Licht und die menschliche Biologie

Licht und die menschliche Biologie 

Das Licht ist der wichtigste "Zeitgeber" zur Steuerung unseres zirkadianen Rhythmus. Das Tageslicht ist daher ein wichtiger Faktor für unser Wohlbefinden. Die Wellenlängen von kaltweißem Licht unterdrücken die Melatoninausschüttung.

 

Das visuelle und hormonelle System des Menschen. Licht tritt in das Auge und Signale werden von der Netzhaut zum Sehzentrum des Gehirns und dem Suprachiasmatischen Nucleus gesendet. Der effizienteste Beleuchtungswinkel für eine maximale Auslösung der Ganglienzellen liegt etwas oberhalb des Horizonts. Quelle: Licht.de

Seit Jahrzehnten erforschen Wissenschaftler die biologischen Auswirkungen des Lichts. Doch erst 2002 entdeckten sie Ganglienzellen in der Netzhaut, die nicht zum Sehen verwendet werden. Die neu entdeckten Zellen reagieren äußerst sensibel auf sichtbares blaues Licht und stellen die biologische Uhr ein, die unseren Körper mit dem natürlichen Zyklus von Tag und Nacht synchronisiert.

 

Die Netzhaut des menschlichen Auges enthält drei Fotorezeptoren: Farbempfindliche Zapfen und Stäbchen, die auf abgedunkeltes Licht reagieren und die für blaues Licht empfindlichen Ganglienzellen.

 

Eine wichtige Funktion der biologischen Uhr ist die Produktion des Hormons Melatonin - des "Schlafhormons". Die Produktion dieses Hormons in der Zirbeldrüse variiert mit der Tageszeit. Melatonin wird nachts ausgeschüttet und hat tagsüber nur geringe Anteile. Eine verstärkte Melatoninunterdrückung, die durch Lichteinwirkung ausgelöst wird, geht häufig mit einem gesteigerten Gefühl der Wachheit und einer höheren anhaltenden Aufmerksamkeit einher.

 

Die hormonalen Impulsgeber

Die Ganglienzellen senden Signale an das Gehirn und regeln die Hormonproduktion. Die drei wichtigsten Hormone, die den biologischen Rhythmus steuern, sind:

1. Melatonin - es macht müde, verlangsamt die Körperfunktionen und reduziert die Aktivität zugunsten der Nachtruhe.
2. Cortisol - ist hingegen ein Stresshormon, das ab etwa 3 Uhr nachts produziert wird. Es regt den Stoffwechsel an und programmiert den Körper auf den Tagesmodus.
3. Serotonin - dieses Hormon wirkt als Stimulans und Motivator. Während der Cortisolspiegel im Blut im Laufe des Tages sinkt und damit antizyklisch zum Melatoninspiegel wirkt, trägt Serotonin dazu bei, das Energielevel zu erhöhen.

Leitparameter für Human Centric Lighting

Bei der Installation von Human Centric Lighting sind vier Parameter zu beachten: Lichtspektrum, Intensität, Zeitpunkt und Dauer sowie die Lichtverteilung. Jedes Gebäude und jede Umgebung haben ihre eigenen, einzigartigen Herausforderungen, die entsprechend berücksichtigt werden müssen. Um die Wirkung von Human Centrc Lighting zu optimieren, muss die Lösung auf Ihre spezifischen Bedürfnisse zugeschnitten sein.

 

Lichtspektrum

Die Wirkung der Farbtemperatur

Licht ist die Strahlung, die für das Auge im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer sichtbar ist. Optische Reize werden im menschlichen Auge durch drei verschiedene Zapfen registriert, die empfindlich auf rote, grüne oder blaue Strahlung reagieren. Doch wir nehmen Farben nicht gleich hell wahr. Farben im gelb-grünen Spektrum bei 555 Nanometer werden am hellsten wahrgenommen. Die Zapfenzellen ermöglichen uns, im abgedunkelten Licht zu sehen. Sie können aber keine Farben unterscheiden. Der biologisch wirksame Bereich ist das blaue Farbspektrum bei etwa 460 Nanometer.

