{"id":118,"date":"2009-07-19T17:09:06","date_gmt":"2009-07-19T15:09:06","guid":{"rendered":"http:\/\/localhost:8888\/wordpress\/?p=118"},"modified":"2009-10-21T15:28:37","modified_gmt":"2009-10-21T13:28:37","slug":"auge-licht-und-timing-system-circadiane-photorezeptoren-im-auge","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.lichtundgesundheit.de\/cyberlux\/?p=118","title":{"rendered":"Auge, Licht und Timing System – Circadiane Photorezeptoren im Auge"},"content":{"rendered":"

Autor:<\/h3>\n

Wolfgang Ehrenstein<\/span><\/h2>\n

Kurzfassung<\/span><\/h3>\n

K\u00fcrzlich wurde von zwei Arbeitsgruppen das Wirkungsspektrum circadianer (nichtvisueller) Photorezeptoren der Netzhaut des Menschen publiziert [1] [2]. Als Wirkung wurde die Hemmung der n\u00e4chtlichen Sekretion von Melatonin durch die Epiphyse (Zirbeldr\u00fcse) gemessen. Das Spektrum unterscheidet sich signifikant von den Spektren der St\u00e4bchen- und Zapfenpigmente des visuellen Systems und hat ein Wirkungsmaximum bei etwa 460 nm. Als Kandidaten f\u00fcr diese Photorezeptoren kommen opsinhaltige Photopigmente au\u00dferhalb der St\u00e4bchen und Zapfen in Frage, wie das Melanopsin [3], das Uralt-Opsin der Wirbeltiere (vertebrate ancient opsin, [4], OP479 [5], Peropsin [6] oder Panopsin [7]. <\/span><\/span><\/p>\n

Beitrag<\/span><\/span><\/h3>\n

Auge, Licht und Timing System<\/span><\/span><\/strong><\/h2>\n

Circadiane Photorezeptoren im Auge<\/span><\/span><\/h3>\n

K\u00fcrzlich wurde von zwei Arbeitsgruppen das Wirkungsspektrum circadianer (nichtvisueller) Photorezeptoren der Netzhaut des Menschen publiziert [1] [2]. Als Wirkung wurde die Hemmung der n\u00e4chtlichen Sekretion von Melatonin durch die Epiphyse (Zirbeldr\u00fcse) gemessen. Das Spektrum unterscheidet sich signifikant von den Spektren der St\u00e4bchen- und Zapfenpigmente des visuellen Systems und hat ein Wirkungsmaximum bei etwa 460 nm. Als Kandidaten f\u00fcr diese Photorezeptoren kommen opsinhaltige Photopigmente au\u00dferhalb der St\u00e4bchen und Zapfen in Frage, wie das Melanopsin [3], das Uralt-Opsin der Wirbeltiere (vertebrate ancient opsin, [4], OP479 [5], Peropsin [6] oder Panopsin [7]. <\/span><\/span><\/p>\n

Bedeutung der circadianen Photorezeptoren <\/span><\/span><\/strong><\/p>\n

Die Photorezeptoren sind Teil des Timing Systems. Das Timing System des Menschen ist eng verwandt mit dem der S\u00e4ugetiere. Zu dem System geh\u00f6rt der retinohypothalamische Trakt (RHT), \u00fcber den die Informationen aus den circadianen Photorezeptoren in den suprachiasmatischen Nucleus (SCN) weitergeleitet werden. <\/span><\/p>\n

Der SCN ist der zentrale Schrittmacher des Systems, die „biologische Uhr“. Er erzeugt bei Tier und Mensch endogene Rhythmen, die bei v\u00f6lliger Dunkelheit eine Periodendauer von ungef\u00e4hr einem Tag besitzen und daher circadiane Rhythmen genannt werden. Diese Rhythmen werden durch die periodischen Signale aus den retinalen Photorezeptoren des Systems mit den terrestrischen Rhythmen des 24-Stunden-Tages synchronisiert [8].
\n<\/span><\/p>\n

Noch ist unklar, ob und welche funktionellen Beziehungen in der Netzhaut zwischen dem visuellen System und den retinalen Anteilen des Timing Systems bestehen. Auf der Ebene der Bipolaren und der Ganglienzellen und in den zentripetalen Leitungsbahnen ist die anatomische Trennung beider Systeme nachgewiesen. Die zum Timing System geh\u00f6renden Ganglienzellen machen weniger als 1 % der Gesamtpopulation aus; sie sind klein, relativ gleichm\u00e4\u00dfig \u00fcber die Netzhaut verteilt, besitzen in der inneren plexiformen Schicht der Netzhaut weit verzweigte Dendriten und bilden mit ihren Axonen den retinohypothalamischen Trakt [8], [9]. <\/span><\/p>\n

Von der Netzhaut absorbiertes Licht ist der weitaus st\u00e4rkste und ma\u00dfgebliche Zeitgeber des Systems [10] [11]. Fallen die Netzhautrezeptoren aus, z. B. bei Blinden, die beide Augen verloren haben, so k\u00f6nnen die circadianen Rhythmen nicht mehr mit dem terrestrischen Tag synchronisiert werden und laufen frei [12] [13]. W\u00fcrden die circadianen Rhythmen des Menschen – wie fr\u00fcher vermutet – durch soziale Zeitgeber mit dem 24-Stunden Tag synchronisiert, so m\u00fcsste dies auch f\u00fcr die genannte Gruppe der Blinden gelten und einen Freilauf ihrer Circadianrhythmik verhindern. <\/span><\/p>\n

Eigenschaften der circadianen retinalen Lichtrezeption<\/span><\/h4>\n

Das Timing System reagiert wesentlich tr\u00e4ger auf Licht als das visuelle System [14]. Auch sehr intensive Lichtblitze k\u00f6nnen die biologische Uhr nicht verstellen; maximale Phasenverschiebungen – bezogen auf die absorbierte Lichtenergie – werden erst durch mehrere Minuten lange Lichtreize erzielt [15], [16]. <\/span><\/p>\n

