Einführung

Zeitliche Rhythmen sind in der gesamten natürlichen Welt zu finden. Der zirkadiane (von lateinisch circa-around, diem-day) wurde in den letzten Jahren mehrmals in der Zeitschrift Svetlo (tschechische Beleuchtungszeitschrift) besprochen. Der Begriff "circadian" wurde in den 1950er Jahren von Franz Halberg eingeführt, einem der Begründer der Chronobiologie, der Wissenschaft von der zeitlichen Ordnung in der Welt der Lebewesen. Von den tschechischen Chronobiologen sind Prof. Helena Illnerová und ihr Team am bekanntesten für die Entdeckung der Schwankungen der Melatoninsekretion bei Ratten, die von den Veränderungen der Lichtexposition in den vier Jahreszeiten abhängt, sowie für die Entdeckung der Lichtempfindlichkeit der biologischen Uhr im suprachiasmatischen Kern des Hypothalamus. [1,2]

Im autonomen Nervensystem der Säugetiere befindet sich die zentrale biologische Uhr unter der Kreuzung der Sehnerven im suprachiasmatischen Kern (SCN), der u. a. den Hormonspiegel im Blut, die Körpertemperatur, den Schlaf und die Wachsamkeit steuert. Melatonin ist das Hormon, das den Schlaf und die Regeneration des Körpers steuert, während Cortison das Hormon ist, das mit Aktivität, Stress und Bewegung in Verbindung steht. Beispiele für die beobachteten Werte, die von Philips Lighting zur Verfügung gestellt wurden, sind in Abb. 1.3 dargestellt. Die zentrale biologische Uhr wird durch Licht synchronisiert, aber auch die Nahrungsaufnahme spielt eine Rolle. Bei jungen Menschen hat diese Uhr eine Umlaufzeit von 24 Stunden, wenn sie ohne Lichtsynchronisation läuft, daher auch der Begriff "zirkadian". Die einzelnen Organe haben ihre lokale Uhr mit der "Hauptuhr" des SCN synchronisiert. Licht ist der stärkste Synchronisator (Zeitgeber). Bereits eine Dosis von einigen Lux geeigneter spektraler Verteilung über mehrere Minuten kann zu einem Absinken des Melatoninspiegels im Blut führen.

Auswirkungen von Licht auf lebende Organismen

Prof. Fritz Hollwich, Autor eines Lehrbuchs der Augenheilkunde und Erfinder zahlreicher Verfahren in der Augenheilkunde, hat diese Effekte genau untersucht. In seiner Antrittsdissertation von 1948 unterschied er zwischen der visuellen und der energetischen (nicht visuellen) Funktion des Auges. Er fand heraus, dass Patienten, die aufgrund von grauem Star erblindet waren, im Vergleich zur normal sehenden Bevölkerung unterschiedliche Werte bestimmter Hormone und anderer Marker im Blut aufwiesen. Als die Patienten nach einer Operation wieder sehen konnten, normalisierten sich die Werte wieder. Er fand auch heraus, dass bestimmte Lichtverteilungen, Lichtmangel, Lichtüberschuss oder Lichtinvarianz nachteilige Auswirkungen auf Organismen haben. In den letzten Jahren wird häufig über einen neuartigen Photorezeptor - intrinsische lichtempfindliche retinale Ganglienzellen (ipRGCs) - diskutiert. Diese wurden bereits 1991 bei Mäusen und erst 2007 beim Menschen gefunden. ipRGCs enthalten das Fotopigment Melanopsin, dessen maximale Empfindlichkeit zwischen 450-482 nm (selten auch zwischen 420 nm und 491 nm) angegeben wird. Diese Zellen projizieren das Synchronisationsereignis auf die zentrale biologische Uhr, sie spielen auch eine Rolle beim Pupillenreflex und tragen möglicherweise auch zur visuellen Wahrnehmung bei. Sie sind über die gesamte Netzhaut verteilt, aber im unteren Teil der Netzhaut sind sie besonders zahlreich. Wegen ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber Blau und ihrer räumlichen Verteilung auf der Netzhaut werden sie auch als zirkadianer Sensor oder Blue-Sky-Sensor bezeichnet. Jüngste Forschungsergebnisse5 zeigen, dass das Synchronisationssignal auch von den Zapfen unterstützt wird, wobei auch die Belichtungszeit eine wichtige Rolle spielt. Die Wirkungen von zwei Schmalbandlampen mit einer Wellenlänge von 460 nm und 555 nm wurden verglichen: Ihre anfängliche Wirkung auf den Melatoninabfall war fast gleich, aber im Falle des grünen Lichts hörte die Wirkung nach etwa 90 Minuten auf, während die Wirkung des blauen Lichts anhielt. C1(l) zeigt also die langfristige Empfindlichkeit, während C2(l) die kurzfristigen Auswirkungen berücksichtigt. Es werden zwei Effekte beobachtet: eine Abnahme des Melatoninspiegels und eine Phasenverschiebung der zentralen biologischen Uhr.

