Lighting design per una migliore salute e benessere

Come molte altre strutture istituzionali assemblate alla fine del ventesimo secolo, la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) è stata progettata per incorporare lampadine fluorescenti. Attualmente, la navicella è a più di metà strada attraverso una revisione dell’illuminazione, e le sue lampadine originali sono state sostituite, pezzo per pezzo, con diodi emettitori di luce (LED).

Rispetto alle tradizionali lampadine a incandescenza o fluorescenti, i LED utilizzano meno energia, durano più a lungo e non contengono vetro o mercurio, negando il rischio di frammenti di vetro o metallo tossico che galleggiano attraverso la stazione spaziale se le lampadine si rompono a gravità zero. Ma i ricercatori sperano anche che il nuovo sistema di illuminazione aiuterà gli astronauti a dormire meglio di notte e a rimanere vigili durante il giorno.

Il problema che gli ingegneri stanno cercando di affrontare è che non c’è “giorno” o “notte” nello spazio. La ISS gira intorno alla Terra ogni 90 minuti circa, il che fornisce agli astronauti frequenti opportunità di vedere il sole sorgere e tramontare, ma crea anche il caos nell’orologio circadiano di circa 24 ore del corpo. Tra i molti effetti deleteri del volo spaziale sulla salute, il disturbo del ritmo circadiano e la privazione del sonno che lo accompagna sono emersi come notevoli preoccupazioni – in particolare quando si pensa di viaggiare in luoghi più lontani del sistema solare, dice George Brainard, direttore del Light Research Program alla Thomas Jefferson University di Philadelphia, Pennsylvania.

Il sistema di illuminazione a LED introdotto sulla ISS è progettato per colpire non solo i bastoncelli e i coni – cellule fotorecettrici dell’occhio che permettono la visione rispettivamente in penombra e a colori – ma anche un terzo tipo di cellule fotorecettrici che è stato scoperto quasi 20 anni fa. Conosciute come cellule gangliari retiniche intrinsecamente fotosensibili (ipRGC), questi fotorecettori contengono una proteina sensibile alla luce chiamata melanopsina. Non hanno un gran ruolo nella visione; invece, le ipRGC servono come punto di ingresso principale del corpo per la luce che regola le funzioni biologiche come il ciclo sonno-veglia, la vigilanza e l’umore. I ricercatori stanno cominciando a capire fino a che punto troppa o troppo poca luce nel momento sbagliato della giornata può mandare fuori sincrono importanti processi fisiologici, sia che si tratti di un astronauta su una navicella spaziale, di un’infermiera nel turno di notte o semplicemente di giocare al computer dopo l’ora di andare a letto.

L’illuminazione artificiale ha esteso la durata del tempo in cui le persone sono esposte alla luce ogni giorno, nel bene e nel male. I sistemi di illuminazione dinamica basati sui LED, che sono in grado di regolare il colore e l’intensità della luce che forniscono, dovrebbero rendere possibile la progettazione di ambienti illuminati che sono meno dannosi per la salute. “Non c’è limite alla tecnologia in termini di ciò che può essere fatto con le luci a LED”, dice Robert Lucas, un neuroscienziato dell’Università di Manchester, Regno Unito, che studia la risposta del sistema visivo alla luce. “

Erasione della notte

Per migliaia di anni, le giornate delle persone sono state regolate dal sorgere e dal tramontare del sole, con l’aiuto del fuoco per estendere i tempi di veglia alla sera. Poi arrivò l’inventore americano Thomas Edison. La lampadina a filamento di carbonio, che brevettò nel 1880, permise alle persone di mantenere le attività diurne in funzione 24 ore su 24 e cementò l’illuminazione a incandescenza come pietra miliare della vita moderna.

Tuttavia Edison non poteva prevedere il caos che la lampadina avrebbe provocato negli orologi circadiani delle persone. “La combinazione di un’economia di 24 ore e la disponibilità di luce elettrica ci ha portato a trascurare la natura diurna della nostra specie”, dice Luc Schlangen, uno scienziato dell’illuminazione presso Signify, un’azienda di illuminazione a LED di Eindhoven, nei Paesi Bassi.