Von den Nervenfasern des RHT innervierte, einzelne Zellen des SCN reagieren auf Lichtreize aus der gesamten Netzhaut; nach einer Einschwingphase antworten sie mit einer leuchtdichteabh\u00e4ngigen Dauerentladung [14]. <\/span><\/p>\n

Die gro\u00dffl\u00e4chige Verteilung der absorbierten Strahlung erh\u00f6ht deren Wirkung: Wird gleichm\u00e4\u00dfig verteiltes Licht nur einer Netzhaut dargeboten, so ist seine suppressive Wirkung auf die n\u00e4chtliche Melatoninsekretion des Menschen signifikant geringer als wenn die gleiche Photonenmenge auf die Netzh\u00e4ute beider Augen verteilt wird [17]. <\/span><\/p>\n

Die Absolutschwelle der circadianen Photorezeptoren liegt einige Zehnerpotenzen \u00fcber der absoluten Sehschwelle, ihr Arbeitsbereich umfasst etwa drei Gr\u00f6\u00dfenordnungen [14] [18]. Eine Raumbeleuchtung < 8 lx gilt als unterschwellig f\u00fcr das Timing System des Menschen [2], [19].
\n<\/span><\/p>\n

Direkte und synchronisierende Wirkung des Lichts
\nauf das Timing System
\n<\/strong><\/span><\/p>\n

Das Leben hat sich in einer einige Milliarden Jahre w\u00e4hrenden genetischen Adaptation an die ultrastabilen Tages- und Jahresrhythmen auf der Erdoberfl\u00e4che angepasst, die durch die relativ konstante Sonnenstrahlung, die pr\u00e4zise Rotation der Erde um ihre eigene Achse und um die Sonne sowie die relativ konstante Inklination der Erdachse zu ihrer Umlaufbahn gegeben sind. Den tages- und jahreszeitlichen Schwankungen der Sonnenlichtimmission sind seit eh und je erhebliche wetterbedingte Schwankungen \u00fcberlagert.<\/span><\/p>\n

Unser Timing System hat sich an beide Komponenten angepasst. Mit der circadianen Rhythmik und ihrer Phasenlage reagieren wir auf die tages- und jahreszeitlichen Trends. Die Anpassung an die \u00fcberlagerten, Wetter bedingten Lichtschwankungen werden durch direkte Wirkungen des Lichts auf das Timing System ber\u00fccksichtigt. <\/span><\/p>\n

Zu diesen direkten Wirkungen z\u00e4hlt die n\u00e4chtliche Suppression der Melatoninsekretion, die zur Identifizierung der circadianen Photorezeptoren der Netzhaut benutzt wurde (s. o.). Dazu geh\u00f6ren auch die aktivierenden Wirkungen von Licht, deren physiologische Mechanismen noch wenig gekl\u00e4rt sind [20]. Die direkten Wirkungen werden in der Chronobiologie aus methodologischen Gr\u00fcnden auch als Maskierung (engl. masking) bezeichnet.
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Unterschiede zwischen dem visuellen und dem Timing System:
\nReaktion auf die mittlere Leuchtdichte im Gesichtsfeld
\n<\/strong><\/span><\/p>\n

Die phylogenetische Optimierung der Sehfunktion war darauf gerichtet, die Anpassung an die mittlere Leuchtdichte im Gesichtsfeld in Bezug auf Geschwindigkeit und Ausma\u00df zu optimieren, um trotz der gewaltigen \u00c4nderungen der Leuchtdichte im Laufe eines Tages ein Sehen rund um die Uhr sicherzustellen. <\/span><\/p>\n

Das Timing System ist auf vollkommen andere Ziele ausgerichtet: Es misst die langsamen Tagesschwankungen der Leuchtdichte und die Zeitpunkte des \u00dcbergangs von Tag und Nacht. Da die Adaptation des visuellen Systems an die mittlere Leuchtdichte auch deren Photorezeptoren einbezieht, kommt die Entdeckung eigener Rezeptoren f\u00fcr das Timing System nicht ganz unerwartet. <\/span><\/p>\n

Doppelfunktion des Auges:
\nSinnesorgan f\u00fcr die Orientierung in Raum und Zeit<\/strong><\/span><\/p>\n

Das Auge ist also mehr als ein Sehorgan. Zu unserem wichtigsten Distanzsinn f\u00fcr die r\u00e4umliche Orientierung, dem Sehen mit Hilfe der St\u00e4bchen und Zapfen, kommt die zeitliche Orientierung hinzu mit Hilfe der circadianen Photorezeptoren. <\/span><\/p>\n

Der SCN dirigiert als zentraler Schrittmacher des Timing Systems f\u00fcr die Steuerung des Verhaltens (Schlaf-Wach-Verhalten) ein 24-Stunden-Programm des subjektiven Befindens und hat einen tief greifenden Einfluss auf die mit dieser Steuerung verbundenen vegetativ-hormonellen Regulationen.
\n<\/strong><\/span><\/p>\n

Die Wirkung des Lichts auf die Phasenlage der biologischen Uhr
\nist von deren Phasenlage abh\u00e4ngig
\n<\/strong><\/span><\/p>\n

Nach neueren Untersuchungen dauert die freilaufende circadiane Periode des Menschen im Mittel etwa 10 – 20 min l\u00e4nger als der 24-Stunden-Tag; entgegen \u00e4lteren Annahmen verk\u00fcrzt sich die freilaufende Periodendauer nicht mit dem Lebensalter [19]. Durch den freilaufenden Rhythmus wird im K\u00f6rperinnern der regelm\u00e4\u00dfige Wechsel organisiert zwischen einer leistungsorientierten ergotropen Phase und einer erholungsorientierten trophotropen Funktionslage. Man spricht vom Wechsel zwischen subjektivem Tag und subjektiver Nacht.<\/span><\/p>\n

