – färgtemperaturen hör till den visuella uppfattningen av ljus (klassisk belysningsplanering) medan ”dygnsrytmljus” ska planeras utifrån ljusets spektrum.

Merete: Kan jag använda Lucas toolbox för att beräkna den cirkadianska effekten och förstå behovet utifrån fasresponskurvan?
Joachim: Det är för tidigt att säga exakt hur du ska göra, men Lucas toolbox och Melanopic daylight equivalent illuminance (MDEI) är bra verktyg för att beskriva dygnsrytmens komplexitet och ljusets icke-visuella effekter. Melanopic lux är för närvarande det bästa verktyget för att förutsäga förändringar vad gäller melatonin, så det är ett bra ställe att börja på. I framtiden ska vi också titta på samspelet mellan de fem fotoreceptorerna i ögat.

”I vårt moderna samhälle, där ­aktiviteter pågar dygnet runt, är problemet att det ljus vi exponeras för ofta är motsatsen till den cykel av ljus och mörker som vi ar skapade för. ”

Merete: Innebär detta att vi kan beräkna ljusets cirkadianska effekt både i fråga om dagsljuset (ett fönster) och vanliga lampor?
Joachim: Ja, när det gäller dagsljus behöver du känna till glasrutornas spektrala sammansättning, använda Lucas toolbox och komma ihåg att beräkna det på ögat.

Merete: Och hur ligger det till med den andra halvan, det vill säga mörkret?
Joachim: Vi måste minimera ljusföroreningarna och ta hänsyn till den negativa effekten som ljusexponeringen har på kvällar och nätter. Utomhusbelysning bör vara varm, väl avskärmad och bara lysa i den utsträckning som krävs. Det är på detta som fokus ligger internationellt. Det amerikanska läkarförbundet utfärdade till exempel förra året en varning mot kraftig vägbelysning med kallt ljus.

Merete: Hur kan vi sammanfatta det hela?
Joachim: Jag anser att byggherrar och beslutsfattare kommer att bli tvungna att intressera sig för det här. Man måste precisera kraven på ”dygnsrytmbelysning” så att man får rätt belysning i relation till människor, funktioner och behov. Och man måste ställa kvalificerade frågor till och krav på dem som erbjuder ”dygnsrytmbelysning”.

Källor: 1. Stewen W. Lockley & Russell G. Foster; Sleep A Very Short Introduction, Oxford University Press, 2012. p. 121. 2. Hos pattedyr, er den Suprachiasmatiske Nuclei (SCN), placeret i hypothalamus i den forreste del af mellemhjernen identificeret som det primære ’indre ur’. SCN indeholder klokkegener, der gennem et ”negativt feed-back loop” generere en rytme på ca. 24 timer, og for at kroppens døgnrytmer kan times med omverdenen, er der brug for lys-input til at synkronisere det indre ur dagligt.(Lockley & Forster, 2012, p. 19). 3. Khalsa SBS, Jewett ME, Cajochen C, Czeisler CA (2003) A phase response curve to single bright light pulses in human subjects. J Physiol (Lond) 549: 945– 952. doi:10.1113/jphysiol.2003.040477. 4. Zeitzer JM, Dijk DJ, Kronauer R, Brown E, Czeisler CA (2000) Sensitivity of the human circadian pacemaker to nocturnal light: melatonin phase resetting and suppression. J Physiol (Lond) 526 Pt 3: 695–702. 5. Zeitzer JM, Khalsa SBS, Boivin DB, Duffy JF, Shanahan TL, et al. (2005) Temporal dynamics of late-night photic stimulation of the human circadian timing system. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 289: R839–844. doi:10.1152/ajpregu.00232.2005. 6. Czeisler CA, Kronauer RE, Allan JS, Duffy JF, Jewett ME, et al. (1989) Bright light induction of strong (type 0) resetting of the human circadian pacemaker. Science 244: 1328–1333. 7. Chang A-M, Santhi N, St Hilaire MA, Gronfier C, Bradstreet DS, et al. (2012) Human Duration Responses to Bright Light. The Journal of physiology. Available: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22526883.