Die Empfindlichkeitskurven bei Tageslicht v(λ), bei Nacht v'(λ) und für zirkadiane Effekte c(λ)

 

Die Ganglienzellen sind am empfindlichsten für Licht mit einer Wellenlänge von 480 Nanometern (1). Dies entspricht blauem Licht. Das entsprechende weiße Licht enthält daher einen großen Anteil blauer Wellenlängen und wird daher als kaltweißes Licht bezeichnet, mit Farbtemperaturen von 5000-6000 Kelvin und höher. Untersuchungen (2) haben gezeigt, dass die Lichtmenge im blauen Teil des Spektrums zu einer geringeren Melatoninausschüttung führt. Zusammenfassend könnte man sagen, dass das kaltweiße Licht, das wir häufig im Sonnenlicht und in bestimmten Lichtquellen finden, zur Anpassung der zirkadianen Phase beiträgt und zu einer höheren subjektiven Wachheit, Körperkerntemperatur und Herzfrequenz führt (3). Die Merkmale der spektralen Empfindlichkeit sind in Publikationen wie der CIE S 026 definiert.

 

Die Spektralverteilungen verschiedener Lichtquellen.

Kaltweißes LED-Licht hat einen größeren Anteil an Wellenlängen im Blaubereich und ist daher effektiver bei der Einstellung des zirkadianen Rhythmus.

Quellen

1 Bailes, H.J. und Lucas, R.J. (2013) Humanes Melanopsin bildet ein Pigment, das maximal empfindlich für blaues Licht (lmax _479 nm) ist und die Aktivierung von Gq/11- und Gi/o-Signalkaskaden unterstützt. Proc. Biol. Sci. 280, 20122987

2 Brainard et al., 2001 Wirkungsspektrum für die Melatoninregulation beim Menschen: Hinweise auf einen neuartigen zirkadianen Photorezeptor. The Journal of Neuroscience, 21, 6405-6412.; Thapan et al., 2001 Ein Wirkungsspektrum für die Melatoninunterdrückung: Hinweise auf ein neuartiges Photorezeptorsystem ohne Stäbchen und ohne Zapfen beim Menschen. Die Zeitschrift für Physiologie, 535, 261-267.

3 Cajohen et al., 2005 Hohe Empfindlichkeit von menschlichem Melatonin, Wachheit, Thermoregulation und Herzfrequenz gegenüber kurzwelligem Licht. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 90, 1311-1316.

 

Intensität

Die Wirkung der Lichtintensität

Die Melatoninunterdrückung beginnt bei 30 Lux und ist bei etwa 1000 Lux auf Augenhöhe gesättigt. Das Wissen um die Sättigung des Melatoninspiegels bei über 1000 Lux auf Augenhöhe könnte als Richtwert für die maximale Beleuchtungsstärke verwendet werden. Dies entspricht einer vertikalen Beleuchtungsstärke (E_v)oder einer zylindrischen Beleuchtungsstärke E_z von 1000 Lux. (Ältere Menschen mit verminderter Sehkraft benötigen eine höhere Beleuchtungsstärke). Im Jahr 2019 stellten die Underwriters Laboratories (UL) neue Empfehlungen für die Beleuchtungsstärke vor, um die Melatoninunterdrückung zu erreichen. Die Empfehlung liegt bei 254 Lux am Auge (vertikal gemessen), bedingt durch die Verwendung von indirektem Licht und einer Farbtemperatur von 5000 Kelvin. Wenn die Farbtemperatur oder die Lichtverteilung verändert wird, ändert sich auch die empfohlene Beleuchtungsstärke. Glamox nutzt dies als Grundlage, bei der individuellen Anpassung unserer Human Centric Lighting-Lösungen.

 

Die Underwriters Laboratories (UL) empfehlen 254 Lux auf Augenhöhe, vorausgesetzt, es wird ein indirektes Licht und eine Farbtemperatur von 5000 Kelvin verwendet.

