Conception d’éclairage pour une meilleure santé et un meilleur bien-être

Comme de nombreuses autres structures institutionnelles assemblées à la fin du XXe siècle, la Station spatiale internationale (ISS) a été conçue pour intégrer des ampoules fluorescentes. À l’heure actuelle, le vaisseau spatial est à plus de la moitié d’une révision de son éclairage, et ses ampoules d’origine sont remplacées, pièce par pièce, par des diodes électroluminescentes (LED).

Par rapport aux ampoules incandescentes ou fluorescentes classiques, les LED consomment moins d’énergie, durent plus longtemps et ne contiennent ni verre ni mercure, ce qui annule le risque que des éclats de verre ou du métal toxique flottent dans la station spatiale si les ampoules se brisent en apesanteur. Mais les chercheurs espèrent également que le nouveau système d’éclairage aidera les astronautes à mieux dormir la nuit et à rester vigilants le jour.

Le problème que les ingénieurs tentent de résoudre est qu’il n’y a pas de « jour » ou de « nuit » dans l’espace. L’ISS fait le tour de la Terre toutes les 90 minutes environ, ce qui donne aux astronautes de fréquentes occasions de voir le Soleil se lever et se coucher, mais fait aussi des ravages sur l’horloge circadienne, ou horloge de 24 heures environ, du corps. Parmi les nombreux effets délétères des vols spatiaux sur la santé, la perturbation du rythme circadien et le manque de sommeil qui l’accompagne sont apparus comme des préoccupations considérables – en particulier lorsque les gens envisagent de voyager vers des endroits plus éloignés du système solaire, explique George Brainard, directeur du programme de recherche sur la lumière à l’université Thomas Jefferson de Philadelphie, en Pennsylvanie.

Le système d’éclairage à base de LED introduit dans l’ISS est conçu pour cibler non seulement les bâtonnets et les cônes – des cellules photoréceptrices de l’œil qui permettent respectivement la vision en faible lumière et en couleur – mais aussi un troisième type de cellule photoréceptrice qui a été découvert il y a près de 20 ans. Connus sous le nom de cellules ganglionnaires rétiniennes intrinsèquement photosensibles (ipRGC), ces photorécepteurs contiennent une protéine sensible à la lumière appelée mélanopsine. Ils ne jouent pas un grand rôle dans la vision, mais constituent le principal point d’entrée de l’organisme pour la lumière qui régule des fonctions biologiques telles que le cycle veille-sommeil, la vigilance et l’humeur. Les chercheurs commencent à comprendre à quel point un excès ou un manque de lumière au mauvais moment de la journée peut désynchroniser d’importants processus physiologiques, que l’on soit astronaute sur un vaisseau spatial, infirmière en poste de nuit ou simple joueur de jeux vidéo après l’heure du coucher.

L’éclairage artificiel a prolongé la durée pendant laquelle les gens sont exposés à la lumière chaque jour, pour le meilleur et pour le pire. Les systèmes d’éclairage dynamique à base de LED, capables d’ajuster la couleur et l’intensité de la lumière qu’ils délivrent, devraient permettre de concevoir des environnements éclairés moins néfastes pour la santé. « Il n’y a aucune limite à la technologie en termes de ce que l’on peut faire avec les lumières LED », déclare Robert Lucas, un neuroscientifique de l’université de Manchester, au Royaume-Uni, qui étudie la réponse du système visuel à la lumière. « Cela fait peser sur nous, en tant que biologistes, la responsabilité de dire aux ingénieurs en éclairage ce qu’ils devraient faire exactement. »

Erasement de la nuit

Pendant des milliers d’années, les journées des gens étaient régies par le lever et le coucher du Soleil, avec l’aide du feu pour prolonger les heures de réveil dans la soirée. Puis vint l’inventeur américain Thomas Edison. L’ampoule à filament de carbone, qu’il a fait breveter en 1880, a permis aux gens de maintenir leurs activités diurnes 24 heures sur 24 et a cimenté l’éclairage incandescent comme pierre angulaire de la vie moderne.

Pour autant, Edison ne pouvait pas prévoir les ravages que l’ampoule allait causer sur les horloges circadiennes des gens. « La combinaison de l’économie de 24 heures et de la disponibilité de la lumière électrique nous a conduits à ne pas tenir compte de la nature diurne de notre espèce », explique Luc Schlangen, un scientifique spécialiste de l’éclairage chez Signify, une société d’éclairage LED à Eindhoven, aux Pays-Bas.

