Un astronauta ve la salida del Sol sobre la Tierra desde la Estación Espacial Internacional.Crédito: NASA
Al igual que muchas otras estructuras institucionales montadas a finales del siglo XX, la Estación Espacial Internacional (ISS) fue diseñada para incorporar bombillas fluorescentes. En la actualidad, la nave espacial se encuentra a más de medio camino de una revisión de la iluminación, y sus bombillas originales están siendo sustituidas, pieza a pieza, por diodos emisores de luz (LED).
En comparación con las bombillas incandescentes o fluorescentes convencionales, los LED consumen menos energía, duran más y no contienen vidrio ni mercurio, lo que anula el riesgo de que fragmentos de vidrio o metal tóxico floten por la estación espacial en caso de que las bombillas se rompan en gravedad cero. Pero los investigadores también esperan que el nuevo sistema de iluminación ayude a los astronautas a dormir mejor por la noche y a mantenerse alerta durante el día.
El problema que los ingenieros intentan resolver es que no hay «día» ni «noche» en el espacio. La ISS da la vuelta a la Tierra cada 90 minutos aproximadamente, lo que proporciona a los astronautas frecuentes oportunidades de ver la salida y la puesta del Sol, pero también causa estragos en el reloj circadiano de aproximadamente 24 horas del cuerpo. Entre los muchos efectos nocivos de los vuelos espaciales para la salud, la alteración del ritmo circadiano y la privación del sueño que lo acompaña han surgido como preocupaciones considerables, sobre todo cuando se contempla la posibilidad de viajar a lugares más lejanos del Sistema Solar, afirma George Brainard, director del Programa de Investigación de la Luz de la Universidad Thomas Jefferson de Filadelfia (Pensilvania).
El sistema de iluminación basado en LEDs que se está introduciendo en la ISS está diseñado para dirigirse no sólo a los bastones y a los conos -células fotorreceptoras del ojo que permiten la visión en luz tenue y en color, respectivamente- sino también a un tercer tipo de célula fotorreceptora que se descubrió hace casi 20 años. Conocidas como células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles (ipRGC), estos fotorreceptores contienen una proteína sensible a la luz llamada melanopsina. No tienen un papel importante en la visión, sino que las ipRGC son el principal punto de entrada de la luz que regula funciones biológicas como el ciclo de sueño y vigilia, el estado de alerta y el estado de ánimo. Los investigadores están empezando a comprender hasta qué punto un exceso o una falta de luz en un momento del día inadecuado puede desajustar importantes procesos fisiológicos, tanto si se es astronauta en una nave espacial como si se es enfermero en el turno de noche o simplemente se juega con el ordenador después de la hora de acostarse.
La iluminación artificial ha ampliado el tiempo durante el cual las personas están expuestas a la luz cada día, para bien o para mal. Los sistemas de iluminación dinámica basados en LED, capaces de ajustar el color y la intensidad de la luz que emiten, deberían permitir diseñar entornos iluminados menos perjudiciales para la salud. «La tecnología no tiene límites en cuanto a lo que se puede hacer con las luces LED», afirma Robert Lucas, neurocientífico de la Universidad de Manchester (Reino Unido) que estudia la respuesta del sistema visual a la luz. «Eso nos obliga a nosotros, como biólogos, a decir a los ingenieros de iluminación exactamente lo que deben hacer».
Estrenar la noche
Durante miles de años, los días de la gente se regían por la salida y la puesta del Sol, con la ayuda del fuego para prolongar las horas de vigilia hasta la noche. Entonces llegó el inventor estadounidense Thomas Edison. La bombilla de filamento de carbono, que patentó en 1880, permitió que las actividades diurnas se mantuvieran durante todo el día y consolidó la iluminación incandescente como piedra angular de la vida moderna.
Pero Edison no podía prever los estragos que la bombilla causaría en los relojes circadianos de la gente. «La combinación de la economía de 24 horas y la disponibilidad de la luz eléctrica nos ha llevado a ignorar la naturaleza diurna de nuestra especie», dice Luc Schlangen, un científico de la iluminación en Signify, una empresa de iluminación LED en Eindhoven, Países Bajos.