Die synchronisierende Zeitgeberwirkung des retinal absorbierten Lichts ist von der Phasenlage der biologischen Uhr abh\u00e4ngig. Nach einer vor einigen Jahrzehnten entwickelten Modellvorstellung bestehen zwei aneinander gekoppelte Untereinheiten der Uhr, die den morgendlichen und den abendlichen \u00dcbergang zwischen Tag und Nacht bestimmen und als Abend- und Morgenoszillatoren bezeichnet werden [21] [22]. Durch das Zusammenwirken beider Oszillatoren wird demnach die innere Funktionsordnung der zeitlichen Lage und Dauer der Photoperiode (Tag) und der korrespondierenden Skotoperiode (Nacht) angepasst.<\/p>\n

Die phasenverschiebende Wirkung \u00fcberschwelliger Lichtreize bzw. Dunkelreize in Abh\u00e4ngigkeit von der Phasenlage des Timing Systems ist f\u00fcr den Menschen und zahlreiche Tierarten bestimmt worden und wird als sog. Phasen-Antwort-Kurve (Phase Response Curve, PRC) dargestellt. Die PRC von tag- und nachtaktiven Tieren sind prinzipiell gleichartig. Das tag- bzw. d\u00e4mmerungsaktive Verhalten der verschiedenen Species beruht also nicht auf einer unterschiedlichen Phasenlage ihrer biologischen Uhr sondern auf unterschiedlichen Steuerungsprogrammen, die von der Uhr erzeugt werden.
\n<\/strong><\/p>\n

Die biologische Uhr reagiert auf jahreszeitliche und wetterbedingte
\nVerschiebungen der Morgen- und Abendd\u00e4mmerung<\/strong><\/span><\/p>\n

Die tageszeitliche Verschiebung der beiden Grenzen ist unter nat\u00fcrlichen Lebensbedingungen im Verlauf der Jahreszeiten gegenl\u00e4ufig und zu Beginn von Fr\u00fchling und Herbst mit etwa 5 min\/Tag am gr\u00f6\u00dften. Vom Wetter abh\u00e4ngige Verschiebungen des D\u00e4mmerungsbeginns von Tag zu Tag k\u00f6nnen ein Vielfaches dieser Zeitspanne betragen.<\/span><\/p>\n

Trotz dieser \u00dcberlagerungen ist das Timing System in der Lage, aus den \u00c4nderungen der Photoperiode die Jahreszeit zu bestimmen. Tage- bis wochenlange Nachwirkungen der retinalen Lichtexposition erm\u00f6glichen die Erkennung l\u00e4ngerfristiger Trends [22].<\/span><\/p>\n

Der SCN kann aufgrund dieser Eigenschaften nicht nur die Funktion einer biologischen Uhr sondern auch die eines biologischen Kalenders erf\u00fcllen. Bei Tieren wurde die Existenz freilaufender circannualer Rhythmen nachgewiesen. Welche physiologische Funktion den nachgewiesenen Jahresrhythmen des Menschen zukommt, ist unklar.<\/p>\n

Pl\u00f6tzliche Zeitzonenwechsel erzeugen durch das Tageslicht einen
\ngleichgerichteten Phasensprung des Abend- und Morgenoszillators<\/strong><\/span><\/p>\n

Bei transkontinentalen Fl\u00fcgen \u00fcber mehrere Zeitzonen hinweg kommt es zu pl\u00f6tzlichen gleichsinnigen Zeitverschiebungen von Morgen- und Abendd\u00e4mmerung um mehrere Stunden. Die maximale Geschwindigkeit der Anpassung an die neue Ortszeit durch retinale Lichteinwirkung kann in kontrollierten Laborexperimenten bestimmt werden. Sie betr\u00e4gt nach gegenw\u00e4rtiger Kenntnis etwa zwei bis drei
\nStunden pro Tag [23]. Damit ist auch der Zeitrahmen f\u00fcr die Geschwindigkeit der Anpassung an Nacht- und Schichtarbeit abgesteckt.<\/span><\/p>\n

Gestreutes und reflektiertes Tageslicht, die ma\u00dfgebliche nat\u00fcrliche Lichtquelle
\nder circadianen Photorezeptoren<\/strong><\/span><\/p>\n

Das direkte Sonnenlicht ist kein Zeitgeber des Timing Systems: Der direkte, nicht blendende, l\u00e4ngere, schmerzfreie Blick auf die Sonnenscheibe ist nur unter g\u00fcnstigen Bedingungen bei Sonnenaufgang und \u2013untergang m\u00f6glich. In der Regel ist die Sonne extrem blickabweisend. Als nat\u00fcrlicher Zeitgeber unseres Timing Systems wirkt das gestreute Sonnenlicht des meist blickattraktiven Himmels, an zweiter Stelle
\ndas von der Umgebung reflektierte Sonnenlicht.<\/span><\/p>\n

In der Nacht sind alle nat\u00fcrlichen Lichtquellen unterschwellig. Die Beleuchtungsst\u00e4rke liegt bei Vollmond (< 0,4 lx) um etwa eine Gr\u00f6\u00dfenordnung unter der Schwelle des Timing Systems (8 – 10 lx). Auch das hellere Licht von Feuer und Kerze ist nahezu unwirksam, weil es nur wenig Licht aus dem kurzwelligen Spektrum enth\u00e4lt. Gleiches gilt in geringerem Ausma\u00df f\u00fcr das Gl\u00fchlampenlicht.<\/span><\/p>\n

Das \u201eDiktat der Nacht\u201c
\nstabilisiert die Phasenlage des circadianen Systems<\/strong><\/span><\/p>\n

Unter nat\u00fcrlichen Lebensbedingungen wird die Phasenlage der circadianen Rhythmik bei Tier und Mensch vor allem von der Nacht diktiert: Dem Einfluss des Lichtes auf das Timing System k\u00f6nnen wir uns am Tage durch Schlie\u00dfen der Augen und das Aufsuchen dunkler H\u00f6hlen und R\u00e4ume entziehen; dem Diktat der Nacht
\n<\/strong>k\u00f6nnen wir uns in der freien Natur durch \u00c4nderungen des Verhaltens ohne die modernen k\u00fcnstlichen Lichtquellen nicht entziehen, weil die nat\u00fcrlichen n\u00e4chtlichen Lichtquellen f\u00fcr das Timing System unterschwellig sind.<\/span><\/p>\n