Negli anni ’90, molti ricercatori avevano iniziato a sospettare che la visione non fosse costituita solo da bastoncelli e coni. Un indizio importante è venuto dai topi geneticamente modificati per mancare di bastoncelli e coni, che sono quindi ciechi. Proprio come nelle loro controparti vedenti, la luce può resettare l’orologio circadiano di questi animali e sopprimere l’espressione della melatonina1, un ormone prodotto dal cervello di notte che regola il ciclo sonno-veglia. Allo stesso modo, alcune persone cieche hanno anche cicli sonno-veglia normali2. “Sapevamo che esisteva prima di sapere dove o cosa fosse”, dice Steven Lockley, un cronobiologo della Harvard Medical School di Boston, Massachusetts.

Nel 2001, il team di Brainard e i ricercatori di un altro laboratorio dell’Università del Surrey, Regno Unito, hanno riferito indipendentemente che la soppressione della melatonina è più forte nelle persone che sono esposte alla luce con una lunghezza d’onda di 446-477 nanometri, che corrisponde al blu nello spettro della luce visibile. Questo ha suggerito che un recettore sintonizzato su questa luce regola l’orologio circadiano3,4. Uno di questi recettori, la proteina melanopsina, è stato collegato al ritmo circadiano e nel 2002 i ricercatori della Brown University di Providence, Rhode Island, hanno dimostrato che le cellule gangliari della retina che contengono questo recettore – le ipRGC – sono sensibili alla luce5. Il bersaglio biologico che permette di resettare l’orologio interno del corpo era stato identificato.

Gli studi epidemiologici degli ultimi decenni hanno dimostrato che la luce artificiale disturba l’orologio circadiano, e tale disturbo è stato collegato a depressione, disturbi metabolici, malattie immunitarie e cardiovascolari e cancro6. L’illuminazione a incandescenza e fluorescente nelle case e negli uffici fa un lavoro povero di replicare lo spettro dei raggi del sole. Un LED ben sintonizzato potrebbe stimolare meglio il ipRGCs di persone che sono al chiuso durante il giorno, aiutando a mantenere i loro orologi circadiani in pista. Ma sostituire l’illuminazione convenzionale con i LED porta i suoi problemi: a differenza delle lampadine a incandescenza e fluorescenti, le luci a LED sono spesso arricchite con lunghezze d’onda blu che disturbano il sonno quando usato di notte. La luce che i LED producono è anche più intensa, il che significa che hanno un doppio effetto. “L’intensità è importante quanto la lunghezza d’onda”, spiega Lucas. “

L’illuminazione più intelligente

Molto della biologia che sta alla base delle ipRGC è ancora in fase di esplorazione – per esempio, si pensava che questi fotorecettori non avessero alcun ruolo nella visione, ma ora sono noti per interagire con bastoncelli e coni. Ma le raccomandazioni dei ricercatori per creare un ambiente illuminato sano sono comunque semplici: le persone dovrebbero cercare la luce brillante e la luce blu durante il giorno, e ridurre al minimo l’esposizione a entrambi di notte. “Penso che ora sappiamo abbastanza da poter cambiare la pratica dell’illuminazione a beneficio di tutti nella società”, dice Mark Rea, uno scienziato cognitivo presso il Lighting Research Center del Rensselaer Polytechnic Institute di Troy, New York.

Sono già emersi alcuni interventi sulla salute basati sulla luce. Light box che emettono una luce blu intensa hanno dimostrato di aiutare le persone con una forma di depressione chiamata disturbo affettivo stagionale; molti dispositivi mobili ora includono funzioni per ridurre l’emissione di luce blu la sera; e sono disponibili occhiali che filtrano tali lunghezze d’onda. In collaborazione con i partner dell’industria, i ricercatori stanno anche esplorando modi per rendere l’illuminazione delle stanze negli uffici, negli ospedali e negli spazi abitativi meno dannosi per la salute.