Figueiro und Hubalek beschrieben den Bau eines zirkadianen Dosimeters (Daysimeter, LuxBlick).6,7 Es handelt sich um ein kleines Gerät, das wie eine Brille getragen wird. Als Sensoren werden zwei Photodioden verwendet, von denen eine durch einen Filter auf V(l) und die zweite auf C(l) korrigiert wird. Die Messwerte werden zusammen mit Zeitstempeln in Intervallen von einigen zehn Sekunden gespeichert. Die Analyse der Daten kann zeigen, ob der Nutzer eine ausreichende Dosis des auf das Nervensystem einwirkenden Lichts erhält und ob er nachts durch Licht gestört wird oder nicht. Kritische Punkte können zeitlich lokalisiert werden, so dass Abhilfemaßnahmen vorgeschlagen werden können. Daten von zusätzlichen Sensoren wie einem Beschleunigungsmesser oder einem Thermometer können die Interpretation der Lichtdaten erleichtern.

Die Senkung des Melatoninspiegels am Morgen und die Beibehaltung eines niedrigen Melatoninspiegels während des Tages ist natürlich von Vorteil, da dadurch eine Reihe von Prozessen in Gang gesetzt wird, die zu höherer Wachsamkeit, Aktivität und Konzentration führen. Lichtquellen mit höherer Farbtemperatur können ein Spektrum liefern, das reich an dem zirkadian wirksamen Bereich ist. Nach der Kruithoff-Kurve können wir davon ausgehen, dass die Nutzer an ihrem Arbeitsplatz ein höheres Lichtniveau benötigen, das auch durch lokale Leuchten unterstützt werden kann. Eine höhere Beleuchtungsstärke und eine höhere Farbtemperatur können sich am Arbeitsplatz durch eine bessere Qualität der Arbeit8, eine Verringerung des Stresses4, eine bessere Nutzung der Arbeitszeit oder einen geringeren Krankenstand wirtschaftlich auswirken. Melatonin ist ein Hormon des Schlafes und der Regeneration des Organismus. Es fängt freie Radikale ab und tötet Krebszellen im Körper ab. Es ist also von großem Vorteil, wenn man es in der Nacht ungestört seine Arbeit tun lässt. Zu den Mitteln zur Verringerung des störenden Nachtlichts gehören ein ausgeklügeltes Design von Straßenlaternen, Vorhänge, Fensterjalousien, Rollläden oder rotes Nachtlicht. Weiße LEDs sind meist blaue LEDs mit einem Phosphor, der einen Teil des blauen Lichts in ein gelbes Breitbandlicht umwandelt, das sich dann mit Blau mischt und weißes Licht ergibt. Dies birgt die Gefahr, dass LED-Straßenlaternen die nächtliche Dunkelheit stören. Blaues Licht wird in der Atmosphäre viel stärker gestreut als die längeren Wellenlängen, so dass auch das störende Streulicht berücksichtigt werden sollte. Nach Angaben der International Dark-Sky Association (IDA) eignen sich LEDs mit einer niedrigen Farbtemperatur (2.600 K) für die Straßenbeleuchtung.9 Aber auch in diesem Fall ist der Anteil des zirkadian wirksamen Lichts drei- bis viermal höher als bei den üblicherweise verwendeten Natriumdampfhochdrucklampen (siehe Tabelle 1).

Berechnungen und Messungen

Die zirkadianen Werte wurden parallel zu den photometrischen Werten von Gall und Lapuente eingeführt. [10] Die Funktion V(l) wird durch C(l) ersetzt und der Index c wird für die Werte verwendet. Auf diese Weise können wir zum Beispiel die "zirkadiane Beleuchtungsstärke" betrachten. Die zirkadiane Beleuchtungsstärke kann mit einem auf die zirkadiane Effizienz C(l) korrigierten Luxmeter gemessen werden. Für grobe relative Messungen kann ein Lee 120-Gelfilter verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Berechnung aus dem Spektrum oder die Festlegung eines Faktors zur Umrechnung von "photopischen Lumen" in "zirkadiane Lumen" für eine bestimmte Lichtquelle. Es wird ein zirkadianer Wirkungsfaktor (acv) eingeführt. [10] Dieser wird für Licht mit relativer spektraler Leistungsverteilung gemäß Gleichung 1 berechnet.

_acv ist ein Faktor zur Umrechnung photometrischer Werte in zirkadiane Werte für eine bestimmte Lichtquelle. Er kann verwendet werden, um verschiedene Lichter oder Lichtquellen unter dem Gesichtspunkt ihrer Wirkung auf unser Nervensystem zu vergleichen.

