Cirkadiskt ljus – vad är det och vad behöver vi veta för att göra kompetenta val?

Ljus är avgörande för våra liv

Ljus koordinerar vår inre klocka och vårt beteende till det naturliga ljuset och den mörka cykeln i vår omgivning. Vi spenderar alltmer tid inomhus, och vi inser att både våra beteenden och sömnmönster påverkas av vilken typ av ljus vi utsätts för, när vi utsätts för ljus och hur länge. Ny belysningsteknik vinner terräng och vi ersätter glödlampor med den kraftfulla och mer energieffektiva LED-tekniken. Parallellt har neurovetenskap under de senaste 30 åren revolutionerat vår förståelse av ögats sensoriska bearbetning av ljus. Nya insikter i kopplingen mellan ljuset som träffar våra ögon och de djupa kretsarna i hjärnan som styr vår fysiologi har lett till en omprövning av kopplingen mellan ljus och arkitektur. Belysningstillverkare hänvisar ofta till denna nya insikt sina varumärkesprofileringar, med termer som ”hälsosam belysning”, ”biologiskt ljus”, ”dynamiskt ljus”, ”Human Centric Lighting (HCL),” ”circadian lighting”. Gemensamt för de alla är ljus, som är avsett till att stödja tidskritiska fysiologiska processer såsom synförhållanden (sekunder) och icke-visuell respons (sekunder, minuter, timmar). Vissa tillverkare erbjuder lösningar som vid första anblicken verkar ge svar, men som vid närmare granskning saknar kopplingen och förståelsen av de komplexa fysiologiska kretsar som ljuset påverkar.

Det finns därför ett behov av att belysningsbranschen och forskningen ska försöka samarbeta i en större utsträckning. Detta ses mer och mer i tvärvetenskapliga samarbeten mellan forskning och CIE, som försöker finna samförstånd, och i publikationer som (CIE 026/E: 2018, SSL-erate), och verktygslådor med bruksanvisningar [1-4]. Syftet med den här artikeln är att etablera en faktabaserad och genomförbar grund för att förstå vilka lösningar som kan användas och ställa kompetenta frågor om de belysningsåtgärder som de innehåller.

Fram till nu verkade den gemensamma nämnaren för ”cirkadiskt ljus” vara tidsbegränsade korrigeringar av monotona låga belysningsstyrkor vid användning av dynamiskt ljus. Men vad döljer sig bakom ”cirkadiskt ljus” och varför är det viktigt?

Gränssnitt mellan fotoner och fysiologi

Foton tagna med vår mobiltelefon har blivit en del av våra liv. Ordet ”foto” kommer från ”fotografi”, vilket betyder ”att teckna med ljus”. Namnet avslöjar vad ljus är: fotoner som bär en energiladdning av elektromagnetiska vågor. Varje foton har en distinkt kvantenergi som beror på frekvens; ju högre frekvens, desto mer energi. Den kraftfullaste källan till sådan energi är solen som når oss som dagsljus [5]. Precis som kameran i en mobiltelefon har våra ögon specialiserade celler, fotoreceptorer, som absorberar fotoner och därmed skapar 1) bilder som vi ser, 2) elektrokemiska handlingar som påverkar vår icke-visuella fysiologi. Att vi ser olika färger och nyanser av mörker kan härledas till hur fotoreceptorer fungerar. Deras förmåga att absorbera är inte densamma över hela ljusspektrum (våglängder av ljus), utan bara inom vissa områden, som motsvarar ljusets färg. Ett kontinuerligt spektrum av våglängder produceras av solen, och en förutsägbar cykel med ljus och mörker uppstår när jorden kretsar kring solen (säsonger), och när jorden kretsar kring sin axel (dag/natt = ca 24 timmar: dygnsrytm). Denna komplexitet är viktig för den dygnsrytmen, och är svår att återskapa ens med modern belysningsteknik, trots att det verkar vara målet med cirkadiskt ljus.