 

Aufgrund physikalischer Gesetze ist die horizontale Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche (in 0.75 m Höhe über dem Boden) zwei- oder sogar dreimal so hoch wie auf Augenhöhe. Das kann wiederum große Herausforderungen in Bezug auf Blendung und Energieverbrauch mit sich bringen. Unsere Empfehlung lautet daher, das Lichtniveau auf maximal 250-350 Lux auf Augenhöhe zu senken (dies entspricht ca. 750-1000 Lux auf der Arbeitsebene) und die Beleuchtungsdauer eher zu verlängern. Das senkt zwar nicht unbedingt den Energieverbrauch, ist aber für die Beleuchtungsbedingungen von Vorteil.

 

EN 12464-1:2021

Die neue Norm EN 12464-1:2021 enthält einen Anhang B mit zusätzlichen Informationen über visuelle und nicht visuelle (nicht bildgebende) Wirkungen des Lichts. In diesem Anhang wird darauf hingewiesen, wie wichtig es ist, bei der Planung einer Beleuchtungsanlage die nichtvisuellen Wirkungen des Lichts zu berücksichtigen. Die neue Norm bezieht sich nun auf zwei horizontale Beleuchtungsstärken - eine geforderte und eine modifizierte Beleuchtungsstärke. Für eine typische Arbeitsumgebung - wie zum Beispiel ein Büro - ist der erforderliche Wert Ē_m 500 lx und der modifizierte Wert Ē_m 1000 lx. Dies bietet unter anderem die Möglichkeit, eine Beleuchtungsanlage zu realisieren, bei der sich die Lichtintensität im Laufe des Tages ändert, um das Wohlbefinden der Menschen zu steigern und ihren zirkadianen Rhythmus zu stabilisieren.  

 

Was ist die zylindrische Beleuchtungsstärke? 

Die Norm EN 12464-1 fordert mehr Licht im Gesicht der Menschen, um die Bedingungen für die visuelle Kommunikation zu verbessern. In Bereichen, in denen eine gute visuelle Kommunikation von Bedeutung ist, insbesondere in Büros, Besprechungs- und Unterrichtsräumen, sollte Ē_z einen Wert von mindestens 150 lx mit einer Gleichmäßigkeit von U0 ≥ 0.10 aufweisen. Stellt man sich die Köpfe der Menschen als Zylinder vor, so ist die zylindrische Beleuchtungsstärke der Durchschnitt des gesamten Lichts (gemessen in Lux), das auf den Zylinder fällt.

 

Die zylindrische Beleuchtungsstärke (Ē_z) ist der Durchschnitt des vertikalen Lichts, das auf einen imaginären Zylinder fällt. 

 

Ē_z ist vielleicht nicht der genaueste Indikator für die Beleuchtungsstärke auf Augenhöhe, aber es ist ein pragmatischer Ansatz mit vielen Vorteilen. Der größte Vorteil besteht darin, dass es sich um eine Angabe handelt, die der Lichtplaner bereits kennt und verwendet und dass es sich um einen Wert handelt, der auch in der Norm EN 12464-1 genannt wird. Aber wir sollten auch vertikale Beleuchtungsstärken (Ē_v) als Faktor verwenden. Der Vorteil der Verwendung von Ē_v ist, dass diese Beleuchtungsstärken durch Messungen überprüft werden können. Ē_v bezieht sich auch auf die Beleuchtungsstärke am Auge in Blickrichtung. Die Beziehung zwischen Ē_z, gemessen oder berechnet auf einer Aktivitätsebene 1,20 m über dem Fußboden für sitzende Menschen und der Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche Ē_v im Arbeitsbereich auf einer Höhe von 0,75 m, liegt zwischen 1:2 oder 1:3. Das Licht auf Augenhöhe ist also in den meisten Fällen geringer als das Licht auf der Arbeitsfläche.