8. Lockley, SW. et. al., “High Sensitivity of the Human Circadian Melatoning Rhythm To esetting Short Wavelength Light” J Clin Endocrinol Metab, September 2003, 88(9):4502-45-05. 9. Smith, KA., et. al. “Adaptation of Human Pineal Melatonin Suppression by Recent Photic History” J Clin Endocrinol Metab, July 2004, 89(7):3610–3614. 10. Russell G. Foster & Leon Kreitzman; Circadian Rhythms: A Very Short Introduction, Oxford University Press 2017. 11. Smolders, KCHJ; Daytime Light Exposure, 2013 ISBN:978-90-8891-728-8. 12. Anna Wirtz-Justice and Colin Fournier, What is the impact of chronobiology on design, particularly on architecture? World health Design, 2010. 13. Smolders, KCHJ; Daytime Light Exposure, 2013 ISBN:978-90-8891-728-8 p. 3-18. 14. Gennemsnitlig døgnrytme er ca. ~24.2 h (23.6-25.0 h). Czeisler, Ca. et al. ’ Stability, Precision, and Near-24-Hour Period of the Human Circadian Pacemaker’ Science 1999.15. Anna Wirtz Justice; How to measure Circadian rhythms in Humans, MEDICOGRAPHIA, VOL 29, No. 1, 2007. 16. Lancet. 2001 Sep 22;358(9286):999-1005. Health in a 24-h society. Rajaratnam SM(1), Arendt J. 17. Stewen W. Lockley & Russell G. Foster; Sleep A Very Short Introduction, Oxford University Press, 2012. p. 121. 18. I 2001 publicerede Brainard et. al. og Thapan et. al. action Spektra for melatonin suppression, som markør for døgnrytmens påvirkning af lys. Begge forslog responsekurver omkring λmax = 464 nm. Hankins & Lucas rapporterede responsekurver for pRGC opsinet omkring λ = 483 nm i 2002. Bails and Lucas’ beskrev senere i 2013 det relative respons af melanopsin op imod otte bølgelængder henover det visuelle spektrum, til omkring λ = 479nm. I 2002 beskrev Gall and Lapuente en funktion C(λ), på bagrund af data fra Brainard and Thapan λmax = 450 nm, som blev opdateret med en non-linær model af Rea et. al. 2010. En non-linær model blev også foreslået af Gaussian på baggrund af Galls model med en funktion for et Circadisk action spectrum. I 2014 blev Toolboksen fra Lucas et. al. foreslået, som der ”omregner” en lyskildes spektralfordeling til lux, samt et vægtet response-niveau for alle øjets receptorer inkl. Melanoptisk Lux. Dette gjore det muligt at inddrage alle øjets fotoreceptorer i beskrivelsen af de fysiologiseke påvirkninger af lys (Baseret på Khademagha et. al. 2016). 19. Khademagha et. al. Implementing non-image-forming effects of light in the built environment: A review on what we need: Building and Environment pp. 263-272; 2016. 20. Lucas et. al. “Measuring and using light in the melanopsin age” Trends in Neurosciences, vol. 37, 2014. 21. Lockley SW, Brainard GC, and Czeisler CA (2003) High sensitivity of the human circadian melatonin rhythm to resetting by short wavelength light. Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism 88(9): 4502–4505. 22. Link til Toolboks: files.cie.co.at/784_TN003_Toolbox.xls. 23. Nowozin et. al. Applying Melanopic Lux to Measure Biological Light Effects on Melatonin Suppression and Subjective Sleepiness 2017. Curr Alzheimer Res. 2017;14(10):1042-1052. 24. We know, Dr. Michael – øjet er en fremskudt del af hjernen. 25. Marina Giménez, et. al. ‘SSL-erate-report ’ D3.7 REPORT ON METRIC TO QUANTIFY BIOLOGICAL LIGHT EXPOSURE DOSES’ 2016. 26. https://www.ama-assn.org/ama-adopts-guidance-reduce-harm-high-intensity-street-lights. Accessed 29-04-2018

Publicerad den 28 augusti 2018

Ur Ljuskultur Nummer 4, 2018