Ikke-visuelle effekter av lys

Helga Iselin Wåseth, Institutt for optometri, radiografi og lysdesign, USN
Terje Christensen, Institutt for sykepleie- og helsevitenskap, USN og Direktoratet for strålevern og atomsikkerhet

Innledning
Rundt årtusenskiftet oppdaget forskere ipRGC-reseptorene som forekommer i lysfølsomme nerveceller i netthinnen, ogsom ikke er koblet til det visuelle systemet (Brainard et al. 2001).  Disse reseptorene står for regulering av hormoner i kroppen, spesielt søvnhormonet melatonin, mens andre fotoreseptorer i netthinnen er ansvarlige for den etter hvert godt kartlagte synssansen.  Antakelig er det en kobling mellom de ulike reseptorene slik at reseptorene for syn også har en viss innvirkning på døgnrytmen.  Den nye typen fotoreseptorer var en viktig oppdagelse som har betydd mye for lysbransjen i årene etter. Forskning har vist hvordan variasjon i lysnivå og fargetemperatur gjennom døgnet påvirker vår trivsel og konsentrasjon, på arbeid, i skolen, i helseinstitusjoner, og hvordan det påvirker vår søvnkvalitet. Parallelt med disse funnene har belysningsteknologien utviklet seg med kvantesprang, og mye har skjedd både med tanke på lyskvalitet i LED, men også mulighet til å styre lyskildene vi benytter oss av, vi kan både endre intensitet og farge på lyset gjennom døgnet.

Ut fra dette har det oppstått flere begreper på engelsk som, “Human-Centric Lighting”, “Circadian Lighting”, and “Biodynamic Lighting”, gjerne brukt i forbindelse med markedsføring av belysningsprodukter. I denne forbindelse har CIE (Commision Internationale d’Eclairage, den internasjonale standardiseringsorganisasjonen for lys, belysning, farge og fargerom) gjennom en offisiell stillingsuttalelse («position statement») besluttet å benytte begrepet «integrative lighting» om belysning som sammenkobler visuelle og ikke-visuelle effekter på en systematisk måte. Deres tilnærming skal være nøktern og basert på nyere forskning. I denne artikkelen ser vi på bakgrunnen for denne type belysning, og vi kommer med forslag til et norsk begrep for «integrative lighting», helhetlig belysning. 

Biologiske effekter av lys


Når vi bruker begrepet lys, må vi være klar over at lys er en del av det mye bredere spektralområdet optisk stråling. Det optiske området strekker seg fra kortbølget UVC ved 100 nm til infrarød stråling som har bølgelengder opp til 1 mm. Lys er den delen av det optiske spekteret vi kan se, og strekker seg fra 380 nm til omkring 800 nm. Noen effekter av optisk stråling krysser disse grensene for bølgelengder og kan forårsakes av både lys og infrarød stråling som vi ikke kan se. Det gjelder f.eks. oppvarming av hud og øyne som er et resultat av UV, synlig lys og den mer kjente infrarøde (varme-)strålingen. Lys har en hel rekke effekter på planter, dyr, mennesker og på jordens tilstand. Effektene deler vi ofte inn ettersom vi betrakter dem som positive eller negative, og de som påvirker mennesker er ofte i fokus. Mange av effektene oppstår på andre organer enn øynene, og de effektene opptrer i de fleste tilfeller som følge av høye doser, mens vanlig belysning stort sett ikke er så sterk at den kan påvirke andre organer. Begrepet lys har tradisjonelt sammenheng med det vi kan oppfatte med øynene, det som gir oss synsbilder. Men de samme deler av spekteret som vi bruker til å se med, kan også virke gjennom øynene uten at de danner bilder. Belysning kan altså virke på minst to måter, og det er viktig å planlegge riktig belysning slik at vi oppnår god visuell effekt og samtidig får nytte av ikke-visuelle virkninger. I tillegg er det viktig å begrense eventuelle negative eller skadelige effekter, som blending eller forskjøvet døgnrytme. 