Hunger nach Tageslicht und Lichtscheu wechseln mit der circadianen Phasenlage<\/strong><\/span><\/p>\n

Der Stabilisierung der circadianen Phasenlage dient die tagesrhythmisch schwankende Einstellung zum Licht. Normalerweise besteht nur w\u00e4hrend der ergotropen Tagphase der Circadianrhythmik ein Hunger nach Licht. W\u00e4hrend der trophotropen Nachtphase besteht eine physiologische Lichtscheu bzw. eine Bevorzugung warmen Lichts (Kerze, Gl\u00fchlampe).<\/span><\/p>\n

Die Wertsch\u00e4tzung des Tageslichts am Arbeitsplatz wird h\u00e4ufig psychologisch begr\u00fcndet: Durch ein Fenster werde der visuelle Kontakt zur Au\u00dfenwelt gew\u00e4hrleistet und klaustrophoben Gef\u00fchlen vorgebeugt. Die Erkenntnisse \u00fcber die Funktionsweise des Timing Systems lassen eine andere bzw. erg\u00e4nzende Deutung
\nzu: Die k\u00fcnstliche Beleuchtung ist meistens zu sehr an den visuellen Bed\u00fcrfnissen ausgerichtet und ber\u00fccksichtigt zu wenig die Anspr\u00fcche des Timing Systems.<\/span><\/p>\n

Technische Lichtquellen gef\u00e4hrden die circadiane Stabilit\u00e4t<\/strong><\/span><\/p>\n

Technische Lichtquellen stehen jederzeit und von Jahr zu Jahr in immer besserer Qualit\u00e4t zu immer g\u00fcnstigeren Preisen zur Verf\u00fcgung. Damit wachsen die Risiken einer Destabilisierung der circadianen Funktionsordnung durch eine Anwendung taghellen Lichts zur \u201efalschen\u201c Zeit.<\/span><\/p>\n

Technische Lichtquellen k\u00f6nnen zur Optimierung und Stabilisierung der
\ncircadianen Funktionsordnung genutzt werden<\/strong><\/span><\/p>\n

Die Erkenntnisse der Chronobiologie geben eine wissenschaftliche Begr\u00fcndung f\u00fcr die Wertsch\u00e4tzung des Tageslichts und unterstreichen die Bedeutung einer guten Tageslichtversorgung von Wohnr\u00e4umen und Arbeitspl\u00e4tzen. Dem sollte durch die architektonische Gestaltung von Wohn-, B\u00fcro- und Fabrikgeb\u00e4uden Rechnung getragen werden.<\/span><\/p>\n

Es liegt nahe, die Stimulierung des Timing Systems durch k\u00fcnstliches Licht immer dann konsequent zu betreiben, wenn die Versorgung mit Tageslicht unzureichend ist. Tageslichtmangel kann jahreszeitlich oder wetterbedingt auftreten. Er kann auch entstehen durch technische Notwendigkeiten der Arbeitsplatzgestaltung oder die Ausdehnung der Arbeitszeit in die Nachtstunden. <\/span><\/p>\n

Die Nutzung der chronobiologischen Erkenntnisse bei Schichtarbeit wirft besondere Probleme auf, weil mit dem Schichtwechsel pl\u00f6tzliche „unphysiologisch“ gro\u00dfe Phasenspr\u00fcnge des Schlaf-Wach-Verhaltens und Schwierigkeiten der privaten Lebensgestaltung verbunden sind.<\/span><\/p>\n

2 Nutzung der Timing Wirkungen k\u00fcnstlichen Lichts <\/strong><\/span><\/p>\n

Unbeabsichtigte und ungezielte Nutzung<\/strong><\/span><\/p>\n

Seit grauer Vorzeit haben Menschen Licht durch die Verbrennung organischer Materialien erzeugt (Feuer, Fackeln, Kerzen) und als Sehhilfe benutzt. Diese schwachen Lichtquellen erlauben kein optimales Sehen und haben wegen des <\/strong>geringf\u00fcgigen Anteils kurzwelligen Lichts keine nennenswerte Wirkung auf das Timing System. Mit der Einf\u00fchrung des elektrischen Lichts verbesserten sich die Sehbedingungen erheblich. Solange die Gl\u00fchlampe dominierte, blieb aber die Wirkung auf das Timing System relativ gering.<\/span><\/p>\n

Das \u00e4ndert sich seit der Einf\u00fchrung der Leuchtstofflampen. Zum einen erleichtern die geringeren Verbrauchskosten eine bessere Raumausleuchtung, zum anderen enth\u00e4lt das Licht der Leuchtstofflampen in der Regel einen h\u00f6heren Anteil des besonders wirksamen kurzwelligen Lichts. In vielen B\u00fcros und an einer steigenden Zahl industrieller und nichtindustrieller Arbeitspl\u00e4tze werden Beleuchtungen eingesetzt,
\ndie erhebliche Wirkungen auf das Timing System haben.<\/span><\/p>\n

Diese Wirkung ist in der Regel ungezielt. Den meisten Anwendern sind das Timing System und seine Eigenschaften unbekannt. Die Wirkungen werden deshalb bislang viel zu wenig systematisch genutzt. F\u00fcr zwei Anwendungsfelder sollen neuere Forschungsergebnisse referiert werden, um das Verst\u00e4ndnis zu f\u00f6rdern f\u00fcr die Wirkpotentiale einer das Timing System gezielt einbeziehenden Lichtanwendung. Sie dienen als Grundlage der anschlie\u00dfenden Diskussion einiger allgemeiner Leitlinien zur Nutzung der Lichtwirkungen auf das Timing System. Daraus ergeben sich einige \u00dcberlegungen f\u00fcr die Gestaltung der erforderlichen Beleuchtungssysteme.<\/span><\/p>\n

