Lys og menneskets biologi

Lys og menneskets biologi

Lys er den viktigste tidsgiveren for å kontrollere døgnrytmen vår. Dagslys er derfor en viktig bidragsyter for at vi skal føle velvære. Kaldhvite bølgelengder i lyset undertrykker melatoninutskillelsen i kroppen.

 

Menneskets syn og hormonsystem. Lys treffer øyet og signaler sendes fra netthinnen til hjernens synssentrum og nucleus suprachiasmaticus. Den meste effektive vinkelen for lyseksponering som treffer gangliecellene maksimalt er over horisonten. Kilde: Licht.de

I flere tiår har forskere studert den biologiske virkningen av lys. Men først i 2002 oppdaget de ganglieceller i netthinnen som ikke brukes til å se. De ny-identifiserte cellene reagerer svært sensitivt på synlig blått lys, og sørger for å synkronisere den biologiske klokken i kroppen med naturens dag/natt- syklus.

 

Netthinnen i menneskeøyet har tre lysreseptorer: Tapper som er fargesensitive, staver som er følsomme for svakt lys, og ganglieceller som er mest følsomme for blått lys.

 

En viktig funksjon i den biologiske klokken er produksjon av hormonet melatonin – et såkalt «søvnhormon». Dette hormonet produseres i konglekjertelen i ulik mengde avhengig av tiden på døgnet. Melatonin utskilles om natten og har minimale nivåer på dagtid. En sterkere undertrykkelse av melatonin forårsaket av lyseksponering sammenfaller ofte med en økende følelse av våkenhet og økt oppmerksomhet.

 

Hormonelle impulsgivere

Gangliecellene sender signaler til hjernen og regulerer hormonproduksjonen. De tre viktigste hormonene som styrer den biologiske rytmen er:

1. Melatonin – gjør deg trøtt, gjør kroppsfunksjonene langsommere og senker aktiviteten, slik at du kan få velfortjent hvile.
2. Kortisol – er derimot et stresshormon som produseres fra rundt kl. 3 om natten. Det stimulerer stoffskiftet og programmerer kroppen for dagmodus.
3. Serotonin – dette hormonet har som funksjon å stimulere og motivere kroppen. Mens kortisolnivået i blodet synker i løpet av dagen med en syklus som er motsatt av melatoninnivået, bidrar serotonin til å øke energinivået.

Veiledene parametere for Human Centric Lighting

Ved installering av Human Centric Lighting er det fire parametere det er viktig å ta hensyn til: spektrum, intensitet, tidspunkt og varighet, og lysfordeling. Alle bygninger og omgivelser har sine utfordringer. Løsningen må derfor tilpasses nettopp ditt prosjekt for å sikre optimal effekt av HCL.

 

Spektrum

Forstå effekten av fargetemperatur

Lys er den strålingen som er synlig for det menneskelige øyet i området 380–780 nanometer. Optisk stimuli registreres i det menneskelige øyet av tre forskjellige tapper som reagerer følsomt på rød, grønn og blå stråling. Men vi oppfatter ikke fargene som like lyse. Farger i det gul-grønne spekteret ved 555 nanometer oppfattes som lysest. Stavene gjør at vi kan se selv i svakt lys. De kan derimot ikke skille mellom farger. Det biologisk effektive området er det blå spekteret mellom 460-500 nanometer.

Følsomhetskurver i dagslysforhold v(λ), om natten v'(λ) og for døgnsykluseffekter c(λ).

 

Gangliecellene er mest følsomme for lys ved 480 nanometer (1). Det tilsvarer blått lys. Et tilsvarende hvitt lys vil derfor inneholde en stor porsjon blå bølgelengder og refereres til som kaldhvitt lys, med fargetemperaturer fra 5–6000 kelvin og oppover. Forskning (2) viser at eksponering for lys i den blå delen av spekteret fører til redusert utskilling av melatonin. Vi kan altså si at det kaldhvite lyset som vi finner mye av i sollys og i visse lyskilder, kan bidra til å justere døgnfasen og føre til økt våkenhet, kroppstemperatur og hjerterytme (3). Egenskapene til spektralfølsomheten er definert i dokumenter som CIE S 026.

