健康増進のための照明デザイン

20世紀末に組み立てられた他の多くの施設構造と同様に、国際宇宙ステーション（ISS）も蛍光灯を組み込むことを前提に設計されました。

従来の白熱電球や蛍光灯に比べて、LEDは消費電力が少なく、寿命が長く、ガラスや水銀を含まないため、無重力下で電球が割れても、ガラスの破片や有害金属が宇宙ステーション内に漂う心配がありません。

エンジニアたちが解決しようとしている問題は、宇宙には「昼」も「夜」もないということです。 ISSは約90分ごとに地球を周回しているため、宇宙飛行士は太陽の昇り降りを頻繁に見ることができますが、同時に24時間周期の体内時計（サーカディアンクロック）にも大きな影響を与えます。 ペンシルバニア州フィラデルフィアにあるトーマス・ジェファーソン大学の光研究プログラムのディレクターであるジョージ・ブレイナード氏は、宇宙飛行が健康に及ぼす様々な悪影響の中でも、概日リズムの乱れとそれに伴う睡眠不足は、特に太陽系内のより遠い場所への旅行を検討している人々にとって大きな懸念材料であると述べています。

今回ISSに導入されたLED照明システムは、薄暗い場所での視覚を可能にする杆体と錐体という目の光受容細胞だけでなく、約20年前に発見された第3の光受容細胞もターゲットにするよう設計されています。 ipRGC（intrinsically photosensitive retinal ganglion cells）と呼ばれるこれらの光受容体は、メラノプシンと呼ばれる光感受性タンパク質を含んでいます。 ipRGCは、視覚にはあまり関与せず、睡眠・覚醒サイクル、覚醒、気分などの生体機能を制御する光の主な入り口として機能している。

人工照明は、良くも悪くも、人々が1日に光を浴びる時間を長くしました。 光の色や強さを調整できるLEDベースのダイナミックライティングシステムを使えば、健康への悪影響が少ない照明環境をデザインできるはずです。 “英国マンチェスター大学の神経科学者で、光に対する視覚システムの反応を研究しているロバート・ルーカスは、「LED照明でできることは、技術的に無限大です。 “

Erasing the night

何千年もの間、人々の一日は太陽の出入りによって支配され、火の助けを借りて起床時間を夕方まで延長していました。 そして、アメリカの発明家トーマス・エジソンが登場した。

エジソンは、電球が人々の概日時計を狂わせることになるとは予想していませんでした。 “

1990年代に入ると、多くの研究者が、視覚には杆体と錐体以外にも何かあるのではないかと考え始めました。 その大きな手がかりとなったのが、杆体と錐体を遺伝子操作で欠損させた盲目のマウスでした。 盲目のマウスは、目の見えるマウスと同じように、光を浴びると概日時計がリセットされ、夜間に脳から分泌される睡眠・覚醒サイクルを調整するホルモンであるメラトニン1の発現が抑制される。 同様に、目の不自由な人の中にも、睡眠覚醒サイクルが正常な人がいます2。 “

2001年、ブレイナードのチームと英国サリー大学の別の研究室の研究者たちは、メラトニンの抑制が、446〜477ナノメートル（可視光スペクトルの青に相当）の波長の光を浴びた人で最も強くなることを独自に報告した。 これにより、この光に同調する受容体が概日時計を制御していることが示唆された3,4。 そのような受容体の1つであるメラノプシンというタンパク質は、概日リズムとの関連が指摘されていたが、2002年、ロードアイランド州プロビデンスにあるブラウン大学の研究者らは、この受容体を持つ網膜神経節細胞（ipRGC）が光に敏感であることを明らかにした5。

過去数十年の疫学研究により、人工光が概日時計を乱すことが明らかになり、そのような乱れは、うつ病、代謝異常、免疫疾患、心血管疾患、がんなどと関連していることが分かってきました6。 家庭やオフィスの白熱灯や蛍光灯は、太陽の光のスペクトルを再現することができません。 うまく調整されたLEDは、日中屋内にいる人のipRGCをより刺激し、概日時計を正常に保つのに役立つだろう。 しかし、従来の照明をLEDに置き換えると、白熱電球や蛍光灯とは異なり、LEDの光には、夜間の睡眠を妨げる青色の波長が多く含まれているという問題がある。 また、LEDの光は強度が高いため、ダブルパンチになってしまいます。 “ルーカスは、「光の強さは、波長と同じくらい重要です」と説明します。 “例えば、ipRGCは視覚に関与しないと考えられていましたが、現在では桿体や錐体と相互作用することがわかっています。 しかし、研究者たちは、健康的な光環境をつくるためには、日中は明るい光と青い光を求め、夜は両方の光を浴びるのを最小限に抑えるべきだと提言している。 “ニューヨーク州トロイにあるレンセラー工科大学照明研究センターの認知科学者、マーク・レア氏は、「今では十分な知識が得られたので、社会全体の利益のために照明の習慣を変えることができると思います」と語っています。