Wissenschaftliche Grundlagen f\u00fcr ein Lichtmanagement bei Nacht- und Schichtarbeit<\/strong><\/span><\/p>\n

Zeitzer et al. [24] untersuchten in einem Laborexperiment die direkte und die phasenverschiebende Wirkung eines einzigen, 6 1\/2 st\u00fcndigen Lichtpulses kaltwei\u00dfen Lichtreiz. Die Beleuchtungsst\u00e4rke au\u00dferhalb des Lichtpulses betrug < 0,03 lx w\u00e4hrend der 8st\u00fcndigen Bettruhe und < 10 lx w\u00e4hrend der 16st\u00fcndigen Wachphase. Der Lichtpuls wurde durch Deckenlicht erzeugt und sorgte f\u00fcr eine gleichm\u00e4\u00dfige konstante Raumausleuchtung. Er wurde 3,5 Stunden vor dem individuell bestimmten circadianen Minimum der K\u00f6rpertemperatur zentriert. Jeder Proband wurde mit nur einer Beleuchtungsst\u00e4rke des Lichtpulses getestet. Die vertikale Beleuchtungsst\u00e4rke variierte bei den 21 Probanden zwischen 3 und 9100 lx.<\/span><\/p>\n

Die maximale Phasenverschiebung betrug etwa 3 Stunden. 90% der asymptotischen maximalen Antwort wurden mit etwa 550 lx f\u00fcr die phasenverschiebende Wirkung und etwa 200 lx f\u00fcr die direkte Wirkung erzielt.<\/span><\/p>\n

Die direkte aktivierende Wirkung des Lichtpulses korrelierte mit dem Ausma\u00df der Melatoninsuppression. Als Messgr\u00f6\u00dfen dieser Wirkung dienten die subjektive Schl\u00e4frigkeit, das Vorkommen langsamer Augenbewegungen und die EEG-Aktivit\u00e4t im Bereich von 5 \u2013 9 Hz [25]. Die halbmaximale Wirkung des Lichtpulses lag bei einer vertikalen Beleuchtungsst\u00e4rke von 80 \u2013 160 lx. Sie liegt damit im Bereich einer
\ntypischen k\u00fcnstlichen B\u00fcrobeleuchtung. Der Arbeitsbereich des Timing Systems liegt demnach etwa zwischen 50 und 600 lx [24].<\/span><\/p>\n

Dennoch verursachen derartige Arbeitsplatzbeleuchtungen bei Nachtarbeitern in der Regel keine oder nur geringf\u00fcgige circadiane Phasenverschiebungen. Der Grund daf\u00fcr liegt in einem unzureichenden Lichtmanagement. Das wurde mit einem weiteren Experiment der gleichen Arbeitsgruppe nachgewiesen. [26]
\nDie Nachtschichtperiode bestand aus drei aufeinanderfolgenden Nachtschichten mit kontrollierter Testarbeit und definierter Beleuchtung. Das Lichtmanagement bestand aus zwei Komponenten: der Beleuchtung des Arbeitsplatzes sowie der Lage und Dauer der Dunkelphase f\u00fcr den Tagschlaf. Beide Komponenten wurden in zwei Versionen getestet. Die vertikale Beleuchtungsst\u00e4rke des Arbeitsplatzes betrug entweder 150 lx oder 2500 lx. Dauer und zeitliche Lage der Dunkelphase f\u00fcr den Tagschlaf zu Hause waren entweder fixiert oder frei gestellt. Daraus ergaben sich vier Versuchsbedingungen: 1. 150 lx – frei (Kontrolle = Simulation der g\u00e4ngigen betrieblichen Praxis), 2. 150 lx – fixiert, 3. 2500 lx – frei und 4. 2500 lx – fixiert. Die fixierte Dunkelphase f\u00fcr Bettruhe und Tagschlaf begann kurz nach dem Ende der Nachtschicht und dauerte acht Stunden. Im anderen Fall mussten die Probanden nur bei vollst\u00e4ndiger Dunkelheit schlafen; wann und wie lange sie schliefen, war ihnen freigestellt.<\/span><\/p>\n

Die Erh\u00f6hung der n\u00e4chtlichen Beleuchtungsst\u00e4rke verschob das circadiane Temperaturminimum aus der Nachtschicht in Richtung des nachfolgenden Tagschlafs (p < 0,0001), die kontrollierte Dunkelphase wirkte gleichartig, gleichgerichtet und additiv (p < 0,0005). Die mittleren Phasenverschiebungen betrugen: 1. 150 lx – frei: ~1\/2 Std, 2. 150 lx – fixiert: ~ 2 Std, 3. 2500 lx frei: ~4 Std. und 4. 2500 lx – fixiert: ~6 Std.<\/span><\/p>\n

Lichtmanagement im Alter<\/strong><\/span><\/p>\n

Die Wirksamkeit der Stimulierung des Timing Systems durch „helles Licht“ bei Winterdepression wurde vor etwa 2 Jahrzehnten entdeckt [27] . Die Therapie gilt als wissenschaftlich gesichert und wird in steigendem Ma\u00dfe auch bei anderen Krankheiten eingesetzt [28] [29] [30] [31] [32]. Hier soll ein Anwendungssektor n\u00e4her
\nbeleuchtet werden, der durch die demographische Entwicklung aus humanen, gesellschaftlichen und \u00f6konomischen Gr\u00fcnden eine zunehmende Bedeutung erlangt, die Verbesserung der Schlaf-Wach-Steuerung und die Steigerung der Lebens-qualit\u00e4t im Rentenalter [33] [34].<\/span><\/p>\n