 

Wartungsfaktor

Der Lampenlichtstrom-Wartungsfaktor (LLMF) für Human Centric Lighting-Lösungen sollte bei 1.0 liegen. Der Grund hierfür ist, dass eine Beleuchtung, die auf eine Ē_v / Ē_z von 250 bis 300 Lux dimensioniert ist, genug Licht bietet, um die Anforderungen an die Beleuchtung für die visuellen Aufgaben und den erwünschten biologischen Effekt zu erfüllen. Mit der Zeit nimmt die Lichtausbeute ab, aber sie reicht immer noch aus, um die Sehaufgaben zu erfüllen. Dies hat jedoch zur Folge, dass die Dauer der auf den zirkadianen Rhythmus effektiven Lichteinwirkung verlängert werden muss, um die gleichen zirkadianen Effekte wie am Anfang zu erreichen. Da keine klaren Richtlinien für die Lichtstromwartung oder die Dauer vorliegen, empfehlen wir, den LLMF so hoch wie möglich einzustellen. 

 

Quellen

1 M. Gibbsa,b, S. Hamptona, L. Morganb, J. Arendta, 2002. Anpassung des zirkadianen Rhythmus von 6-Sulphatoxymelatonin an einen Schichtplan von sieben Nächten gefolgt von sieben Tagen bei Mitarbeitern von Offshore-Ölanlagen.

2 Smith, Revell & Eastman, 2009; Smith und Eastman, 2009 Phase, in der die menschliche zirkadiane Uhr mit blauem, polychromatischem Licht angereichert wird.

 

Zeitpunkt und Dauer 

Wirkung des richtigen Zeitpunkts und der richtigen Dauer der Beleuchtung

Die nicht-visuellen Effekte des Lichts werden durch die Tageszeit beeinflusst. 

Licht ist morgens am effektivsten. Das Licht zeigt unserer biologischen Uhr, dass der Tag angefangen hat und die Körperfunktionen aktiviert werden müssen. Im Gegensatz dazu sorgt eine Lichteinwirkung am Abend dafür, dass die Melatoninproduktion unterdrückt wird und es uns zudem schwerer fällt, einzuschlafen. Eine Lichteinwirkung am Abend, bevor die Körperkerntemperatur ihr Minimum erreicht (Nadir - Tiefpunkt), kann zu einer Phasenverzögerung führen, während eine Lichteinwirkung am frühen Morgen (nach dem Nadir) ein Vorrücken der Phase verursachen kann. Die Effekte auf die Wachheit sind von der Tageszeit unabhängig. Effekte auf die Daueraufmerksamkeit sind nur am Morgen signifikant (1). 

Im Anhang B der DIN EN 12464-1:2021 können Sie zusätzliche Informationen über die visuellen und nicht-visuellen (nicht-bildgebenden) Wirkungen des Lichts in Bezug auf die Bedeutung des Tagesrhythmus von Licht-/Dunkel-Zyklen entnehmen. Dies ist besonders wichtig um und während der Schlafperioden. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass eine Anpassung des Lichtspektrums in Innenräumen dazu beitragen kann, die zirkadianen Rhythmen zu verschiedenen Tageszeiten zu unterstützen.

Die menschliche Psychologie spielt ebenfalls eine Rolle bei der Festsetzung von Zeitpunkten für den Farbtemperaturwechsel. Die bevorzugten Lichteinstellungen können mit der Tageszeit variieren. Deshalb sollte den Nutzern die Möglichkeit gegeben werden, die Farben selbst einzustellen. 

Eine Faustregel lautet: Je länger die Dauer der Lichteinwirkung ist, desto größer ist die Phasenverschiebung (2). Doch diese Beziehung ist nicht unbedingt linear. Es kann sein, dass Menschen im ersten Teil der Lichteinwirkung lichtempfindlicher sind (3). Kurze Zeiträume mit hellem Licht können ebenso Phasenverschiebungen im zirkadianen Rhythmus induzieren. Sofortige Effekte von hellem Licht auf die subjektive Wachheit hängen jedoch nicht von der Dauer der Lichteinwirkung ab. Stattdessen ist eine dauerhafte oder wiederholte Lichteinwirkung erforderlich, wenn eine Aktivierung beabsichtigt wird (4). 