光を使った健康への介入方法は、すでにいくつか登場しています。 強烈なブルーライトを発するライトボックスは、季節性情動障害と呼ばれるうつ病の患者に効果があることが示されています。また、多くのモバイル機器には、夕方のブルーライトの発光を抑える機能が搭載されていますし、そのような波長をフィルタリングするメガネも販売されています。

レンセラーの照明研究センターを率いるReaと同僚のMariana Figueiroは、アルツハイマー病やそれに関連する認知症の高齢者に対する照明介入の効果を調査しています7。 加齢に伴い、網膜に届く光の量が少なくなるため、光受容体の活性化にはより強い光が必要になると、Figueiroは言います。 日中のブルーライトの量を増やすだけで、認知症の人が乱れがちな睡眠と覚醒のサイクルを整えることができます。 しかし、これを実現するのは必ずしも現実的ではありません。 “ブルーライトの下で卵料理を食べたいと思う人はいないでしょう。誰もが顔色を悪くしてしまいます」とFigueiroは言います。 “誰もが青い光の下で卵を食べたいとは思わないでしょう。 一方、ルーカスの研究チームは、プロジェクターを使って、コンピューターやテレビの新しいタイプのディスプレイをテストしている。 従来のディスプレイは、赤、緑、青の3色の光を組み合わせて画像を生成していた。 研究チームは、映像から青色の波長を取り除くのではなく、光学フィルターを使って2台のプロジェクターの出力を調整し、青色をバイオレットとシアンに置き換えた。 さらに、5色目のイエローも使用して、研究者がよりコントロールできるようにしました。 その結果、ipRGCのメラノプシンを刺激する効果は弱くなったものの、色と明るさは同等の画像を得ることができた。 ボランティアは、自分が見ている映像が改造されたディスプレイで作られたものかどうかを見分けることはできなかった。

2種類のディスプレイは、メタメリズムと呼ばれる現象を利用しています。メタメリズムとは、同じように見える光の組み合わせでも、実際にはスペクトルの構成が異なるという現象です。 それぞれの組み合わせ（メタマー）は、錐体には似たような影響を与えますが、ipsRGCには異なる影響を与えます。 ルーカスの共同研究者であるスイス・バーゼル大学の時間生物学者クリスチャン・カホヘンは、最大200人のオフィスワーカーを対象とした研究で、メタマーが認知能力、気分、睡眠に与える影響を検証する予定です。 英国オックスフォード大学の神経科学者であるマニュエル・スピッツァンは、メタマーを使って、光が視覚機能、行動、脳活動に与える影響を研究していますが、表面がさまざまな方法で光を反射するため、部屋の照明は難しいと説明します。

人工照明が身体に及ぼす影響を考慮して、多くの研究者が、ipRGCへの影響を考慮した照明設計のガイドラインを求めています。 昨年、Schlangenを中心とする研究者グループは、ウィーンの非営利団体である国際照明委員会と協力して、測定基準を作成しました。

今年末には、ISSにダイナミックライティングシステムの設置が完了する予定です。 就業時間中に使用する明るい白色光、「夕方」に宇宙飛行士が眠る準備をするための青い波長をカットした薄暗い光、必要に応じて覚醒度を高めたり、夜間作業後の概日時計をリセットしたり、乱れた睡眠・覚醒サイクルを修正するために使用する青い波長を強調した高輝度の光の3つの設定ができるように設計されています。 このプロジェクトを主導するブレイナードとロックリーは、すでにこのシステムが宇宙飛行士の睡眠、メラトニンレベル、作業能力、視力に与える影響を地上で評価しました。

宇宙での生活に伴う極端な概日リズムの乱れを調整することが可能であることを実証することは、スマートな照明の未来の基礎を築くことにつながると二人は言います。 “Lockleyは、「神経科学とLEDの技術が同時に発展したことは幸運でした」と語ります。 “今後、ますます面白くなっていくでしょう」と語っています。