Das Schlaf-Wach-Verhalten wird durch das Zusammenwirken des Timing Systems mit einem hom\u00f6ostatischen Prinzip reguliert [35]. Die durch das hom\u00f6ostatische Prinzip verursachte Schlafneigung steigt w\u00e4hrend des Wachens kontinuierlich an. Dem wirken circadiane Signale entgegen, besonders stark in der zweiten H\u00e4lfte des Tages. Daraus resultiert in den Stunden vor der gewohnten Bettgehzeit die von Lavie
\nbeschriebene „forbidden zone for sleep“ [36]. Sie weicht einer schnell und stark ansteigenden Schlafneigung („sleep gate“), die durch den n\u00e4chtlichen Anstieg der Melatoninsekretion verursacht wird [37]. W\u00e4hrend des Nachtschlafes nimmt die durch das homo\u00f6statische Prinzip bedingte Schlafneigung exponentiell ab und ist in
\nder zweiten Schlafh\u00e4lfte weitgehend abgebaut. Dann f\u00f6rdern circadiane Signale die Fortdauer des Schlafes. [19].<\/span><\/p>\n

Die physiologische Funktion des Timing Systems besteht darin, Wach- und Schlafphase zu konsolidieren und im Hell-Dunkel-Wechsel von Tag und Nacht adaequat zu positionieren. Die Konsolidierung der Schlafphase kann durch eine Verk\u00fcrzung des Skotoperiode gef\u00f6rdert werden [38] [39].<\/span><\/p>\n

Die Leistungsbreite beider Systeme sinkt im Alter und erschwert die Kompensation \u00e4u\u00dferer und innerer St\u00f6rfaktoren bei der Regulation des Schlaf-Wach-Verhaltens. Dem kann durch ein verbessertes Lichtmanagement und ein optimales Timing des Schlafes entgegengewirkt werden.<\/span><\/p>\n

Die Menschen tendieren mit steigendem Lebensalter dazu, morgens immer fr\u00fcher aufzustehen, weil sie nicht weiterschlafen k\u00f6nnen. Diese Alltagserfahrung l\u00e4\u00dft sich wissenschaftlich belegen [40] und findet durch die Ergebnisse von Laboruntersuchungen eine Erkl\u00e4rung. Das n\u00e4chtliche circadiane Temperatur-minimum
\nliegt bei Senioren zeitlich 1 \u2013 2 Stunden vor dem junger Erwachsener [41] [42]. Au\u00dferdem wachen Senioren normalerweise k\u00fcrzere Zeit nach dem Durchlaufen ihres circadianen Temperaturminimums auf als junge Erwachsene [19], sie k\u00f6nnen im aufsteigenden Ast ihrer circadianen Temperaturrhythmik nach zwischenzeitlichem Erwachen schlechter wieder einschlafen als j\u00fcngere Menschen [43] [44].<\/span><\/p>\n

Die Dauer der autonomen circadianen Periode \u00e4ndert sich entgegen fr\u00fcheren Annahmen nicht mit dem Lebensalter [45] [19]. Licht hat auch bei Senioren noch eine robuste Zeitgeberwirkung auf die Phase der biologischen Uhr. Das Ausma\u00df der Phasenvorverlagerung ist aber signifikant geringer als bei j\u00fcngeren Erwachsenen. Die Phasenverz\u00f6gerung unterscheidet sich dagegen nicht in beiden Altersgruppen
\n[46]. Die Amplitude der circadianen Komponente der K\u00f6rpertemperatur ist bei \u00e4lteren Menschen 20 \u2013 30 % geringer als bei j\u00fcngeren [41] [19]. Im Alter kann eine \u00c4nderung der Phasenbeziehung zwischen Schlaf und circadianem System durch eine Lichtstimulierung des Timing Systems am Abend zu erheblichen Verbesserungen des Nachtschlafs f\u00fchren [47].<\/span><\/p>\n

Bereits im fr\u00fchen Erwachsenenalter beginnt eine fortschreitende Abnahme der Amplitude der langsamen Wellen im Schlaf-EEG [48] [49] [50]. Sie sind die Indikatormessgr\u00f6\u00dfe f\u00fcr das homo\u00f6statische Prinzip der Schlaf-Wach-Steuerung [35]. Diese Abnahme geht einher mit zunehmenden Schwierigkeiten beim Einschlafen
\nund insbesondere beim Durchschlafen. Das \u00e4u\u00dfert sich in einer zunehmenden H\u00e4ufung von Schlafunterbrechungen, insbesondere in der zweiten Schlafh\u00e4lfte und einer leichten Abnahme der Schlafdauer. Die geringsten Schlafunterbrechungen treten auf, wenn der gr\u00f6\u00dfte Teil des Schlafes in den abfallenden Schenkel der circadianen Temperaturrhythmik f\u00e4llt [51] [43].<\/span><\/p>\n

Erh\u00f6hter Lichtbedarf im Alter<\/strong><\/span><\/p>\n

Im Alter werden nicht nur die beiden Regulationssysteme des Schlaf-Wach-Verhaltens immer mehr geschw\u00e4cht. Es steigt auch das physiologische Bed\u00fcrfnis nach Licht.<\/span><\/p>\n

Die Lichtdurchl\u00e4ssigkeit der Augenlinse nimmt mit dem Alter ab, insbesondere im kurzwelligen Bereich [52]. Das steigende Lichtbed\u00fcrfnis des Timing Systems kann durch den Aufenthalt im Freien befriedigt werden. Dem steht der zunehmende R\u00fcckzug ins Haus entgegen, der durch soziale und gesundheitliche Gr\u00fcnde
\nbeg\u00fcnstigt oder erzwungen wird.<\/span><\/p>\n

Senioren ben\u00f6tigen wegen der nachlassenden Sehkraft h\u00f6here Beleuchtungsst\u00e4rken als j\u00fcngere Menschen, um sich eigenverantwortlich selbst versorgen und besch\u00e4ftigen zu k\u00f6nnen. Dem wird im privaten Wohnbereich und in geriatrischen Einrichtungen nicht immer hinreichend Rechnung getragen. Im privaten Wohnbereich wird noch immer die Gl\u00fchlampenbeleuchtung bevorzugt. Sie erm\u00f6glicht gute Sehbedingungen bei relativ geringer Stimulierung des Timing Systems und eignet sich deshalb gut f\u00fcr den Feierabend, weil sie die Vorbereitung
\ndes Organismus auf den Nachtschlaf relativ wenig st\u00f6rt. Bei \u00e4lteren, ans Haus gebundenen Menschen kann Gl\u00fchlampenlicht wegen des geringen kurzwelligen Anteils eine mangelhafte Stimulierung des Timing Systems beg\u00fcnstigen und einen circulus vitiosus einleiten. Dieser \u00e4u\u00dfert sich am Tage in steigender Apathie,
\nSchl\u00e4frigkeit und Verwirrtheit, bei Nacht in einem gest\u00f6rten Schlaf [33].<\/span><\/p>\n

