– Hva er det, og hvordan tas fornuftige valg for «Døgnrytmelys»?

Målet med denne artikkelen er å informere leserne om den nye kunnskapen som belysningsindustrien står overfor når det gjelder lysets spektralfordeling, fotoreseptorenes følsomhet, og hvordan denne kunnskapen er relatert til døgnrytmesystemet. Leserne kan trekke sine egne konklusjoner. Vi prøver ikke å trekke disse konklusjonene,men håper artikkelen gir leseren grunnlag til å søke den kunnskapen som må til for å ta kompetente valg innen «døgnrytmelys».

Lys er avgjørende for våre liv
Lys samordner vår indre klokke og adferd til den naturlige lys- og mørkesyklus i våre omgivelser. Vi tilbringer i økende grad vår tid innendørs, og vi kjenner til at såvel vår opplagthet og våre søvnmønstre påvirkes av timingen og tiden, og type lys vi utsettes for. Nye belysningsteknologier kommer, og vi skifter ut gammeldagse og energiineffektive glødepærer og erstatter dem med den kraftfulle og mer energieffektiv LED teknologi. Samtidig har neurovitenskapen de seneste 30 årene har revolusjonert vår forståelse av øyets sensoriske bearbeiding av lys. Ny innsikt i sammenhengen mellom lyset som treffer øynene og de dype kretsløpene i hjernen, som styrer vår fysiologi, har ført til en nytenkning av koblingen mellom lys og arkitektur. Kommersielle belysningsprodusenter henviser ofte til denne nye innsikten i sin branding, under betegnelser som «healthy lighting», «biologisk lys», «Dynamisk lys»,
Human-Centric Lighting (HCL), «circadian lighting» og i en dansk(norsk) kontekst «døgnrytmelys». Felles for dem er lys som forsøker å understøtte tidskritiske fysiologiske prosesser som synsbetingelser (sekunder) og non-visuell respons (sekunder, minutter, timer). Noen produsenter tilbyr løsninger som ved første inntrykk synes å gi svar, men ved nærmere undersøkelse mangler koblingen og forståelsen av de komplekse fysiologiske kretsløpene, som lyset påvirker.

Der er derfor behov for at belysningsindustrien og forskningen i større grad prøver å finne hverandre. Dette ses i høyere grad gjennom tverrfaglige samarbeid mellom forskningen og CIE, der forsøker å finne konsensus, og gjennom publikasjoner som (CIE 026/E:2018, SSL-erate), og toolboxes med brukerveiledninger [1-4]. Formålet med denne artikkelen er å etablere et faktuelt og brukbart fundament til å forstå hvilke løsninger som kan brukes, og stille kompetente spørsmål til hvilke belysningstiltak de inneholder. 

Så langt synes fellesnevneren ved ”døgnrytmelys” å være tidsbestemte korreksjoner av monotone lave belysningsstyrker ved bruk av dynamisk lys. Men, hva ligger bak ”døgnrytmelys”, og hvorfor er det viktig? 

Interface mellom fotoner og fysiologi 
Foto tatt med våre mobiltelefoner er blitt en del av våre liv. Ordet ”foto” kommer av ”fotografi”, som betyr ”å tegne med lys”. Navnet avdekker hva lys er: fotoner, som bærer en energiladning av elektromagnetiske bølger. Hvert foton har et karakteristisk kvantum med energi som avhenger av frekvens, jo høyere frekvens, jo mer energi. Den mest kraftfulle kilde til slik energi er solen, som når oss som dagslys [5]. Som et mobiltelefonkamera, har våre øyne spesialiserte celler, fotoreseptorer, som absorberer fotoner og med det skaper 1) bilder – vi ser, 2) elektrokjemiske handlinger som påvirker vår non-visuelle fysiologi. At vi ser forskjellige farger og grånyanser i mørke kan tilskrives den måten som fotoreseptorene opererer på. Deres evne til å absorbere er ikke ensartet over hele lysspektret (lysets bølgelengder), men kun innenfor bestemte intervaller, tilsvarende lysets farge. Solen produserer et kontinuerlig spektrum av bølgelengder, og en forutsigbar lys- og mørkesyklus oppstår, når jorden kretser rundt solen (årstider), og jorden kretser om sin egen akse (dag/natt = omkring 24 timer: circadian). Denne kompleksiteten er viktig for døgnrytmesystemet, og er vanskelig å gjenskape, selv med moderne belysningsteknologi, selv om det synes å være målsetningen med ”døgnrytmelys”. 