En la década de 1990, muchos investigadores habían comenzado a sospechar que había más en la visión que los bastones y los conos. Una pista importante fue la de los ratones modificados genéticamente para que carecieran de bastones y conos y, por tanto, fueran ciegos. Al igual que en sus homólogos videntes, la luz puede reiniciar el reloj circadiano de estos animales y suprimir la expresión de la melatonina1, una hormona producida por el cerebro durante la noche que regula el ciclo de sueño y vigilia. Del mismo modo, algunas personas ciegas también tienen ciclos normales de sueño-vigilia2. «Sabíamos que existía antes de saber dónde o qué era», afirma Steven Lockley, cronobiólogo de la Facultad de Medicina de Harvard, en Boston (Massachusetts).
En 2001, el equipo de Brainard e investigadores de otro laboratorio de la Universidad de Surrey (Reino Unido) informaron de forma independiente de que la supresión de la melatonina es más fuerte en las personas que se exponen a una luz con una longitud de onda de entre 446 y 477 nanómetros, que corresponde al azul en el espectro de la luz visible. Esto sugiere que un receptor sintonizado con esta luz regula el reloj circadiano3,4. Uno de estos receptores, la proteína melanopsina, se había relacionado con el ritmo circadiano y, en 2002, los investigadores de la Universidad Brown de Providence (Rhode Island) demostraron que las células ganglionares de la retina que contienen este receptor -las ipRGC- son sensibles a la luz5. Se había identificado la diana biológica que permite restablecer el reloj interno del cuerpo.
Los estudios epidemiológicos de las últimas décadas han demostrado que la luz artificial altera el reloj circadiano, y dicha alteración se ha relacionado con la depresión, los trastornos metabólicos, las enfermedades inmunológicas y cardiovasculares y el cáncer6. La iluminación incandescente y fluorescente de los hogares y las oficinas no reproduce bien el espectro de los rayos solares. Un LED bien ajustado podría estimular mejor las ipRGC de las personas que están en el interior durante el día, ayudando a mantener sus relojes circadianos en marcha. Pero la sustitución de la iluminación convencional por LED conlleva sus propios problemas: a diferencia de las bombillas incandescentes y fluorescentes, las luces LED suelen estar enriquecidas con longitudes de onda azules que perturban el sueño cuando se utilizan por la noche. Además, la luz que producen los LED es más intensa, lo que significa que tienen un doble efecto. «La intensidad es tan importante como la longitud de onda», explica Lucas. «Una luz brillante y amarilla puede tener tanta activación de la melanopsina como una luz tenue y azul».
Iluminación más inteligente
Mucha de la biología que subyace a las ipRGC todavía se está explorando – por ejemplo, se pensaba que estos fotorreceptores no desempeñaban ningún papel en la visión, pero ahora se sabe que interactúan con los bastones y los conos. Pero las recomendaciones de los investigadores para crear un entorno iluminado saludable son, sin embargo, directas: las personas deben buscar la luz brillante y la luz azul durante el día, y minimizar la exposición a ambas por la noche. «Creo que ahora sabemos lo suficiente como para poder cambiar las prácticas de iluminación en beneficio de todos los miembros de la sociedad», afirma Mark Rea, científico cognitivo del Centro de Investigación de la Iluminación del Instituto Politécnico Rensselaer de Troy (Nueva York).
El laboratorio del cronobiólogo Steven Lockley, de la Facultad de Medicina de Harvard en Boston (Massachusetts), explora cómo el ojo detecta la luz para restablecer el reloj circadiano del cuerpo.Crédito: Magnus Wennman
Ya han surgido un puñado de intervenciones sanitarias basadas en la luz. Se ha demostrado que las cajas de luz que emiten una luz azul intensa ayudan a las personas con una forma de depresión llamada trastorno afectivo estacional; muchos dispositivos móviles incluyen ahora funciones para reducir la emisión de luz azul por la noche; y existen gafas que filtran esas longitudes de onda. En colaboración con socios de la industria, los investigadores también están estudiando formas de hacer que la iluminación de las habitaciones en oficinas, hospitales y espacios vitales sea menos perjudicial para la salud.