3 Leitlinien f\u00fcr das circadiane Lichtmanagement:
\nPositionierung und Stabilisierung der circadianen Phase,
\nOptimierung der ergotropen Aktivierung
\n<\/strong><\/span><\/p>\n

K\u00fcnstliches Licht kann dazu genutzt werden, 1. die Konsolidierung des Schlaf-Wach-Verhaltens zu f\u00f6rdern, 2. die Phasenlage des Timing Systems zu verschieben, 3. diese Phasenverschiebung zu beschleunigen und 4. die Auswirkungen pl\u00f6tzlicher und gro\u00dfer zeitlicher Verschiebungen des Schlaf-Wach-Verhaltens gegen die
\nendogene circadiane Phasenlage zu mildern.<\/span><\/p>\n

Vor der Einf\u00fchrung des elektrischen Lichts erzwang die nicht vermeidbare n\u00e4chtliche Sekretion von Melatonin zusammen mit den unzureichenden Sehbedingungen die weitgehende Achtung der Nachtruhe und synchronisierte das gesellschaftliche Leben.<\/span><\/p>\n

Mit der Verbesserung der Lichtquellen steigen die Verlockungen zu deren ungeordneter Anwendung w\u00e4hrend der trophotropen circadianen Phase. Diese Nutzung wird durch die direkten, aktivierenden Wirkungen des Lichts auf das Timing System erleichtert.<\/span><\/p>\n

Die direkten Wirkungen \u00fcberdecken die l\u00e4ngerfristigen Folgen f\u00fcr die zeitliche Funktionsordnung. Die l\u00e4ngerfristigen Folgen k\u00f6nnen ohne theoretische Vorkenntnisse als solche kaum erkannt werden. Sie treten stark verz\u00f6gert auf und gehorchen Gesetzm\u00e4\u00dfigkeiten, die schwer zu durchschauen sind.<\/span><\/p>\n

Eine chaotische Gestaltung des Schlaf-Wach-Verhaltens kann in der Jugend bei guter Gesundheit wegen der gr\u00f6\u00dferen Leistungsbreite der Regulationssysteme besser toleriert werden als im Alter. Die h\u00f6here Toleranzschwelle verf\u00fchrt aber auch dazu, die direkten, aktivierenden Wirkungen des Lichts w\u00e4hrend der trophotropen circadianen Phase \u00fcberm\u00e4\u00dfig in Anspruch zu nehmen. Die Wirkungen sind \u00e4hnlich zwiesp\u00e4ltig wie der \u00fcberm\u00e4\u00dfige Gebrauch von Aufputschmitteln und k\u00f6nnen zu St\u00f6rungen der vegetativen Regulation, der Leistungsbereitschaft und des Schlafes f\u00fchren.<\/span><\/p>\n

Sinnvoller erscheint es, die modernen Lichtquellen dazu zu nutzen, die circadiane Phasenlage zu stabilisieren, die Leistungsbereitschaft w\u00e4hrend der Wachphase zu optimieren und die Einhaltung eines erholsamen konsolidierten Schlafes durch eine geeignete Lage und Dauer der Dunkelphase zu f\u00f6rdern. Aus theoretischer Sicht d\u00fcrfte dieses Ziel in Seniorenheimen und Pflegestationen aus den o. g. Gr\u00fcnden besonders erfolgversprechend und relativ leicht zu verwirklichen sein, weil die Bewohner das Heim entweder gar nicht mehr verlassen oder nach Einbruch der Dunkelheit selten abwesend sind.<\/span><\/p>\n

Die gegenw\u00e4rtige Technik verf\u00fcgt \u00fcber vielf\u00e4ltige M\u00f6glichkeiten, solche Ziele zu unterst\u00fctzen. Die Industrie bietet aber viel zu wenige ausgereifte und bezahlbare L\u00f6sungen an. Das liegt nicht zuletzt an der mangelnden Nachfrage.<\/span><\/p>\n

Komplizierter aber nicht weniger aussichtsreich sind die Anwendungsm\u00f6glichkeiten des Lichtmanagements bei der erzwungenen starken Verschiebung des Schlaf-Wach-Verhaltens durch Nacht- und Schichtarbeit. Die damit zusammenh\u00e4ngenden Fragen sind vom Autor an anderer Stelle ausf\u00fchrlich dargestellt worden [53].<\/span><\/p>\n

4 N\u00fctzliche Eigenschaften von Beleuchtungssystemen f\u00fcr das
\ncircadiane Lichtmanagement<\/strong><\/span><\/p>\n

Viele k\u00fcnstliche Beleuchtungen befriedigen die physiologischen Bed\u00fcrfnisse des Timing Systems nur unzureichend. Ein Grund daf\u00fcr ist die leistungsf\u00e4hige Adaptation des visuellen Systems an niedrige Leuchtdichten, denn die Gestaltung k\u00fcnstlicher Beleuchtungen orientiert sich vorrangig an visuellen Anforderungen und niedrigen Kosten.<\/span><\/p>\n