Det er stor forskjell på kvaliteten til moderne belysningsteknologi. I verste fall aktiveres ikke øyets fotoreseptorer på grunn av mangel på fotoner innenfor riktige bølgelengder. Dette kan være kritisk, da vi ikke bare kan regne med at vår synssans fanger opp mangelen på bølgelengder, og siden synet vårt har utviklet seg til å se form og farge, ikke frekvensen av fotoner. Den menneskelige fotoresepsjon opererer med fem reseptortyper, med delvis overlappende sensitivitetskurver, tre typer tapper, staver og ipRGC (melanopsin-containing retinal ganglion cells), alle med ulik maksimal sensitivitet med hensyn til frekvens og intensitet. CIE anbefaler derfor nå lysprodusentene å rapportere lys i forhold til disse fem reseptorenes sensitivitetskurver, noe som gjør det mulig å beregne og sammenligne lysets input til hver av de fem reseptortypene fra en gitt lyskilde. Dette er det første skrittet til å avdekke lysets biologiske påvirkning i stor skala i den virkelige verden.

Lysets biologiske virkning 
Siden Nobelprisen i medisin i 2017 gikk til oppdagelsen av de molekylære mekanismene som styrer våre døgnrytmer, står det klinkende klart for oss hvor viktig lysets daglige synkronisering av vår indre klokke er, og dets samordning av våre vev og organer. Den energi som solen sender ut er kvantitativt og kvalitativt den viktigste zeitgeber (tidsangiver), men mange av oss lever i dag under allmennbelysning skapt av ny teknologi og inne i dype bygninger. Konsekvensen er store avvik i synkroniseringen av vårt ”døgnrytmesystem” og sensibiliteten av neurotransmittere og det hormonelle systemet. Vi ser i dag intens forskning på disse systemene, og hvordan de påvirkes av lys, da det har innflydelse på hvordan vi ønsker å leve. ”Døgnrytmelys”/”circadian lighting” er en måte som vi kan forutsi, hvorledes naturlig lys vil bidra til de optimale forholdene for vår fysiologi på et gitt tidspunkt, og hvorledes den allmenne belysningen kan tilpasses til det. Det bør bidra med tilstrekkelig spektrum og intensitet til at stimulere våre fotoreseptorer til å kunne absorbere den riktige mengden lys (fotoner) på det riktige tidspunktet. For at vår indre klokke og andre av hjernens kretsløp som sikrer at kroppens fysiologiske loops med det kan arbeide sammen. Infoboksen inneholder en sjekkliste med tiltak, som ”døgnrytmelys” bør adressere. 

Lysintervensjoner og rammer for ”døgnrytmelys” står overfor motstridende krav, avhengig av om det er dag eller natt, og dette vil også være tilfelle for de visuelle kravene. Like viktig er det at lyset imøtekommer individuelle krav og omgivelser. One size fits all – må ikke være målet [6]. Lyset bør favne individuelle og skreddersydde løsninger, herunder dagslys og fotoperiode, som henviser til lysets retning og geografiske location. Timingen av døgnrytmesystemet hos individer som lever på høyere breddegrader kan være utfordret av solhøyde og lysets variasjon som oppleves ved korte vinterdager og lange sommerdager, sammenholdt med den sosiale timingen i vårt moderne samfunn. Dette trekker bånd til lyshistorikk og Zeitgeberstyrke. Økt belysning i på dagtid (dagslys) og nedsatt lysintensitet i kvelds- og nattetimene styrker døgnrytmesystemets robusthet, og lysets evne til at synkronisere kroppens timingsystem [4]. 

