From darkness to light: non-visual light effects can be modulated by optimizing light spectrum during nighttime and daytime

Abstract

Introduction. Light enables vision but also has non-visual physiological effects. These include changes in phase, amplitude and period of circadian (approximately 24-h) rhythms, nighttime melatonin suppression, the pupillary light response (PLR), alertness, cognitive performance and mood. This dissertation is based on three studies, which aimed to improve lighting conditions regarding these non-visual light effects. 1) The Nightshift Study investigated a filtered polychromatic lighting condition during simulated nightshifts, aiming to avoid negative health effects of nighttime light exposure. 2) The Body Time Study investigated objective alertness and cognitive performance under constant dim light during extended wakefulness (40 h) to determine endogenous circadian rhythms and effects of sleep deprivation. 3) The Daytime Lighting Study expanded upon the findings of these two studies by investigating measures of interest (the PLR and wake electroencephalography; EEG) and determining whether they could be potential daytime markers of non-visual light effects. Methods. In all three studies human participants came to the laboratory. They were exposed to different lighting conditions or constant dim light. Measurements included polysomnographic sleep recordings, wake EEG to record waking brain activity, PLR, saliva samples, cognitive performance and subjective sleepiness questionnaires. Results. The Nightshift Study showed that filtering out short-wavelength (blue) light during a nightshift did not significantly suppress melatonin or induce unwanted phase shifts, while significantly increasing alertness compared to a nightshift in dim light. The Body Time Study showed in EEG alpha activity (=objective sleepiness marker) and cognitive performance an interaction between circadian rhythms and the homeostatic modulation of sleep need. The Daytime Lighting Study found significantly increased objective alertness depending on light spectrum in low illuminance daytime lighting conditions but fewer effects at higher illuminance. The PLR showed significant differences in low and higher illluminance and revealed a dose-response relationship with melanopic irradiance. Conclusion. Changes in the spectral power distribution of light could improve lighting conditions during nighttime and daytime. In isolated nightshifts filtered lighting maintained melatonin secretion resulting in beneficial health effects. In constant dim light, the homeostatic and circadian drive for sleepiness showed an interaction, with the circadian effects becoming especially apparent after extended wakefulness. During daytime, a relatively small change in light spectrum significantly improved objective sleepiness, especially in common low illuminance indoor lighting conditions. The PLR showed that it might be an objective marker of non-visual light effects on physiology and may be used when designing optimal lighting conditions in offices, hospitals, schools and homes.

Einführung. Neben der visuellen Wahrnehmung hat Licht auch nicht-visuelle Effekte. Diese beeinflussen den zirkadianen Rhythmus, Melatoninsuppression, Pupillenlichtreflex (PLR), Wachheit, kognitive Leistungsfähigkeit und Stimmung. Diese Dissertation basiert auf drei Studien, deren übergreifendes Ziel es war, Lichtbedingungen in Bezug auf nicht-visuelle Effekte zu verbessern: 1) Die Nightshift Study untersuchte gefiltertes Licht während einer Nachtschicht um Gesundheitsrisiken der nächtlichen Beleuchtung zu minimieren. 2) Die Body Time Study untersuchte die objektive Wachheit und kognitive Leistungsfähigkeit während einer verlängerten Wachepisode (40 Std.), um den endogenen zirkadianen Rhythmus und die Effekte von Schlafentzug zu bestimmen. 3) Die Daytime Lighting Study basierte auf den vorherigen Studien, indem die am besten geeigneten Messgrößen (PLR und Wach-Elektroenzephalogramm; EEG) auf ihre Tauglichkeit als Marker für nicht-visuelle Lichteffekte untersucht wurden. Methode. In allen drei Studien kamen gesunde Versuchsteilnehmer*innen ins Labor. Sie wurden verschiedenen Lichtbedingungen oder gedimmter Beleuchtung ausgesetzt. Die Messungen beinhalteten Polysomnographie, Wach-EEG, PLR, Speichelproben, kognitive Leistungstests und subjektive Schläfrigkeitsskalen. Ergebnisse. Die Nightshift Study zeigte, dass die Melatoninsekretion nicht signifikant unterdrückt oder verschoben wurde, wenn kürzerwellige Bereiche des Lichts (blau) herausgefiltert wurden. Gleichzeitig war die Wachheit erhöht im Vergleich zur Nachtschicht in gedimmtem Licht. Die Body Time Study zeigte in Alpha-Frequenzen des EEGs (=objektiver Wachheitsmarker) und kognitiven Leistungsfähigkeit eine Interaktion zwischen dem zirkadianen Rhythmus und homöostatischer Modulation des Schlafbedürfnisses. Die Daytime Lighting Study zeigte eine erhöhte objektive Wachheit am Tag, die vom Lichtspektrum und weniger von Lichtintensität abhängig war. Der PLR zeigte signifikante Unterschiede zwischen Beleuchtungsstärken und es konnte eine Dosis-Wirkungskurve für melanopische Strahlungsdichte erstellt werden. Schlussfolgerung. Die Studien zeigen, dass Veränderungen in der spektralen Verteilung Lichtbedingungen nachts und tagsüber verbessern können. In isolierten Nachtschichten hatte gefilterte Beleuchtung positive Effekte auf die Aufrechterhaltung der Melatoninsekretion und somit auf die Gesundheit. In der zweiten Studie zeigten der homöostatische und zirkadiane Schlafdruck eine Interaktion, bei welcher gegen Ende der verlängerten Wachepisode die zirkadianen Effekte besonders deutlich hervortraten. Eine geringfügige Veränderung des Lichtspektrums tagsüber verringerte die objektive Schläfrigkeit, besonders bei einer Innenbeleuchtung mit niedriger Lichtintensität, wie sie häufig vorkommt. Der PLR zeigte sich als potentieller Marker für nicht-visuelle Lichteffekte und könnte für das Design optimaler Lichtverhältnisse in Büros, Krankenhäusern, Schulen und Wohnhäusern genutzt werden.