Virkningen av lys vil alltid ha sammenheng med mengden, eller lysdosen. Som regel vil vi velge å beskrive dosen av optisk stråling i forskjellige enheter, alt avhengig av hvilken biologisk effekt vi studerer. For eksempel er utvikling av solbrenthet en funksjon av hvor intens solen er og hvor lenge man eksponeres. Synet er derimot avhengig av lysets intensitet inn på øyet, men ikke hvor lenge vi ser på en gjenstand. Ut fra hva vi ønsker å måle, har vi to sett med størrelser og enheter. Det første systemet ligger innenfor fotometri og beskriver lyset relatert til dets effekt på synet. Her finner vi enheter som lux, lumen og luminans. Det andre systemet ligger innenfor radiometri og beskriver optisk stråling som energi, uansett hvor godt vi kan oppfatte den aktuelle bølgelengden med øynene. Her er den viktigste enheten lysfluks målt i Watt (W). Lysfluks som passerer en flateenhet, som for eksempel huden, kalles irradians (W/m²). Men dette er ikke nok; når lyset har passert en overflate, som huden eller pupillen, vet vi hvor mye lys det dreier seg om, men ikke hvilke spektrale komponenter lyset består av. Vi vet heller ikke hvilke av dem som forårsaker en virkning, eller hvor stor virkningen er. En viktig lov i lysfysikken sier at bare lys som blir absorbert i et molekyl, kan forårsake en virkning, og graden av effekt har derved sammenheng med spekteret på lyset som sendes ut og absorpsjonsspekteret til det molekylet eller de molekylene som absorberer lyset. Synspigmentene er gode eksempler på at hvert pigment har et eget virkningsspektrum (se Fig. 2). Andre biologiske effekter av optisk stråling har andre virkningsspektra, se Gortons artikkel «Biological action spectra» («http://photobiology.info/Gorton.html»http://photobiology.info/Gorton.html) for generell bakgrunn.

Det finnes slike virkningsspektra for både visuelle og ikke-visuelle effekter av lys på øynene, men de siste er dårligere studert og har ikke vært tatt tilstrekkelig hensyn til i tidligere standardiseringsarbeid. Formålet til CIE er å bøte på dette ved å optimalisere standarder for belysning slik at det blir lagt vekt på alle lyseffekter samtidig, et mer helhetlig syn. Man kan tenke seg at de lysforholdene som tidligere ble anbefalt for kun å optimalisere visuell effektivitet og komfort, ikke nødvendigvis er de mest gunstige for ikke-visuelle effekter på hormonsystemet. Det vil samtidig være viktig å legge denne kunnskapen sammen med kunnskap om god visuell ergonomi, så man ikke forårsaker lysmiljøer med blending, visuelt ubehag, utilstrekkelig belysningsstyrke eller dårlig fargegjengivelse. 

Standard for å gjøre ipRGC-påvirkede responser målbare 

I 2018 ga CIE ut en ny internasjonal standard CIE S 026:2018 (CIE 2018) som blant annet beskriver hvilke synspigmenter som absorberer ved ulike bølgelengder. Standarden gjelder synlig optisk stråling i bølgelengdeområdet fra 380 nm til 780 nm. Her angis mengder og mål for optisk stråling, og evnen de fem fotoreseptortypene (tre typer tapper, staver og ipRGC-reseptorene) har til å stimulere til ikke-visuelle effekter av lys i netthinnen hos mennesker. IpRGC-reseptorene, har høyest følsomhet i den kortbølgede delen av spekteret (blålig lys) og har betydning for regulering av vår søvn-våken-syklus, hormonproduksjon og styrken i vårt cirkadianske system.

Generelt kan vi forestille oss at det for hver type virkning av optisk stråling finnes en dose som er optimal. For lav dose gir utilstrekkelig effekt, mens for mye lys kan føre til uønskede virkninger og skader på de organene som belyses. Synssansen er igjen et godt eksempel, for lite lys øker risken for ulykker og samme faremoment oppstår om vi får så mye lys at vi blir blendet.

Alle de fem reseptorene bidrar til de ikke-visuelle funksjonene, (Lucas et al. 2014)  men de er hovedsakelig kontrollert av ipRGC-reseptorene. Hver enkelt fotoreseptortypes bidrag til regulering i kroppen varierer avhengig av intensitet, spektrum, varighet og når på døgnet lyseksponeringen skjer. Individets tidligere lyseksponering og søvnmangelstatus kan også ha en innvirkning på hvor mye lys som skal til. Samme eksponering gir altså ulik effekt avhengig av når på døgnet individet eksponeres. Dette er ikke ukjent fra før, man har lenge vært klar over at vi adapterer til bestemte lysmengder. På natten er organismen mer følsom for lys, og kun en liten dose blålig lys vil kunne påvirke melatoninnivået i kroppen. Mindre dagslys over lengre perioder, for eksempel på vinteren, øker også sensitiviteten i melatoninundertrykkelsen (Higuchi et al. 2007).