 

Ulike lyskilders fordeling i lysspekteret.

Ulike lyskilders fordeling i lysspekteret. Kaldhvitt LED-lys har en høyere andel av blå bølgelengder og påvirker derfor døgnrytmen mer effektivt.

Kilder

1 Bailes, H.J. and Lucas, R.J. (2013) Human melanopsin forms a pigment maximally sensitive to blue light (lmax _479 nm) supporting activation of Gq/11 and Gi/o signalling cascades. Proc. Biol. Sci. 280, 20122987

2 Brainard et al., 2001 Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor. The Journal of Neuroscience, 21, 6405-6412.; Thapan et al., 2001 An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans. The Journal of Physiology, 535, 261-267.

3 Cajohen et al., 2005 High sensitivity of human melatonin, alertness, thermoregulation, and heart rate to short wavelength light. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 90, 1311-1316.

 

Intensitet

Forstå effekten av lysintensitet

Melatoninundertrykkelsen starter ved 30 lux og mettes ved ca. 1000 lux ved øyenivå. Kunnskapen om at melatoninnivåer mettes ved over 1000 lux ved øyenivå, kan brukes som en retningslinje for maksimalnivåer. Dette tilsvarer en vertikal belysning (E_v), eller sylindrisk belysning E_z, på 1000 lux. (Eldre personer med dårligere syn trenger et høyere belysningsnivå.) I 2019 presenterte Underwriters laboratories (UL) nye anbefalinger for lux-nivåer som sikrer melatoninundertrykkelse. UL anbefaler 254 lux på øyet (målt vertikalt), forutsatt bruk av indirekte lys og en fargetemperatur på 5000 kelvin. Hvis fargetemperaturen eller lysfordelingen endres, vil også det anbefalte lux-nivået endres. Glamox tar utgangspunkt i dette når vi tilpasser våre Human Centric Lighting-løsninger.

 

Underwriters laboratories (UL) anbefaler 254 lux ved øyenivå forutsatt bruk av indirekte lys og en fargetemperatur på 5000 kelvin.

 

Fysiske lover gjør at den horisontale belysningen på arbeidsflaten (ved 0,75 m over gulvnivå) vil være to eller til og med tre ganger høyere enn ved øyenivå. Det kan igjen føre til store utfordringer når det gjelder blending og energiforbruk. Vi anbefaler derfor å redusere lysnivået til maksimalt 250–350 lux ved øyenivå (tilsvarer ca. 750–1000 lux på arbeidsplanet) og heller forlenge eksponeringstiden. Dette reduserer ikke nødvendigvis energiforbruket, men det vil gi bedre belysningsforhold.

 

NS-EN 12464-1 (2021)

Den nye standarden NS-EN 12464-1 (2021) inkluderer vedlegg B, tilleggsinformasjon om visuelle og ikke-visuelle (ikke-bildedannende) effekter av lys. I vedlegget beskrives viktigheten av å vurdere lysets ikke-visuelle effekter når du planlegger lysinstallasjonen. Den nye standarden refererer nå til to horisontale belysningsnivåer – ett påkrevd nivå og ett modifisert nivå. For et typisk arbeidsmiljø - for eksempel et kontor - er den påkrevde verdien Ē_m, 500 lx og den modifiserte verdien Ē_m, 1000 lx. Dette skaper blant annet muligheten til en lysinstallasjon å endre lysintensitet i løpet av dagen for å forbedre folks velvære og stabilisere døgnrytmen.

 

Hva er sylindrisk belysning?