In der Medizin werden die stimulierenden Wirkungen des Lichts auf das Timing System bei der Behandlung der Winterdepression in Form von Therapieger\u00e4ten ausgenutzt. Diese sind wirksam aber nicht sehr komfortabel. Sie entsprechen dem Nutzen und dem Charme von W\u00e4rmestuben, die zu einer Zeit gesch\u00e4tzt wurden, als
\nviele Menschen im Winter \u00fcber keine zureichend beheizten Aufenthaltsr\u00e4ume verf\u00fcgten. Sinnvoller w\u00e4re es, die Stimulierung des Timing Systems durch die normale Wohnraum- und Arbeitsplatzbeleuchtung zu erm\u00f6glichen.
\nZwar leiden nur etwa 2 % der Bev\u00f6lkerung an der schweren Form der Winterdepression [30], aber auch solche Menschen, die gar nicht \u00fcber depressive Verstimmungen berichten, profitieren im nordeurop\u00e4ischen Winter von einer besseren Stimulierung des Timing Systems durch Licht [54].<\/span><\/p>\n

Beleuchtungssysteme sollten eine gleichm\u00e4\u00dfige Ausleuchtung des Gesichtsfeldes erm\u00f6glichen und rechnergesteuerte Dimmfunktionen besitzen, die den Zeitverlauf der nat\u00fcrlichen D\u00e4mmerung und die gleitende \u00c4nderung der spektralen Lichtverteilung zwischen einem kaltem Tageslicht und einer warmen
\nFeierabendbeleuchtung nachahmen k\u00f6nnen.<\/span><\/p>\n

Im Tierexperiment wurde nachgewiesen, dass eine k\u00fcnstliche D\u00e4mmerungsphase zwischen Licht und Dunkelheit die Wirkung der Lichtstimulation auf das Timing System verst\u00e4rkt [55]. Die Simulation einer k\u00fcnstlichen Morgend\u00e4mmerung hat sich als wirksamer Zeitgeber des Timing Systems erwiesen [56]. Die wissenschaftlichen und technischen Voraussetzungen sind gegeben, um die D\u00e4mmerungssimulation zu
\neiner Standardeigenschaft der Schlafzimmerbeleuchtung werden zu lassen, die den unphysiologischen akustischen Wecker ersetzt und das morgendliche Aufstehen vor allem im Winter und vor der Fr\u00fchschicht erleichtert. <\/span><\/p>\n

F\u00fcr die industrielle Anwendung bei Nacht- und Schichtarbeit wurden bereits vor Jahren derartige Systeme entwickelt. Sie konnten sich bislang wegen mangelnder Nachfrage und aus Kostengr\u00fcnden nicht durchsetzen. Das k\u00f6nnte sich angesichts des raschen technischen und wissenschaftlichen Fortschritts bald \u00e4ndern, der zu
\neiner st\u00e4ndigen Senkung der Betriebskosten gef\u00fchrt hat.<\/span><\/p>\n

Der technische Fortschritt verbessert auch st\u00e4ndig die M\u00f6glichkeiten des unauff\u00e4lligen Biomonitorings. F\u00fcr die Forschung sind Ger\u00e4te auf dem Markt, die die wochenlange Kontrolle der Lichtexposition eines Menschen und seiner k\u00f6rperlichen Aktivit\u00e4t erm\u00f6glichen. W\u00fcrden solche Ger\u00e4te mit einer ansprechenden H\u00fclle umgeben, z.B. dem Geh\u00e4use einer Armbanduhr, die ein unauff\u00e4lliges Tragen erm\u00f6glichen, so k\u00f6nnten sich Menschen einer Selbstkontrolle ihres Verhaltens unterziehen, die ihnen ein adaequates Verhalten in unnat\u00fcrlichen Situationen wie dem Zeitzonenwechsel oder der Schichtarbeit erleichtern.<\/span><\/p>\n

5 Zusammenfassung und Schlussbemerkung<\/strong><\/span><\/p>\n

Der Beitrag gibt eine \u00dcbersicht \u00fcber neue wissenschaftliche Erkenntnisse zur Struktur und Funktion des Timing Systems des Menschen. Die sich daraus ergebenden neuen Anwendungsgebiete f\u00fcr die Beleuchtungstechnik werden am Beispiel der Nachtarbeit und des Lichtmanagements f\u00fcr Senioren aufgezeigt. Allgemeine Leitlinien f\u00fcr ein effektives circadianes Lichtmanagement werden erw\u00e4hnt und Konsequenzen f\u00fcr die Beleuchtungstechnik angesprochen.<\/span><\/p>\n

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eingestellt in CyberLux: 02. Juli 2003<\/span><\/span><\/strong><\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Autor: Wolfgang Ehrenstein Kurzfassung K\u00fcrzlich wurde von zwei Arbeitsgruppen das Wirkungsspektrum circadianer (nichtvisueller) Photorezeptoren der Netzhaut des Menschen publiziert [1] [2]. Als Wirkung wurde die Hemmung der n\u00e4chtlichen Sekretion von Melatonin durch die Epiphyse (Zirbeldr\u00fcse) gemessen. Das Spektrum unterscheidet sich signifikant Read more…<\/a><\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[136,131,137],"tags":[98,104,107,113,217],"class_list":["post-118","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-auge-licht-und-timing-system","category-biologische-lichtwirkungen","category-nicht-visuelle-wirkungen","tag-arbeit","tag-cyberlux","tag-ges","tag-licht","tag-daylight"],"_links":{"self":[{"href":"http:\/\/www.lichtundgesundheit.de\/cyberlux\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/118","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"http:\/\/www.lichtundgesundheit.de\/cyberlux\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"http:\/\/www.lichtundgesundheit.de\/cyberlux\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/www.lichtundgesundheit.de\/cyberlux\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/www.lichtundgesundheit.de\/cyberlux\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=118"}],"version-history":[{"count":2,"href":"http:\/\/www.lichtundgesundheit.de\/cyberlux\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/118\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":781,"href":"http:\/\/www.lichtundgesundheit.de\/cyberlux\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/118\/revisions\/781"}],"wp:attachment":[{"href":"http:\/\/www.lichtundgesundheit.de\/cyberlux\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=118"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"http:\/\/www.lichtundgesundheit.de\/cyberlux\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=118"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"http:\/\/www.lichtundgesundheit.de\/cyberlux\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=118"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}