Prof. sc. natw. Christian Cajochen leitet das Zentrum für Chronobiologie an der Psychiatrischen Universitätsklinik in Basel. Seine Forschungsinteressen umfassen die circadiane und homöostatische Regulation der Schlaf/Wachrhythmik beim Menschen, die nicht-visuelle Lichtwirkung in der Chronobiologie, sowie circadiane Schlaf-Wachstörungen bei psychiatrischen Patienten.

Nicht-visuelle Lichtwirkungen beim Menschen

Christian Cajochen, Zentrum für Chronobiologie, Universität Basel

 

Ohne sichtbares Licht ist bewusstes Sehen für den Menschen unmöglich. Einfallendes Licht wird in den Augen gesammelt und weiterverarbeitet, damit ein Abbild der Umgebungswelt in unserem Gehirn entsteht. Die Netzhaut im Auge wandelt die eintreffenden Lichtimpulse in Nervensignale um und leitet sie über den Sehnerv ans Gehirn weiter. Neben den Hirngebieten, die verantwortlich fürs Sehen sind, trifft die Lichtinformation auch auf Hirnregionen, die eine wichtige Rolle für die Regulierung circadianer (circa diem = ungefähr ein Tag) Rhythmen und der Verarbeitung von Gedächtnisinhalten und Emotionen spielen. Licht spielt somit eine zentrale "nicht-visuelle" Rolle, die zur Zeit intensiv auf dem Gebiet der Chronobiologie, der Schlafforschung, der Kognitionsforschung, aber zunehmend auch von Lichtplanern und Architekten erforscht wird.

Licht- mehr als nur fürs Sehen

Lichtwirkungen, die nicht unmittelbar mit dem Sehen zusammenhängen, werden als sogenannte nicht-visuelle Lichtwirkungen bezeichnet, welche folgend zusammengefasst sind.

 

Abbildung 1. Die Eichung der inneren Uhr durch Licht. Die endogene Circadianrhythmik wird in den suprachiasmatischen Kernen (SCN), einem Hirngebiet im vorderen Hypothalamus, generiert. Das Signal wird über den paraventrikulären Nukleus (PVN), über das superiore Zervikalganglion im Rückenmark (SCG) zur Pinealis, dem Ort der Melatoninproduktion weitergeleitet. Die Sekretion des Hormons Melatonin ist tagesrhythmisch unter der Kontrolle der SCN. Falls Dauerlicht oder Dauerdunkelheit aufs Auge fällt, ist der Tagesgang des Melatonins nicht synchronisiert und läuft „frei“, gemäss der endogenen Circadianperiodik, die von 24 Stunden abweicht (oberes Beispiel). In diesem Beispiel verzögert sich die Melatoninproduktion jeden Tag um ca. 0.8 Stunden, weil die endogene Tagesperiodik 24.8 Stunden beträgt. Falls der periodische Licht-Dunkelwechsel, der durch die Erdrotation genau 24 Stunden beträgt, wahrgenommen wird, wird dieses Signal vom Auge, über die Netzhaut, via den retinohypothalamischen Trakt (RHT) direkt zu den SCN weitergeleitet. Dieser Licht-Dunkelwechsel wirkt als Zeitgeber, das heisst die Endogenperiodik wird auf die Exogenperiodik des 24-Stunden Lichtdunkelwechsel abgeglichen, man spricht von circadianem „Entrainment“.