NS-EN 12464-1 skal sikre mer lys på menneskers ansikter for å forbedre forholdene for visuell kommunikasjon. På steder hvor visuell kommunikasjon er viktig, særlig på kontorer, møterom og i undervisningslokaler Ē_z, bør ikke være under 150 lx med U0 ≥ 0,10. Hvis vi fremstiller menneskers hoder som sylindere, er sylindrisk belysning gjennomsnittet av alt lys (målt i lux) som faller på sylinderen.

 

Sylindrisk belysning (Ē_z) er gjennomsnittet av alt vertikalt lys som treffer en innbilt sylinder.         

Ē_z, er kanskje ikke den mest nøyaktige beskrivelsen for belysning ved øyenivå, som er der vi ønsker at lyset skal treffe, men det er en pragmatisk tilnærming med mange fordeler. Først og fremst er det en faktor som belysningsplanleggere allerede forstår og bruker, og det er en faktor som det refereres til i NS-EN 12464-1 (2021). Men vi burde også bruke vertikale nivåer (Ē_v) som en faktor, fordelen med å bruke Ē_v er at disse lysnivåene kan verifiseres gjennom lysmålinger etter installasjon. Ē_v refererer også til lys på øyet i synsretningen. Forholdet mellom Ē_z / Ē_v, målt eller beregnet i et aktivitetsplan 1,2 m over gulvet for sittende personer og arbeidsområdet belysningsstyrke Ē_m, ved 0,75 m bør være mellom 1:2 eller 1:3. Lys i øyehøyde er i de fleste tilfeller lavere enn lys på arbeidsflaten.

 

Vedlikeholdsfaktor

Lyskildens lumen-vedlikeholdsfaktor (LLMF) for Human Centric Lighting-løsninger bør være på 1,0. Det er fordi en belysningsinstallasjon som er dimensjonert for en Ē_v / Ē_z, på 250–300 lux vil gi nok lys til å tilfredsstille både kravene til belysning for visuelle oppgaver og ønskede biologiske effekter. Etter hvert vil lumen-effekten reduseres, men den vil fortsatt være tilstrekkelig for å utføre visuelle oppgaver. Konsekvensen er imidlertid at varigheten av lyseksponering som påvirker døgnrytmen, må forlenges for å oppnå samme effekt som i begynnelsen. Ettersom det ikke foreligger noen klare retningslinjer for nivå eller varighet på lumen-vedlikehold, anbefaler vi at LLMF settes så høy som mulig.

Kilder

1 M. Gibbs^a,b, S. Hampton^a, L. Morgan^b, J. Arendt^a, 2002. Adaptation of the circadian rhythm of 6-sulphatoxymelatonin to a shift schedule of seven nights followed by seven days in offshore oil installation workers.

2 Smith, Revell & Eastman, 2009; Smith and Eastman, 2009 Phase advancing the human circadian clock with blue-enriched polychromatic light.

 

Timing og varighet

Forstå effekten av riktig timing og varighet

Lysets ikke-visuelle effekter påvirkes av tidspunktet på dagen.

Lyset har størst effekt om morgenen. Det forteller nemlig kroppens biologiske klokke at dagen har startet og at kroppens funksjoner skal settes i gang. Og omvendt vil lyset om kvelden føre til at kroppens melatoninproduksjon undertrykkes, slik at det blir vanskeligere å sovne. Lyseksponering om kvelden før kroppens kjernetemperatur når sitt minimumsnivå (lavpunktet) kan føre til faseforsinkelse, mens eksponering tidlig om morgenen (etter lavpunktet) kan forårsake fasefremskyving. De umiddelbare effektene på våkenheten avhenger imidlertid ikke av tidspunktet på dagen. Effektene på den langsiktige oppmerksomheten er bare betydelige om morgenen (1).

Vedlegg B, tilleggsinformasjon om visuelle og ikke-visuelle (ikke-bildedannende) effekter av lys i NS-EN12464-1 (2021) angir viktigheten av det daglige mønsteret for lys/mørke sykluser, spesielt rundt og i søvnperioder. Den sier også at en gitt endring av balansen i lysspekteret kan være nyttig for å stabilisere døgnrytmen til forskjellige tider av døgnet.