Dans les années 1990, de nombreux chercheurs avaient commencé à soupçonner que la vision ne se résumait pas aux bâtonnets et aux cônes. Un indice majeur est venu de souris génétiquement modifiées pour être dépourvues de bâtonnets et de cônes, qui sont donc aveugles. Tout comme chez leurs homologues voyants, la lumière peut réinitialiser l’horloge circadienne de ces animaux et supprimer l’expression de la mélatonine1, une hormone produite par le cerveau la nuit qui régule le cycle veille-sommeil. De même, certaines personnes aveugles ont également des cycles veille-sommeil normaux2. « Nous savions qu’elle existait avant de savoir où ou ce qu’elle était », déclare Steven Lockley, chronobiologiste à la Harvard Medical School de Boston, dans le Massachusetts.

En 2001, l’équipe de Brainard et des chercheurs d’un autre laboratoire de l’université du Surrey, au Royaume-Uni, ont signalé indépendamment que la suppression de la mélatonine est la plus forte chez les personnes exposées à une lumière d’une longueur d’onde de 446-477 nanomètres, ce qui correspond au bleu sur le spectre de la lumière visible. Ces résultats suggèrent qu’un récepteur adapté à cette lumière régule l’horloge circadienne3,4. L’un de ces récepteurs, la protéine mélanopsine, a été associé au rythme circadien et, en 2002, des chercheurs de l’université Brown à Providence, dans le Rhode Island, ont montré que les cellules ganglionnaires de la rétine contenant ce récepteur – les ipRGC – sont sensibles à la lumière5. La cible biologique qui permet de réinitialiser l’horloge interne de l’organisme avait été identifiée.

Des études épidémiologiques menées au cours des dernières décennies ont montré que la lumière artificielle perturbe l’horloge circadienne, et cette perturbation a été associée à la dépression, aux troubles métaboliques, aux maladies immunitaires et cardiovasculaires et au cancer6. L’éclairage incandescent et fluorescent des maisons et des bureaux reproduit mal le spectre des rayons du soleil. Une LED bien réglée pourrait mieux stimuler les ipRGC des personnes qui restent à l’intérieur pendant la journée, ce qui contribuerait à maintenir leur horloge circadienne sur la bonne voie. Mais le remplacement de l’éclairage classique par des LED pose ses propres problèmes : contrairement aux ampoules à incandescence et fluorescentes, les lumières LED sont souvent enrichies en longueurs d’onde bleues qui perturbent le sommeil lorsqu’elles sont utilisées la nuit. La lumière produite par les LED est également plus intense, ce qui signifie qu’elles ont un double impact. « L’intensité est aussi importante que la longueur d’onde », explique Lucas. « Une lumière jaune et brillante peut avoir autant d’activation de la mélanopsine qu’une lumière bleue et faible. »

Un éclairage plus intelligent

Une grande partie de la biologie qui sous-tend les ipRGC est encore en cours d’exploration – par exemple, on pensait que ces photorécepteurs ne jouaient aucun rôle dans la vision, mais on sait maintenant qu’ils interagissent avec les bâtonnets et les cônes. Mais les recommandations des chercheurs pour créer un environnement lumineux sain sont néanmoins simples : les gens doivent rechercher la lumière vive et la lumière bleue pendant la journée, et minimiser l’exposition à ces deux types de lumière la nuit. « Je pense que nous en savons suffisamment maintenant pour pouvoir modifier les pratiques d’éclairage au profit de tous les membres de la société », déclare Mark Rea, spécialiste des sciences cognitives au Lighting Research Center du Rensselaer Polytechnic Institute à Troy, dans l’État de New York.

Une poignée d’interventions sanitaires basées sur la lumière ont déjà vu le jour. Il a été démontré que les boîtes à lumière qui émettent une lumière bleue intense aident les personnes souffrant d’une forme de dépression appelée trouble affectif saisonnier ; de nombreux appareils mobiles comportent désormais des fonctions permettant de réduire l’émission de lumière bleue le soir ; et il existe des lunettes qui filtrent ces longueurs d’onde. En collaboration avec des partenaires de l’industrie, les chercheurs explorent également des moyens de rendre l’éclairage des pièces dans les bureaux, les hôpitaux et les espaces de vie moins préjudiciable à la santé.