Kvaliteten på modern belysningsteknik är mycket annorlunda. I värsta fall aktiveras inte ögats fotoreceptorer på grund av en brist på fotoner inom lämpliga våglängder. Detta kan vara avgörande eftersom vi inte bara kan förlita oss på att vår syn fångar upp bristen på våglängder, då vår syn har utvecklats för att se form och färg, inte frekvensen av fotoner. Den mänskliga fotoreceptionen fungerar via fem typer av receptorer, med delvis överlappande känslighetskurvor, tre typer av tappar, stavar och ipRGC (melanopsin-containing retinal ganglion cells), alla med varierande maximal känslighet med hänsyn till frekvens och intensitet. CIE rekommenderar därför att tillverkare rapporterar ljus enligt känslighetskurvor för de fem receptorerna, vilket gör det möjligt att fastställa ljusingången och jämföra den med var och en av de fem receptortyperna från en given ljuskälla. Detta är det första steget mot att avslöja ljusets biologiska inverkan i en stor skala i den verkliga världen.

Ljusets biologiska effekt

Sedan Nobelpriset i medicin 2017 gick till upptäckten av de molekylära mekanismer som styr vår dygnsrytm, är det tydligt hur viktig den dagliga synkroniseringen av vår inre klocka är, och hur den samarbetar med våra vävnader och organ. Energin som avges av solen är kvantitativt och kvalitativt den viktigaste tidsindikatorn, men många av oss vistas idag i huvudsak i inomhusmiljöer långt in i byggnader, belysta av ett artificiellt ljus med ny teknik. Konsekvensen påverkar väsentligt synkroniseringen av vår dygnsrytm och känsligheten hos nervsändare och hormonsystemet. Det pågår idag en intensiv forskning om dessa system och hur de påverkas av ljus, eftersom det påverkar sättet hur vi vill leva. ”Cirkadiskt ljus” är ett sätt att förutsäga hur naturligt ljus kommer att bidra till de optimala förhållandena i vår fysiologi vid en given tidpunkt och hur den artificiella belysningen kan anpassas till detta. Den bör bidra med tillräckligt spektrum och intensitet för att stimulera våra fotoreceptorer för att kunna absorbera rätt mängd ljus (fotoner) vid rätt tidpunkt. Detta för att vår inre klocka och andra kretsar i hjärnan, som säkerställer att kroppens fysiologiska processer fungerar, ska kunna samarbeta. Faktarutan nedan innehåller en checklista över åtgärder som det cirkadiska ljuset bör adressera.

Belysningsinsatser och ramar för cirkadiskt ljus står inför motsatta krav, beroende på om det är dag eller natt, och relaterade till de visuella uppgifterna vid den givna tidpunkten. Lika viktigt är att ljuset möter de individuella kraven hos användaren och omgivning. ”En storlek passar alla” – och borde göra det – får aldrig vara lösningen. [6]. Ljuslösningar bör omfatta individuella och skräddarsydda lösningar, med dagsljus och fotoperiod, med hänvisning till ljusets riktning och det geografiska läget. Dygnsrytmssystemet för hos individer som lever på högre breddgrader kan utmanas av solens höjd och den stora variationen av ljuset, med korta dagar på vintern och långa på sommaren, kopplat till det moderna sociala livet vi lever. Detta är relaterat till ljusets historia och tidsindikatorns styrka. Ökat dagsljus på dagtid och frånvaron av ljus ­nattetid stärker robustheten i dygnsrytmsystemet samt ljusets förmåga att ­synkronisera kroppens inre klocka [4].

Vad är en rimlig 24-timmars ljusstrategi?

Låt oss börja med att introducera figur 1 som en guide för att förstå termen ”cirkadiskt ljus”. Dygnsrytmsystemet består av zoner inom vilka de specifika egen­skaperna hos ljuset förväntas vara synliga för att aktivera och bibehålla kroppens funktion som att, till exempel anpassa sig till den ­naturliga cykeln med ljus och mörker, och för att stödja vakenhet och sömn. Dessa ­zoner måste ses som sammankopplade, som alla leder tillbaka till varandra och som inkluderar vanliga beteenden (inklusive motion, ätande och sociala färdigheter) och som fungerar som en icke-fotopisk tidsindikator. Figuren bildar en kontur där belysningsegenskaper förväntas tvärs över alla zoner. Glöm inte att ljuset ofta stöder ett antal egenskaper; belysningsupplevelser, uppgiftsspecifika synför­hållanden, såsom att kunna gå säkert i trappor, etc. Varje zons övergripande ­strategi beskrivs nedan:

Zon för sovmiljö: Syftet är att hålla den ljusstyrkan, som når ögat så låg som möjligt. Observera att det inte finns någon nedre gräns för när dygnsrytmsystemet kan aktiveras, därför bör mörkret i sömnmiljö prioriteras. Ljus bör endast användas för att navigera säkert i den mörka omgivningen. Dämpat amberfärgat LED-ljus med längre visuella våglängder (~ 600Nm), som hålls borta från ögonen kommer sannolikt inte att påverka sömnen och kan användas för att säkert navigera i mörkret.