Somit ist es schwer, klare Richtlinien im Hinblick auf die Dauer zu geben. Daher sollte ein Kompromiss zwischen den individuellen Vorlieben, der gewünschten Phasenschiebung und dem Energieverbrauch gefunden werden. Eine Arbeitshypothese für unsere Human Centric Lighting Installationen ist, ein phasenbeschleunigendes, blau angereichertes helles Licht am späteren Morgen anzubieten, damit auch Nachteulen den Nadir/Tiefpunkt bei der Körperkerntemperatur überschreiten können. Zudem empfehlen wir eine Kombination aus einem vorprogrammierten Beleuchtungszyklus mit einer individuellen Steuerung der Farbtemperatur und Intensität.

Quellen

1 Smolders et al.2012 Eine höhere Beleuchtungsstärke induziert Wachheit auch während der Bürozeiten: Ergebnisse zu subjektiven Messungen, Aufgabenleistung und Herzfrequenzmessungen. Physiology & Behavior, 107, 7-16.

2 Chang et al., 2012 Menschliche Reaktionen auf helles Licht von unterschiedlicher Dauer. Journal of Physiology, 590, 3102-3112.; Dewan et al., 2011 Licht-induzierte Veränderungen der zirkadianen Uhr des Menschen: Eine Erhöhung der Dauer ist effektiver als eine Erhöhung der Lichtintensität. Sleep, 34, 593-599.

3 St.Hilaire et al., 2012 Die menschliche Phasenreaktionskurve auf einen 1-stündigen Lichtimpuls mit hellem weißem Licht. Journal of Physiology, 590, 3035-3045 and Rimmer et al., 2000 Dynamische Neueinstellung des menschlichen zirkadianen Taktgebers durch intermittierendes helles Licht. American Journal of Physiology - Regulative, integrative und vergleichende Physiologie, 279, 1574-1579.

4 Vandewalle et al., 2009 Licht als Modulator der kognitiven Gehirnfunktion. Trends in den Kognitionswissenschaften, 13, 429-438.

 

Lichtverteilung

Die Bedeutung der richtigen Lichtverteilung

Die Lichtverteilung im Raum ist eine Kombination aus den Eigenschaften der Leuchten und ihrer Platzierung im Raum.

Die Ganglienzellen des dritten Fotorezeptors sind im nasalen und unteren Bereich der Netzhaut am empfindlichsten. Dies liegt daran, dass sich das Auge an natürliche Lichtbedingungen anpasst, weil das Tageslicht von oben ins Auge scheint. Da die Rezeptoren unseren zirkadianen Rhythmus beeinflussen, empfiehlt sich die Beleuchtung von Flächen im oberen Teil des Gesichtsfeldes. Wir müssen die Decke und die vertikalen Flächen im Raum beleuchten. Licht, das aus dem "richtigen" Winkel kommt, darf nicht als unangenehme Blendung wahrgenommen werden. Dies kann durch große beleuchtete Flächen an der Decke in Kombination mit Wandflutern oder durch Pendelleuchten mit indirektem Licht erreicht werden.

 

Die neue überarbeitete Norm EN 12464-1:2021 hat die Bedeutung der Raumhelligkeit in die Empfehlungen aufgenommen, um das Wohlbefinden und die Wachheit der Nutzer zu verbessern. In der Norm sind nun Mindestwerte für die Helligkeit von Wänden, Decken und auch zylindrischen Elementen enthalten. In einer typischen Arbeitsumgebung, wie zum Beispiel im Bildungswesen oder einem Büro sollte die Mindesthelligkeit (Ē_v-Wert) für Wände 150 lx und für Decken 100 lx betragen. Der zylindrische Mindestwert (Ē_z) sollte 150 lx betragen.