Die Form der Kurve C(l) und die Fläche unter ihr sind noch nicht genau bekannt. Deshalb kann ein weiterer Faktor eingeführt werden, um einen Vergleich der Ergebnisse, die mit der derzeit bekannten Form von C(l) berechnet wurden, mit denen zu ermöglichen, die auf einem aktualisierten C(l) basieren. Der Faktor kann auf verschiedene Weise definiert werden, z. B. durch die Gleichheit der Flächen unter C(l) und unter V(l) oder durch die Gleichheit des Lichtstroms und des zirkadianen Lichtstroms für das CIE-A-Glühlampenmodell.10 Die hier zur Diskussion gestellte Option ist der zirkadiane Aktivierungsindex Ac (CAI). Sein Wert ist definiert = 100 für die CIE-D65-Beleuchtungsstärke. Ac wird nach der Gleichung 2 berechnet.

Ac ermöglicht einen einfachen Vergleich der Auswirkungen verschiedener Lichtquellen auf das Nervensystem. Er hat einen Wert von 100 für das Referenz-Tageslicht D65. Die Werte für einige gängige Lichtquellen und Schwarzkörpertemperaturen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Neben den Tagesrhythmen sind auch physiologische Rhythmen von Ebbe und Flut, Wochenrhythmen, Mond- und Jahresrhythmen bekannt. Der Lichtmangel im Winter trägt zur Schläfrigkeit und dem Bedürfnis nach längerem Schlaf bei, aber auch zur saisonal abhängigen Depression (SAD), die als Winterblues bekannt ist. Diese kann durch eine Therapie mit hellem Licht (Phototherapie) behandelt werden; 10.000 Lux auf Augenhöhe für 30 Minuten ist eine nachweislich wirksame Dosis.11 Für die persönliche Anwendung werden Sonnensimulatoren verwendet. Im Gegensatz zu industriellen Sonnensimulatoren handelt es sich dabei um Leuchten zur Beleuchtung der Augen und des Gesichts. Bekannt sind Tisch- oder Wandleuchten mit Leuchtstofflampen (in der Regel mit 10.000 Lux am Diffusor). Auch tragbare, batteriebetriebene Leuchten mit weißen oder blauen LEDs sind auf dem Markt erhältlich. Weniger bekannt sind Lichtvisiere mit eingebauten LEDs zur Beleuchtung der Augen. Diese Hilfsmittel können den Start in den neuen Tag erleichtern, aber für eine dauerhafte Wirkung ist eine Beleuchtung mit ausreichender zirkadianer Wirkung über den ganzen Tag hinweg erforderlich.

Anhang

Dieser Artikel wurde in der Tschechischen Republik erstmals 2010 in der Zeitschrift Svetlo veröffentlicht. [12] Seitdem wurde eine neue technische Regel DIN SPEC 5031-100 veröffentlicht [13], die eine neue Form der Empfindlichkeitskurve der ipRGCs spezifiziert, die nun smel(l) genannt wird und bei 490 nm ihren Höhepunkt erreicht, siehe Abb. 2. Der neue Begriff "melanopisch" wird nun für nicht-bildgebende Effekte des Lichts bevorzugt. Es wurde ein melanopischer Umrechnungsfaktor mV, mel, D65 definiert, um verschiedene Lichtarten mit D65 Tageslicht (Ac/100-Äquivalent) zu vergleichen.

Die zahnärztliche Chirurgie ist eine der visuell anspruchsvollsten Aufgaben, die mit hohen Kontrasten verbunden ist. Mit Blick auf die melanopischen Effekte des Lichts wurden von NASLI die DentaSun-Dentalleuchten "über dem Stuhl" entwickelt. Bessere Lichtergonomie, verbesserte Sehleistung und geringere Ermüdung der Augen werden durch einen fortschrittlichen Beleuchtungsansatz erreicht, der auf nicht-visuellen Effekten basiert, zusammen mit einem geringeren wahrgenommenen Kontrast und einer Betonung der Lichtgleichmäßigkeit.

Seit den 1980er Jahren ist bekannt, dass elektrisches Licht die SAD lindern kann. Heutzutage wird Vollspektrumlicht zur Behandlung allgemeiner Depressionen und zur Wiederherstellung des Schlaf-Wach-Rhythmus eingesetzt, um alle Arten von Erkrankungen, einschließlich Demenz oder Alzheimer, zu verbessern. Die phototherapeutischen Leuchten von NASLI werden für die Therapie mit hellem Licht, die Simulation von Morgengrauen und Abenddämmerung, die Wachtherapie und die programmierbare ganztägige Phototherapie eingesetzt. Chronobiologische Behandlungsmethoden wurden 2015 in der Tschechischen Republik gesetzlich gefördert.

Anmerkung der Redaktion: Eine vollständige Literaturliste ist beim Verlag erhältlich.

Autor Antonín Fuksa, Tschechische Republik
Veröffentlicht in Kosmetische Zahnmedizin 1/2016