Hva er en plausibel 24-timers lysstrategi? 
La oss starte med å introdusere figur 1 som guide til å navigere innen ”døgnrytmelys”. Døgnrytmesystemets timing har soner(zones), og innenfor disse hvilke spesifikke egenskaper ved lyset forventes å komme til syne for å aktivere og opprettholde kroppsfunksjonen, for eksempel å tilpasse seg den naturlige lys- og mørkesyklus, og understøtte våkenhet og søvn. Disse sonene skal ses på som koblet sammen, der hver især leder tilbake til hverandre, og som inkluderer vanlig adferd (herunder mosjon, spising og sosialisering), som fungerer som non-fotopisk zeitgebere. Figur 1 danner en kontur av hvilke belysningsegenskaper som forventes på tvers av sonene. Glem ikke, at lyset ofte understøtter en rekke egenskaper; belysningsopplevelser, oppgavespesifikke visuelle betingelser, som for eksempel å gå sikkert i trapper osv. Hver av sonenes overordnede strategi er beskrevet nedenfor: 

• Søvnmiljø-Sone(Sleep Environment zone): 
Målet er her at holde belysningsstyrken som når øyet så lav som mulig. Merk at det ikke finnes nogen nedre grense for når døgnrytmesystemet kan aktiveres, derfor bør mørke i søvnmiljøet prioriteres. Lys bør kun anvendes til at man kan navigere sikkert i mørke omgivelser. Dempet Amberfarget LED-lys med lengre visuelle bølgelengder (~600nm) som holdes unna øynene vil med stor  sannsynlighet ikke påvirke søvnen, og kan brukes til å navigere sikkert i mørke. 

• Oppvåkning-Mot-Aktiv-Sone(Awaking Towards Active Zone): 
Lys i denne sonen kan forskyve (Advance) din indre klokke, uansett om dette vurderes å gavne eller ha skadelig effekt. Graden av forskyvningen avhenger av tid, intensitet og spektralfordeling. Daggry-simulering med gradvis økende hvitt lys kan øke oppvåkning og våkenhet [6] via døgnrytmesignaler og direkte non-circadiske signaler til forskjellige hjerneregioner. 

• Aktiverings- og Zeitgeberstyrke-Zone(Activating and Zeitgeber Strengthening Zone): 
Hvis ønsket er å aktivere våkenhet og stabilitet for døgnrytmesystemet, vil målet være å aktivere en ipRGC respons (~480nm), uten å begrense det resterende visuelle spektrum, hvorfra andre reseptorer aktiveres. Ved høye belysningsstyrker vil det være unødvendig at lyset skal gjengi en ”blå boost”. Studier har foreslått en skjematisk rampe-funksjon for fysiologisk effektivitet av lys (CIE illuminant D55), som ”rundt regnet” korresponderer med en overskyet himmel, med terskelverdier fra 210-960 lux på øyet [7]. Øket belysning på dagtid, herunder dagslys, og boosts av fullspektret lys kan likeledes øke våkenhet og minske bølger av ”utmattethet”. 

• Våken-mot-Søvn-Sone(Awake-Towards-Night Zone): 
Lyset som treffer øyet skal skape gode visuelle forhold, og tillate at de søvnpromoterende fysiologiske prosessene kan finne sted. Lys rikt på ulike bølgelengder omkring 480nm (som kan aktivere ipRGC) bør unngås uansett intensitet (f.eks. 100 lux), idet de kan forstyrre hjerneaktivitet (alpha-bølger) forbundet med søvn [8]. Det er verd å legge merke til at LED med en intensitet ved øyet på 50 lux, men fattig på bølgelengder omkring 480nm, har vist sig effektivt for både søvn og visuelle forhold [9]. 

Andre verktøy og tiltak 
Når først et lysdesign som inkluderer ”døgnrytmelys” er installert, og som bygger på prinsippene nevnt over, kan vi da lene oss tilbake? Svaret er nei. Hvis du føler deg utkjørt eller bor i områder med store årstidsvariasjoner, kan det være nødvendig å inkludere andre verktøy for å skape gode belysningsforhold, som understøtter døgnrytmen. Dette gjelder også, selv om de kun benyttes midlertidig. Slike tiltak kunne være: 