Menneskelig psykologi spiller også en rolle for timing av variasjoner i fargetemperaturen. De foretrukne belysningsinnstillingene kan variere i løpet av dagen. Derfor bør brukerne få mulighet til å tilpasse fargetemperaturen selv, og helst når risikoen for faseforsinkelse eller fasefremskyving er lavere.

Generelt kan vi si at jo lenger eksponeringstiden er, jo større blir faseforskyvningen (2). Men dette forholdet er ikke nødvendigvis lineært. Folk kan være mer følsomme for lys i den første delen av lyseksponeringen (3). Kortvarig eksponering for sterkt lys kan også forårsake faseforskyvning i døgnrytmen. Rask effekt av skarpt lys på våkenheten avhenger derimot ikke nødvendigvis av varigheten på eksponeringen. I stedet kreves det kontinuerlig eller gjentatt eksponering hvis vi vil bli mer våkne (4).

Derfor er det vanskelig å gi tydelige retningslinjer når det gjelder varighet. Vi må finne et kompromiss mellom personlige preferanser, ønsket faseforskyving og energiforbruk. En arbeidshypotese for våre Human Centric Lighting-installasjoner er å gi fasefremskyndende, blåforsterket skarpt lys sent om morgenen for at B-mennesker skal tilbakelegge minimumsnivået for kroppens kjernetemperatur. Og vi anbefaler å gi brukerne tilgang til våkenhetsfremmende lys med moderat varighet i løpet av arbeidsdagen. Det kan innføres ved å kombinere en forhåndsprogrammert belysningssyklus med individuell kontroll over fargetemperatur og dimmenivåer.

 

Kilder

1 Smolders et al.2012 A higher illuminance induces alertness even during office hours: findings on subjective measures, task performance and heart rate measures. Physiology & Behavior, 107, 7-16.

2 Chang et al., 2012 Human responses to bright light of different durations. Journal of Physiology, 590, 3102-3112.; Dewan et al., 2011 Light-induced changes of the circadian clock of humans: Increasing duration is more effective than increasing light intensity. Sleep, 34, 593-599.

3 St.Hilaire et al., 2012 Human phase response curve to a 1 h pulse of bright white light. Journal of Physiology, 590, 3035-3045 and Rimmer et al., 2000 Dynamic resetting of the human circadian pacemaker by intermittent bright light. American Journal of Physiology – Regulatory Integrative and Comparative Physiology, 279, 1574-1579.

4 Vandewalle et al., 2009 Light as a modulator of cognitive brain function. Trends in Cognitive Sciences, 13, 429-438.

 

Fordeling av lys

Forstå viktigheten av riktig fordeling av lys

Lysfordeling i rommet er en kombinasjon av armaturenes egenskaper og hvor du plasserer dem i rommet.

Gangliecellene i den tredje lysreseptoren er mest sensitive inn mot nesen og i det nedre området av netthinnen. Dette skyldes at øyet tilpasser seg naturlige lysforhold, siden dagslyset kommer inn i øyet ovenfra. Vi må lyse opp taket og de vertikale flatene i rommet. Lys som kommer fra den "riktige" vinkelen må ikke oppfattes som ubehagelig blending. Dette kan gjøres med store belyste overflater i taket i kombinasjon med wallwasher, eller med pendelarmaturer med indirekte lys.

 

Den nye reviderte standarden NS-EN 12464-1 (2021) har inkludert viktigheten av lysstyrken i rommet i anbefalingene for å sikre brukernes velvære og årvåkenhet. Det er nå minimumsverdier for vegg, tak og også sylindrisk lysstyrke i standarden. I et typisk arbeidsmiljø i et undervisningsbygg eller et kontor, bør minimum lysstyrke (Ē_v verdi) for vegger være 150 lx og for tak skal den være 100 lx. Den minste sylindriske verdien (Ē_z) skal være 150 lx.