Rea y su colega Mariana Figueiro, que dirige el Centro de Investigación de la Iluminación en Rensselaer, están investigando los efectos de las intervenciones de iluminación en personas mayores con la enfermedad de Alzheimer y formas relacionadas de demencia7. Como con la edad llega menos luz a la retina, se necesita una mayor intensidad de luz para la activación de los fotorreceptores, dice Figueiro. El simple hecho de aumentar la cantidad de luz azul durante el día ayuda a regular los ciclos de sueño y vigilia de las personas, que suelen estar alterados en las personas con demencia. Pero conseguirlo puede no ser siempre práctico. «A nadie le apetece comer los huevos bajo la luz azul: todo el mundo se ve pálido y horrible», dice Figueiro. «Cuando vas al campo, tienes que tenerlo en cuenta». Mientras tanto, Lucas y su equipo están utilizando proyectores para probar un nuevo tipo de pantalla de ordenador o televisión en la que la salida puede modificarse para reducir su capacidad de estimular las ipRGC8. Las pantallas convencionales producen imágenes combinando tres colores de luz: rojo, verde y azul. En lugar de eliminar las longitudes de onda azules de las imágenes, los investigadores utilizaron filtros ópticos para modificar la salida de dos proyectores, sustituyendo el azul por el violeta y el cian. También se utilizó un quinto color, el amarillo, para permitir a los investigadores un mayor control. Las proyecciones combinadas pudieron producir imágenes que eran menos eficaces para estimular la melanopsina en las ipRGC, aunque tenían un color y un brillo comparables. Los voluntarios no pudieron distinguir si las imágenes que veían eran producidas por las pantallas modificadas. Sin embargo, afirmaron sentirse más somnolientos y producir más melatonina en su saliva cuando veían películas por la noche utilizando la configuración menos estimulante.
Los dos tipos de pantallas se basan en el metamerismo, un fenómeno por el cual las combinaciones de luz que parecen iguales en realidad difieren en su composición espectral, dice Lucas. Cada combinación, o metámero, afecta a los conos de forma similar, pero a las ipRGC de forma diferente. El colaborador de Lucas, Christian Cajochen, cronobiólogo de la Universidad de Basilea (Suiza), tiene previsto comprobar los efectos de estos metamers en el rendimiento cognitivo, el estado de ánimo y el sueño en un estudio en el que participarán hasta 200 trabajadores de oficina.
En principio, los metamers podrían incorporarse a la iluminación de las habitaciones, lo que permitiría regular el momento y la intensidad de la estimulación de las ipRGC en el interior. Pero la iluminación de una habitación puede ser complicada, explica Manuel Spitschan, neurocientífico de la Universidad de Oxford (Reino Unido), que utiliza metámeros para estudiar cómo la luz afecta a la función visual, el comportamiento y la actividad cerebral, porque las superficies pueden reflejar la luz de muchas maneras. Por ello, Spitschan utiliza la modelización informática para predecir el aspecto que tendrían los objetos de una habitación cuando estuvieran iluminados por metamers.
Dados los efectos de la iluminación artificial en el cuerpo, muchos investigadores están presionando para que se establezcan directrices sobre el diseño de la iluminación que tengan en cuenta su efecto sobre las ipRGC, así como la forma en que puede facilitar la visión. El año pasado, un grupo de investigadores dirigido por Schlangen trabajó con la Comisión Internacional de Iluminación, una organización sin ánimo de lucro con sede en Viena, para crear una norma de medición. Esta norma debería ayudar a traducir los resultados revisados por expertos en una guía cuantitativa para el diseño de la iluminación.
Se espera que la instalación del sistema de iluminación dinámica en la ISS se complete a finales de este año. Se ha diseñado para ofrecer tres configuraciones: una que produce una luz blanca y brillante para su uso durante las horas de trabajo; otra que produce una luz tenue, con pocas longitudes de onda azules, para ayudar a preparar a los astronautas para el sueño en la «noche»; y una luz de mayor intensidad, enriquecida en longitudes de onda azules, que se utilizará para ayudar a aumentar el estado de alerta cuando sea necesario y para restablecer el reloj circadiano después de trabajar por la noche o para arreglar los ciclos de sueño y vigilia interrumpidos. Brainard y Lockley, que dirigen el proyecto, ya han evaluado los efectos del sistema sobre el sueño de los astronautas, los niveles de melatonina, el rendimiento laboral y la visión en la Tierra. Ahora, los astronautas realizarán las mismas pruebas en el espacio para determinar si dicha iluminación puede anular los efectos de experimentar 16 amaneceres al día.
Demostrar que es posible modular la extrema alteración circadiana asociada a la vida en el espacio ayudará a construir los cimientos de un futuro de iluminación inteligente, afirma la pareja. «Tenemos la suerte de que la neurociencia y la tecnología de los LED hayan evolucionado al mismo tiempo», dice Lockley. «Sólo va a ser más interesante.