• Lysterapilamper til bruk ved individuell lysterapi
• Dynamisk belysning med variasjon i spektrum og intensitet, som kan ”simulere” utendørs omgivelser
• Simulering av daggry og skumring i soveomgivelsene for å ”forme” lengden og timingen av natt 
• Mørke gardiner/rullgardiner for å begrense lysforurensing fra utendørsomgivelsene
• Filtre til datamaskiner og telefoner/nettbrett samt filterbriller som blokkerer de bølgelengdene som kan påvirke døgnrytmesystemet negativt i kvelds- og nattetimer
• Nattbelysning (Amber-LED) til bruk ved navigasjon om natten uten at det forstyrrer søvn og døgnrytmen
• Brug av måleverktøy som gir innsikt som kan brukes til å modellere individuelle belysningstiltak for døgnrytmesystemet, og som bygger på belysning som er vektet i forhold til hver fotoreseptor. 

Å måle døgnrytmelys 
Å måle og beskrive ”døgnrytmelys” utelukkende ut fra lux og kelvin er utilstrekkelig. Dette skyldes at måleenhetene til å beskrive såvel styrken av lyset som lysfordelingen som kreves for å aktivere døgnrytmesystemet, ikke er tilstrekkelige. Det er heller ikke tilstrekkelig fordi lyskilder med ens irradians, men forskjellig spektralfordeling ikke evner å gi det riktige bildet med hensyn til øyets fem typer fotoreseptorer. Det er derfor også verdt å merke seg at dagslyset med sin fulle spektralfordeling synes å være et optimalt valg for å kunne favne kompleksiteten av døgnrytmesystemet. 

For å bygge bro mellom forskningen og lysverdenen, og for å finne den riktige balansen mellom viten og implementering av ”døgnrytmelys”, er det utviklet en gratis «toolbox» til å beregne en vektet respons fra hver av de fem typene reseptorer [2], hvor resultatene kan samholdes mot lux, irradians, dagslys D65 virkningsgrad m.m. Denne fleksibiliteten er nøyaktig det som er nødvendig, for at kunne kommunisere konstruktivt mellom industri og forskningsverdenen. 

En e-bok med tittelen ”Decision-making in ”Døgnrytmelys” offentliggjøres senere. 

KRAV TIL VISUELLE OG NON-VISUELLE BETINGELSER 
1. Prioriter dagslys, således at det oppnås gode synsbetingelser og en stabil døgnrytmesynkronisering. 
2. Kombiner naturlig og allmenn belysning for at bidra til en daglig lys- og  mørkesyklus. Dette resulterer i en 24-timers lyshistorikk (ratio) og over årets sesongvariasjon. 
3. Forutsi belysningens innvirkning på alle fem fotoreseptorer [effektiv luminans (lys/areal)] relativt til den spektrale respons til hver av de fem reseptorene, samtidig med høy fargegjengivelse og gode synsbetingelser. 
4. Sikt mot kvalitetsbelysning og gode synsbetingelser såvel om dagen som ved nedsatte belysningsstyrker i forbindelse med navigasjon om natten. 
5. Sikt mod akutte lyspåvirkninger ved akutt non-circadisk våkenhet i løpet av timene midt på dagen. 
6. Sikt mod fleksibilitet med hensyn til individuelle fysiologiske forskjeller som alder og døgn-preferanser som påvirker optimale tidsintervaller og strukturer, samt den intensiteten som kreves av belysningen, f.eks. ved aldersrelatere uklarheter i øyelinsen, som påvirker sensibiliteten av for eksempel ipRGC (The DIN 5031:100 preliminary curves). 

Kilder:
[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] Toolbox and userguide links: 20190319-CIE-S026-EDI-Toolbox-vE1.051.xlsx; Userguide to the Equivalent Daylight (D65) Illuminance Toolbox 
– Nsvv; 

[3] Spitschan M, Stefani O, 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, Loffler 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 I: photobiology- based model. Lighting Res. Technol. 2012; 44: 37–53. 

[8] de Zeeuw J, Papakonstantinou A, Nowozin C, Stotz S, Zaleska M, Hädel S, Bes F, Münch 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. 36 / LYS 3 2019 

Av Joachim Stormly Hansen og Dr. Katharina Wulff, Umeå University, Sverige. Oversatt fra dansk av Halvor Gudim