1. Licht eicht die innere Uhr.

Die Tagesrhythmik (Circadianrhythmik) ist eine Spontanrhythmik, die eigentlich in jeder Körperzelle tickt, aber von einem reiskorngrossen Hirngebiet, das ca. 2 cm hinter der Nasenwurzel liegt, kontrolliert wird. Dieses Hirngebiet liegt in den sogenannten suprachiasmatischen Kernen und umfasst ungefähr 10 bis 20000 Nervenzellen, die als Schrittmacher fungieren, indem sie eine endogene Spontanaktivität mit einer Rhythmik von 24 Stunden generieren (Abbildung 1). Falls kein Licht vorhanden ist, oder Dauerlicht herrscht, misst man bei Menschen eine Spontanrhythmik, die im Durchschnitt etwas länger als 24 Stunden, nämlich 24.2 Stunden beträgt. Die Periodenlänge ist individuell verschieden und zum Teil genetisch determiniert. So haben Frühtypen (Lerchen) eher kürzere als 24 Stunden Periodenlängen, während Abendtypen (Eulen) eher langsamer > 24.8 Stunden ticken. Leben Menschen unter Dauerdunkelheit (z.B. Sehbehinderte) oder Dauerlicht, laufen die Tagesrhythmen frei- gemäss der endogenen Periodik (Abbildung 1 oberes Beispiel). Das heisst, die Rhythmen sind nicht auf den Tag-Nachtwechsel abgestimmt. Der immer wiederkehrende Licht-Dunkelwechsel, dem wir normalerweise täglich ausgesetzt sind, gleicht diese Spontanrhythmik auf die exakte 24-Stunden Periodik der Erdrotation ab (Abbildung 1 unteres Beispiel). Licht wirkt deshalb als Zeitgeber. Zuwenig Licht für einige Zeit, oder Licht zur falschen Zeit (z.B. bei der Schichtarbeit), bringt die innere Uhr aus dem Lot mit dem natürlichen 24-Stunden-Licht-Dunkelwechsel, was zu circadianen Schlafstörungen führt. Das geschieht sehr oft bei Leuten mit Sehbehinderungen, bei Schichtarbeitern oder wenn man nach dem Überfliegen von mehreren Zeitzonen mit einem "Jetlag" zu kämpfen hat. Folgen einer dauernden circadianen Desynchronisation sind neben Schlafstörungen auch gastrointestinale Beschwerden, Depressionen und kardiovaskuläre Störungen. Dosis Wirkungsstudien haben ergeben, dass beim Menschen Lichtstärken ab ca. 100 lux wirksam sind für die Eichung der inneren Uhr (Abbildung 2). Mit Morgenlicht verschiebt man die innere Uhr nach vorne, also in eine östliche Zeitzone, während Licht am Abend die innere Uhr zurückverschiebt in eine westliche Zeitzone. Mit einem einzigen Lichtpuls von 10000 lux für 3 Stunden kann man die Circadianrhythmik bis zu 2 Stunden vor- bzw. nachverschieben.

 

Abbildung 2. Dosis-Wirkungsbeziehung zwischen der Beleuchtungsstärke und der phasenverschiebenden Wirkung von Licht nach Zeitzer 1999. Jedes Quadrat symbolisiert eine Versuchsperson, die während 6.5 Stunden mit je einer unterschiedlichen Lichtstärke (2-10000 lux) bestrahlt wurde.
Abbildung 3. Positive Wirkung von LED Computerbildschirmen auf höhere kognitive Funktionen im Vergleich zu nicht-LED Computerbildschirmen, die weniger Blauanteile im Lichtspektrum haben.

2. Licht macht wach.

Eine tagaktive Spezies wie der Mensch empfindet das Licht als "Wachstimulus". Im Gegensatz dazu wirkt Licht bei nachtaktiven Tieren schlafinduzierend. Ab etwa 100 lux wirkt Licht bei jungen Menschen wachheitssteigernd. Das entspricht einer nicht allzu starken Raumbeleuchtung. Diese Helligkeit kann aber schon vor einem Computerbildschirm sitzend erreicht werden. Neben der Lichtstärke spielt auch die Wellenlänge, also die farbliche Zusammensetzung des Lichts, eine wichtige Rolle. So hat Licht mit hohen Blauanteilen eine stärkere wachheitssteigernde Wirkung als Licht in anderen Farben, weil spezielle Lichtrezeptoren in der Netzhaut besonders bei Blaulicht aktiv werden, und so die nicht-visuellen Lichtwirkungen gezielt auf das Gehirn weitervermitteln. Es wird vermutet, dass die Rezeptoren für die nicht-visuellen Lichtwirkungen eng mit den klassischen visuellen Rezeptoren, den Stäbchen und Zäpfchen, kommunizieren. Je nach Lichtstärke und Dauer des Lichtstimulus beteiligen sich Stäbchen, Zäpfchen oder sogenannte "intrinsisch photosensitive Ganglienzellen in der Netzhaut" unterschiedlich stark an der Vermittlung nicht-visueller Lichtwirkungen.

3. Licht macht helle.

Neue Untersuchungen zeigen, dass Licht auch direkte Auswirkungen auf die kognitive Leistungsfähigkeit von Menschen hat. Wir konnten zum Beispiel feststellen, dass Versuchspersonen, die eine Lernaufgabe vor einem mit Leuchtdioden (LED) mit vielen Blauanteilen bestückten Computerbildschirm besser lösten, als wenn sie die gleiche Aufgabe vor einem "normalen" Computerbildschirm ohne LEDs der gleichen Lichtstärke meistern mussten (Abbildung 3). Neben dem Gedächtnis für deklaratives Lernen werden auch sogenannt höhere kognitive Funktionen im Bereich der Exekutivkontrolle und der Daueraufmerksamkeit mit blauangereichertem Licht im Vergleich zu Glühlampenlicht verbessert.