Arbeid med henblikk på å gi riktig belysning til riktig tid. Betydningen av naturlig lys 

CIE erkjenner at det å bruke en passelig tid utendørs om dagen har betydning for helsa og vår følelse av velvære, og at disse effektene har forbindelse med dagslyseksponering. Man behøver ikke å begrense dagslyseksponering innendørs med mindre den er sjenerende. Det å finne en passelig tid utendørs eller en passe mengde dagslys innendørs er en utfordring, og CIE anbefaler inntil det kan komme bedre verktøy, å bruke metoden med å «vekte» lysspekteret med følsomheten i ipRGC-reseptorene.  Da er det mulig å komme fram til en dose lys som forårsaker optimale ikke-visuelle effekter. Resultatet av en slik vekting er sammenligning med dagslys og beskrives med en faktor, eller et mål for hvor mye dagslys en bestemt kunstig belysning tilsvarer: melanoptic EDI (Equivalent Daylight (D65) Illuminance). Begrepet melanoptic er valgt fordi ipRGC-reseptorene inneholder fotoreseptoren melanopsin. CIEs generelle anbefaling er at en høy melanoptic EDI om dagen vanligvis bidrar til høyt oppmerksomhetsnivå, god døgnrytme og god nattesøvn. På den annen side vil en lav melanoptic EDI kunne bidra til innsovning og god søvnkvalitet. Det er selvsagt vanskeligere å tilrettelegge lyskvaliteten for skiftarbeidere siden optimal regulering er avhengig av skiftplanen hos den enkelte arbeider.  

Den «α-opiske»-verktøykassen
Det er utilstrekkelig å beskrive ikke-visuelle effekter av lys med den fotoptiske responsen, fordi synspigmentene i tappene og stavene ikke gir hovedbidraget til de ikke-visuelle effektene. Basert på den nevnte standarden, CIE S 026:2018, er det utviklet et verktøy, den såkalte «α-opiske»-verktøykassen for å muliggjøre beregninger og konvertering av lysmengder relatert til responser på lys for de fem reseptorene: S-tapper, M-tapper, L-tapper, staver og ipRGC-reseptorene (Fig. 1).. Aksjonsspektrene er tilgjengelig på CIE’s nettider. (http//:files.cie.co.at/S026_Table2_Dataa.xls). I den «α-opiske»-verktøykassen kan tabeller over aksjonsspektra genereres ut fra dine egne input-data. Man kan for eksempel ta den spektrale sammensetning fra en LED-lyskilde, multiplisere den med de ulike reseptorenes aksjonsspekter og få ut en graf med et vektet spekter for hver enkelt fotoreseptor som kan brukes direkte i kalkulering av «α-opisk»-lysstyrke. Man kan altså finne ut hvor mye av lyset i den enkelte lyskilde som faktisk vil bidra til ikke-visuelle funksjoner i kroppen.

Vi har enn så lenge ufullstendig kunnskap om mekanismene. Antakelig vil bidraget fra hver av reseptorene være forskjellig fra en person til en annen, på ulike tider av dagen, for ulike lyskilder, men det kan være mulig å regne ut verdier for responsene og sammenligne med tilsvarende «vektede» doser for dagslys, EDI.

Konklusjon. 

Ny kunnskap om hvordan øyet mottar lys ved ulike bølgelengder og utnytter informasjonen som ligger i lyssignalene til hjernen, har ført til endrede behov for belysning. Det å ta hensyn til de ikke-visuelle effektene av lys og samtidig ta vare på de gode belysningsstandarder vi har, blir en viktig oppgave i tiden framover. CIE skriver i sin stillingsuttalelse at videre arbeid inkluderer en revisjon av den internasjonale standarden for arbeidsplassbelysning, ISO 8995-1:2002/CIE S 008:2001 der riktig lys på riktig tid, i henhold til nyere kunnskap om de ikke-visuelle effekter av lys, vil trekkes frem i større grad. Også belysning i offentlige rom og hjemme, kan bli tilpasset de nye funnene.

Å sørge for riktig lys på riktig tidspunkt forutsetter en helhetlig tilnærming, der en møter alle de ulike behov som er til stede for ulike personer på det aktuelle sted. Derfor foreslår vi «helhetlig belysning» som et godt norsk begrep for integrative lighting. Vi mener at dette begrepet omfatter alle aspekter ved belysning, både de åpenbare og de mer sublime. Det sammenfatter tekniske, visuelle og biologiske faktorer, som alle er viktige når man designer med lys.