Rea et sa collègue Mariana Figueiro, qui dirige le Lighting Research Center de Rensselaer, étudient les effets des interventions sur l’éclairage chez les personnes âgées atteintes de la maladie d’Alzheimer et de formes de démence connexes7. Comme moins de lumière atteint la rétine avec l’âge, une plus grande intensité lumineuse est nécessaire pour activer les photorécepteurs, explique Mme Figueiro. Le simple fait d’augmenter la quantité de lumière bleue pendant la journée permet de réguler les cycles veille-sommeil, qui sont souvent perturbés chez les personnes atteintes de démence. Mais il n’est pas toujours facile d’y parvenir. « Personne n’a vraiment envie de manger ses œufs sous une lumière bleue – tout le monde a l’air pâle et affreux », dit Figueiro. « Lorsque vous allez sur le terrain, vous devez prendre cela en compte ». Pendant ce temps, Lucas et son équipe utilisent des projecteurs pour tester un nouveau type d’écran d’ordinateur ou de télévision dans lequel la sortie peut être modifiée pour réduire sa capacité à stimuler les ipRGCs8. Les écrans conventionnels produisent des images en combinant trois couleurs de lumière – rouge, vert et bleu. Plutôt que d’extraire les longueurs d’onde bleues des images, les chercheurs ont utilisé des filtres optiques pour modifier la sortie de deux projecteurs, remplaçant le bleu par le violet et le cyan. Une cinquième couleur, le jaune, a également été utilisée pour permettre aux chercheurs d’exercer un plus grand contrôle. Les projections combinées ont permis de produire des images qui stimulaient moins efficacement la mélanopsine dans les ipRGC, mais dont la couleur et la luminosité étaient comparables. Les volontaires étaient incapables de dire si les images qu’ils regardaient étaient produites par les écrans modifiés. Cependant, ils ont déclaré se sentir plus endormis et ont produit plus de mélatonine dans leur salive lorsqu’ils regardaient des films le soir en utilisant le réglage le moins stimulant.

Les deux types d’affichage reposent sur le métamérisme, un phénomène par lequel des combinaisons de lumière qui semblent identiques diffèrent en fait dans leur composition spectrale, explique Lucas. Chaque combinaison, ou métamère, affecte les cônes de manière similaire, mais les ipRGCs différemment. Le collaborateur de Lucas, Christian Cajochen, chronobiologiste à l’Université de Bâle en Suisse, prévoit de tester les effets de ces métamères sur les performances cognitives, l’humeur et le sommeil dans une étude impliquant jusqu’à 200 employés de bureau.

En principe, les métamères pourraient être incorporés dans l’éclairage des pièces, permettant aux gens de réguler le moment et la force de la stimulation des ipRGC à l’intérieur. Mais l’éclairage d’une pièce peut être délicat, explique Manuel Spitschan, neuroscientifique à l’Université d’Oxford, au Royaume-Uni, qui utilise les métamères pour étudier comment la lumière affecte la fonction visuelle, le comportement et l’activité cérébrale, car les surfaces peuvent réfléchir la lumière de nombreuses façons. Spitschan utilise donc la modélisation informatique pour prédire l’aspect des objets dans une pièce lorsqu’ils sont éclairés par des métamères.

Compte tenu des effets de l’éclairage artificiel sur le corps, de nombreux chercheurs font pression pour que des directives sur la conception de l’éclairage prennent en compte son effet sur les ipRGC, ainsi que la façon dont il peut faciliter la vision. L’année dernière, un groupe de chercheurs dirigé par M. Schlangen a travaillé avec la Commission internationale de l’éclairage, une organisation à but non lucratif de Vienne, pour créer une norme de mesure. Celle-ci devrait permettre de traduire les résultats évalués par les pairs en orientations quantitatives pour la conception de l’éclairage.

L’installation du système d’éclairage dynamique sur l’ISS devrait être achevée plus tard cette année. Il a été conçu pour offrir trois réglages : un qui produit une lumière blanche et brillante à utiliser pendant les heures de travail ; un autre qui produit une lumière tamisée appauvrie en longueurs d’onde bleues pour aider à préparer les astronautes à dormir dans la  » soirée  » ; et une lumière de plus forte intensité enrichie en longueurs d’onde bleues qui sera utilisée pour aider à stimuler la vigilance en cas de besoin et pour réinitialiser l’horloge circadienne après avoir travaillé la nuit ou pour réparer les cycles veille-sommeil perturbés. Brainard et Lockley, qui dirigent le projet, ont déjà évalué les effets du système sur le sommeil, les niveaux de mélatonine, les performances professionnelles et la vision des astronautes sur Terre. Désormais, les astronautes effectueront les mêmes tests dans l’espace pour déterminer si un tel éclairage peut neutraliser les effets de l’expérience de 16 levers de soleil par jour.

Démontrer qu’il est possible de moduler l’extrême perturbation circadienne associée à la vie dans l’espace permettra de jeter les bases d’un futur éclairage intelligent, affirme le binôme. « Nous avons la chance que les neurosciences et la technologie des LED aient évolué en même temps », déclare M. Lockley. « Cela ne peut que devenir plus intéressant.