4. Licht wirkt antidepressiv.

Die Lichttherapie ist das Mittel erster Wahl bei der Behandlung von Winterdepressionen, und deren Kosten werden schon seit über 20 Jahren von den Schweizerischen Krankenkassen vergütet. Zudem zeigen neue Studien, dass Licht auch bei anderen psychiatrischen Erkrankungen antidepressiv und gegen die häufige Tagesmüdigkeit wirkt. Hier ist der Wirkungsmechanismus weitgehend unbekannt. Neuere Untersuchungen mit bildgebenden Verfahren für die Hirnaktivitätsmessung zeigen, dass Licht direkt auf die sogenannten Mandelkerne wirkt. Das ist ein wichtiges Hirngebiet für die Verarbeitung von Gefühlen und Emotionen.

Konsequenzen für das Licht am Arbeitsplatz

Am Arbeitsplatz müssen die Lichtbedingungen vor allem bezüglich visuellem Komfort optimal abgestimmt werden. In letzter Zeit spielen aber auch die nicht-visuellen Lichtwirkungen zunehmend eine grössere Rolle. Aufgrund der neuen Forschungsresultate wie Lichtqualität und Wohlbefinden zusammenhängen, hat die Lampenindustrie ein neues Geschäftsfeld entdeckt. So erhofft man sich positive Effekte auch von besserem Licht am Arbeitsplatz. Ob diese Hoffnung berechtigt ist, haben Forscher der Universität Surrey in einem Bürogebäude in England untersucht. Sie bestrahlten je ein Stockwerk zuerst vier Wochen mit weissem Licht und dann vier Wochen mit blau angereichertem Licht oder umgekehrt. Sowohl Aufmerksamkeit als auch Gemütslage, Leistung, Konzentration und Sehkomfort waren beim blauweissen Licht signifikant verbessert. Auch konnten die Probanden in der Nacht besser schlafen. Wichtige Lichtquellen im Büro sind nicht nur Lampen, sondern auch die Bildschirme. Biologisch besonders aktiv sind Modelle der neueren Generation mit LEDs, denn sie emittieren stark im blauen Wellenlängenbereich. Neben der geistigen Leistungsfähigkeit wie oben erwähnt, wirken LED Bildschirme auch auf physiologische Messgrössen beim Menschen wie zum Beispiel die abendliche Produktion des Dunkelhormons Melatonin und die elektro-enzephalographisch gemessene Hirnaktivität (siehe 1).
Neben der Lichtgestaltung mit künstlichem Licht im Büro ist aber auch der Einbezug von natürlichem Tageslicht sehr wichtig. Schon 1971 definierte der Biologe Stephen Boyden das Bedürfnis nach Tageslicht als eine der "well-being needs": als Voraussetzung für ein Leben ohne stressbedingte Krankheiten. Man weiss, dass Mitarbeiter, die wenig Tageslicht abbekommen, unzufriedener und gesundheitlich anfälliger werden (Berliner Ergonomic Instituts für Arbeits- und Sozialforschung). Darum arbeiten Physiker, Lichtplaner, Architekten und Chronobiologen fieberhaft an ausgeklügelten Systemen und Gebäudegrundrissen, um das Tageslicht bis in hinterste Zimmerwinkel zu leiten. Eine ideale Lösung wäre, eine biodynamische Lichtquelle am Arbeitsplatz zu haben, die punkto Intensität und Wellenlänge (Farbe) dem natürlichen Wechsel des Tagelichts möglichst nahe kommt. Denn evolutionsgeschichtlich gesehen, wurde der Mensch nicht fürs Büro konzipiert. Für uns wäre es normal, wenn wir tagsüber draussen im Hellen wären. Einen sehr innovativen Ansatz, dieses Dilemma zu entschärfen, kommt derzeit vom Fraunhofer Institut, das eine dynamische Lichtdecke mit Tausenden kleiner LEDs entwickelt hat, welche dem Büroangestellten das Gefühl vermittelt, unter freiem Himmel zu arbeiten. Erste Untersuchungen zeigen, dass ein solches Lichtszenario vor allem bei der Verrichtung von kreativen Arbeiten am Computer auf grossen Anklang stösst.
Neben dieser kreativen technischen Lösung der Bürobeleuchtung versucht man eine nüchterne Vornorm zu erstellen, um die wichtige Begriffe zur cirkadianen, nicht-visuellen Wirkung von Licht auf den Menschen zu klären (DIN V 5031-100). Das Ziel ist es, aufzeigen, wann und wie biologisch wirksame Beleuchtung einzusetzen ist, und wie viel wirksamer sie ist als normales Licht. Viele Forscher glauben allerdings, dass es für eine solche Richtlinie noch zu früh ist. Es sind noch zu viele Fragen offen, und es mangelt an Studienergebnissen, um sich derart festzulegen. Es ist aber sehr positiv, dass neben den visuellen Aspekten nun vermehrt die Wirkungen des Lichts auf die innere Uhr und deren Regulation des Schlaf-Wachrhythmus, der kognitiven Leistung sowie der Stimmung berücksichtigt werden, denn Licht ist mehr als nur Helligkeit.

 

[Veröffentlicht: Mai 2012]