Jämförelse med aktiv zon: Ljuset i denna zon kan accelerera (flytta fram) din inre klocka, oavsett om detta bedöms ha gynnsam eller skadlig effekt. Accelerationens grad beror på tid, intensitet och spektral­fördelning. ­Simulering av gryningen med gradvis ­ökande vitt ljus kan öka uppvaknandet och vakenheten [6] via dygnsrytm­signaler och direkta icke-cirkadiska signaler till olika områden i hjärnan.

Aktiveringszon och tidsindikatorzon: Om önskemålet är att aktivera vakenhet och stabilitet i dygnsrytmsystemet, ­kommer målet att vara att aktivera en ipRGC-­respons (~ 480Nm), utan att ­begränsa det återstående visuella ­spektrum från vilket andra receptorer ­aktiveras. Vid höga ljusstyrkor är det inte nödvändigt att ljuset återger en ”blå boost”. Studier har föreslagit en ­schematisk ramp-funktion för den ­fysiologiska effektiviteten av ljus (CIE ­ljuskälla D55), som ”ungefär motsvarar” en ­molnig himmel, med en värdeavvikelse från 210 – 960 lux på ögat [7]. Ökad belysning dagtid, inklusive dagsljus, samt ökat ljusspektrum, kan jämväl öka vakenhet och reducera sinnets känsla av ”trötthet”.

Vaken till sömn-zon: Ljuset som träffar ögat måste skapa goda synförhållanden, och låta de sömnfrämjande fysiologiska processer att äga rum. Ljus som är rikt på våglängder runt 480Nm (som kan ­aktivera ipRGC) bör undvikas, oavsett intensitet (t. ex. 100 lux), eftersom de kan störa hjärnans aktivitet (alfavågor) i samband med sömn [8]. Det är värt att hålla sig vid det faktum att lysdioderna som har en intensitet på 50 lux vid ögat, som dock har låga våglängder runt 480 Nm, har visat sig vara effektiva för både sömn och synförhållanden [9].

Andra verktyg och åtgärder

Kommer vi att kunna vi luta oss tillbaka när den första belysningen som inkluderar ”cirkadiskt ljus” har ­installerats och bygger på de principer som nämnts ovan? Svaret är nej. Om du känner dig utmattad eller bor i områden med stora säsongs­variationer, kan du behöva lägga till andra verktyg för att skapa bra ljusförhållanden som stödjer dygnsrytmen. Detta gäller även om de ­endast används tillfälligt.

Sådana ­åtgärder kan vara:

• Ljusterapilampor för användning vid individuell ljusterapi
• Dynamisk belysning med variation i spektrum och intensitet som kan ”simulera” utomhusmiljöer
• Simulering av gryning och skymning i sovmiljön för att ”forma” längden och tidpunkten för natten
• Mörkläggningsgardiner för att begränsa ljusförorening från omvärlden
• Filter för datorer och enheter samt filterglasögon som blockerar våglängder som kan inverka negativt på dygnsrytmen under kvälls-och nattimmarna
• Nattbelysning (amber-LED) för användning vid orientering under natten och som inte stör sömnen och dygnsrytmen
  Användning av mätverktyg som skapar insikter som kan användas för att hitta ­enskilda belysningsåtgärder för dygns­rytmen, baserat på den belysning som övervägs i förhållande till varje fotoreceptor.

Mätning av cirkadiskt ljus

Att mäta och beskriva cirkadiskt ljus och utgå endast från lux och kelvin är otillräckligt. Detta beror på att mått­enheterna för att beskriva både ljusstyrkan och ljusfördelningen som krävs för att aktivera dygnsrytmsystemet inte är tillräckliga. Det är inte heller tillräckligt eftersom ljuskällor med sin irradians, men med olika spektralfördelningar inte lyckas ge rätt bild med hänsyn till ögats fem typer av fotoreceptorer. Därför är det också
värt att notera att dagsljus med dess fullständiga spektralfördelning verkar vara ett optimalt val för att anamma komplexiteten i dygnsrytmen.