Rea e la sua collega Mariana Figueiro, che guida il Lighting Research Center al Rensselaer, stanno studiando gli effetti degli interventi di illuminazione sugli anziani con il morbo di Alzheimer e forme correlate di demenza7. Poiché meno luce raggiunge la retina con l’età, una maggiore intensità della luce è necessaria per l’attivazione dei fotorecettori, dice Figueiro. Semplicemente aumentando la quantità di luce blu durante il giorno aiuta a regolare i cicli sonno-veglia delle persone, che sono spesso disturbati nelle persone con demenza. Ma raggiungere questo obiettivo potrebbe non essere sempre pratico. “Nessuno vuole davvero mangiare le uova sotto la luce blu – tutti sembrano pallidi e terribili”, dice Figueiro. “Quando si va sul campo, bisogna tenerne conto”. Nel frattempo, Lucas e il suo team stanno usando i proiettori per testare un nuovo tipo di display per computer o televisione in cui l’uscita può essere modificata per ridurre la sua capacità di stimolare le ipRGC8. I display convenzionali producono immagini combinando tre colori di luce – rosso, verde e blu. Piuttosto che drenare le lunghezze d’onda blu dalle immagini, i ricercatori hanno usato filtri ottici per modificare l’output di due proiettori, sostituendo il blu con viola e ciano. Un quinto colore, il giallo, è stato utilizzato anche per permettere ai ricercatori un maggiore controllo. Le proiezioni combinate sono state in grado di produrre immagini che erano meno efficaci nello stimolare la melanopsina nelle ipRGC, ma avevano colori e luminosità comparabili. I volontari non erano in grado di dire se le immagini che vedevano erano prodotte dai display modificati. Tuttavia, hanno riferito di essersi sentiti più sonnolenti e di aver prodotto più melatonina nella saliva quando hanno guardato i film la sera utilizzando l’impostazione meno stimolante.

I due tipi di display si basano sul metamerismo, un fenomeno per cui le combinazioni di luce che sembrano uguali in realtà differiscono nella loro composizione spettrale, dice Lucas. Ogni combinazione, o metamer, colpisce i coni in modo simile, ma le ipRGC in modo diverso. Il collaboratore di Lucas, Christian Cajochen, un cronobiologo dell’Università di Basilea in Svizzera, sta progettando di testare gli effetti di tali metameri sulle prestazioni cognitive, l’umore e il sonno in uno studio che coinvolgerà fino a 200 lavoratori dell’ufficio.

In linea di principio, i metameri potrebbero essere incorporati nell’illuminazione della stanza, permettendo alle persone di regolare i tempi e la forza della stimolazione ipRGC in casa. Ma illuminare una stanza può essere difficile, spiega Manuel Spitschan, un neuroscienziato dell’Università di Oxford, Regno Unito, che usa i metameri per studiare come la luce influenzi la funzione visiva, il comportamento e l’attività cerebrale, perché le superfici possono riflettere la luce in molti modi. Così Spitschan sta usando la modellazione del computer per prevedere come gli oggetti in una stanza apparirebbero se illuminati da metameri.

Dati gli effetti dell’illuminazione artificiale sul corpo, molti ricercatori stanno spingendo per linee guida sulla progettazione dell’illuminazione che tengano conto del suo effetto sulle ipRGC, così come di come può rendere più facile vedere. L’anno scorso, un gruppo di ricercatori guidati da Schlangen ha lavorato con la International Commission on Illumination, un’organizzazione no-profit di Vienna, per creare uno standard di misurazione. Dovrebbe aiutare a tradurre i risultati della peer-review in una guida quantitativa per la progettazione dell’illuminazione.

L’installazione del sistema di illuminazione dinamica sulla ISS dovrebbe essere completata entro la fine di quest’anno. È stato progettato per offrire tre impostazioni: una che produce una luce bianca e brillante per l’uso durante le ore di lavoro; un’altra che fa una luce fioca impoverita di lunghezze d’onda blu per aiutare a preparare gli astronauti per il sonno nella “sera”; e una luce ad alta intensità arricchita di lunghezze d’onda blu che sarà utilizzata per aiutare a stimolare la vigilanza quando necessario e per resettare l’orologio circadiano dopo aver lavorato di notte o per risolvere i cicli sonno-veglia interrotti. Brainard e Lockley, che guidano il progetto, hanno già valutato gli effetti del sistema sul sonno degli astronauti, i livelli di melatonina, le prestazioni lavorative e la visione sulla Terra. Ora, gli astronauti eseguiranno gli stessi test nello spazio per determinare se tale illuminazione può annullare gli effetti dell’esperienza di 16 albe al giorno.

Dimostrare che è possibile modulare l’estrema perturbazione circadiana associata alla vita nello spazio aiuterà a costruire le basi di un futuro di illuminazione intelligente, dice la coppia. “Siamo fortunati che la neuroscienza e la tecnologia dei LED si siano evolute allo stesso tempo”, dice Lockley. “Diventerà solo più interessante”.