För att överbrygga klyftan mellan forskning och belysningsbranschen, och för att hitta rätt balans mellan kunskap och implementering av ”dygnsrytmljus”, har en kostnadsfri verktygslåda utvecklats för att beräkna ett viktat svar från var och en av de fem olika receptorerna [2], där resultaten kan relateras till lux, irradians, effekten hos dagsljus D65 med mera. Denna flexibilitet är precis det som krävs för näringslivet och forskningsvärlden ska kunna föra ett konstruktivt samtal.

Senare i år publiceras en e-bok med titeln Decision-making in “Døgnrytmelys”.

Checklista

1. Prioritera dagsljus så att goda synförhållanden och en stabil dygnsrytm.
2. Kombinera naturligt och artificiellt ljus för att främja en daglig cykel med ljus och mörker som träffar ögat. Skapa ett 24-timmars ljusmönster (ratio) och 365-dagars årsmönster med säsongsvariationer.
3. Förutse belysningens effekt på alla fem fotoreceptorer [effektiv ljusstyrka (ljus/omgivning)] i förhållande till den spektrala responsen hos var och en av de fem receptorerna och satsa på hög färgåtergivning och goda synförhållanden.
4. Sikta på högkvalitativt ljus och goda synförhållanden under den aktiva tiden på dagen och låg ljusnivå när man
   rör sig under natten.
5. Sikta på akuta effekter av ljus för att driva hjärnans upphetsning för subjektiv vakenhet vid rätt tid på dagen
6. Sträva efter flexibilitet med hänsyn till individuella fysiologiska skillnader, såsom ålder och preferenser för
   dygnsrytm, som påverkar de optimala tidsintervallen och strukturer, samt intensitet som krävs av belysningen,
   till exempel på grund av åldersrela­terade oklarheter i linsen som påverkar känsligheten hos exempelvis ipRGC
   (DIN 5031:100 prelimi nary curves).

Källor: [1] CIE S 026/E:2018 CIE System for Metrology of Optical Radiation for ipRGC-Influenced Responses to Light. Vienna: CIE Central Bureau; 2018. [2] Länkar till verktygs­lådan och användarhandboken: 20190319-CIE-S026-EDI-Toolbox-vE1.051.xlsx; Userguide to the Equivalent Daylight (D65) IlluminanceToolbox — Nsw; [3] Spitschan M, Stefan’ 0, Blattner P, Gronfier C, Lockley SW, Lucas RJ. How to Report Light Exposure in Human Chronobiology and Sleep Research Experiments.Clocks Sleep. 2019 Jul 1;1(3):280-289. [4] Schlangen L, Beersma D, Novotny P, Plischke H, Wulff K, Linek M, Cajochen C, Laffer J, Lasauskaite R, Bhusal P and L Halonen. SSL-erate Report on metric to quantify biological light exposure doses. http://lightingforpeople. eu/2016/wp-content/uploads/2016/10/ SSL-erate-Report_on_metric_to_quantify_biological_light_exposure_doses.pdf [5] Changing perspectives on daylight: Science, technology, and culture. Science/AAAS, Washington, DC, 2017 [6] Terman, M.; McMahan, I.; Chronotherapy, Resetting your inner Clock to boost Mood, Alertness and Quality Sleep. The Penguin Group 2012. ISBN 978-1-58333-472-0. Pp 287. [7] Andersen M, Mardaljevic J and SW Lockley. A framework for predicting the non-visual effects of daylight — Part 1: photobiology- based model. Lighting Res.Technol. 2012; 44: 37-53. [8] de Zeeuw J, Papakonstantinou A, Nowozin C, Stotz S, Zaleska M, Flåde’ S, Bes F, Miinch M, Kunz D. Living in Biological Darkness: Objective Sleepiness and the Pupillary Light Responses Are Affected by Different Metameric Lighting Conditions during Daytime. J Biol Rhythms. 2019 Aug;34(4):410-431. [9] Rahman SA, St Hilaire MA, Lockley SW. The effects of spectral tuning of evening ambient light on melatonin suppression, alertness and sleep. Physiol Behav. 2017 Aug 1;177:221-229.

Publicerad den 27 november 2019

Ur Ljuskultur Nummer 6, 2019