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luce e ritmo circadiano

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"L'influenza della luce artificiale sul ritmo circadiano"
(Laura Bellia – Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Napoli ‘‘Federico II’’, Napoli; Matteo Seraceni – HERA Luce, Bologna)



Il ritmo circadiano è una caratteristica di quasi tutte le specie viventi e sta ad indicare il ciclo veglia/sonno che viene regolato da funzioni biologiche di diverso tipo.

La scoperta di un nuovo terzo recettore retinico nel 2002 – complementare a coni e bastoncelli e costituito da cellule gangliari fotosensibili (ipRGC) – ha rivoluzionato la biologica circadiana e l’illuminotecnica, avviando una sperimentazione intensa volta a comprendere l’interazione fra luce e ritmo circadiano.

Le cellule ipRGC sono infatti in grado di rispondere agli stimoli luminosi alterando i livelli di melatonina nel sangue. Il sistema di regolazione circadiana è comunque molto complesso, essendo sensibile non solo alle differenti componenti dello spettro luminoso secondo meccanismi basati sull’opponenza spettrale, ma anche all’irradianza della luce misurata agli occhi e al periodo e durata di esposizione.

I dati di cui disponiamo oggi permettono già di definire come gli stimoli luminosi influiscono sulla produzione di melatonina e proprio su questi studi si basano i metodi di valutazione della risposta circadiana.


Un modello per l’analisi

Tra i modelli di metrica circadiana oggi più accreditati vi è quello proposto da Rea nel 2005 (e rivisto nel 2012), che si basa sulla sintesi di una vasta gamma di ricerche svolte nei campi della neuroanatomia, elettrofisiologia e psicofisica.

Purtroppo risulta di difficile applicazione in quanto utilizza una funzione non continua e non lineare e non consente una diretta correlazione con l’illuminamento rilevato in corrispondenza degli occhi.

La ricerca svolta dall’ing. Seraceni di Hera Luce e la prof. Bellia dell’Università Federico II di Napoli ha consentito di sviluppare una formula semplificata per l’analisi del potenziale stimolo circadiano da parte di diverse sorgenti.

Il modello proposto è lineare, in funzione dell’illuminamento in corrispondenza degli occhi, e fornisce risultati in ottimo accordo con quelli ottenuti dal modello di Rea.

Grazie all’utilizzo di questo modello è stato possibile analizzare il potenziale stimolo circadiano di oltre 60 sorgenti luminose oggi in commercio, con risultati estremamente interessanti.

Innanzitutto è possibile osservare un “salto” dovuto ad un effetto di “opponenza spettrale” a ridosso della Temperatura di colore Tc = 4000 K: questo fa sì che moduli LED con Tc = 4500 K risultino, a parità di condizioni, meno stimolanti rispetto a quelli con Tc intorno ai 3000 K o 6000 K (al contrario di quanto comunemente si crede, ovvero che i moduli LED con Tc 3000 K siano i meno impattanti in assoluto).

Inoltre è possibile notare come per alcune sorgenti lo stimolo circadiano (vedi figura 1 letto in percentuale nella colonna a destra) diviene importante per i livelli di illuminamento tipici di uffici o ambienti di lavoro (300 lux): questo significa che nella progettazione illuminotecnica occorre prestare particolare attenzione alla valutazione dell’influenza della luce sui ritmi circadiani (su diverse testate giornalistiche abbiamo letto degli stessi effetti provocati da un uso eccessivo di dispositivi con schermi molto brillanti durante le ore notturne).
Valori di illuminamento circadiano (CLa) per diverse sorgenti luminose in commercio e il corpo nero (linea continua) e per 30 lux di illuminamento alla cornea, così come previsti dal modello di Rea et al. (linee blu) e il modello semplificato proposto (linee arancioni). Per illuminamento circadiano si intende il corrispettivo in illuminamento che influisce sul sistema circadiano tale per cui 1000 lux di un corpo nero a 2856 K corrispondono a CLa pari a 1000 lux. A destra si possono leggere i corrispondenti valori teorici di soppressione di melatonina (CS) valutati con entrambi i metodi. Come si può vedere dal grafico, le sorgenti a luce bianca con temperature di colore comprese nel range di 3000 – 5000 K possono andare incontro ad effetti di opponenza spettrale che riducono notevolmente la loro capacità di incidere sulla soppressione della melatonina (cortesia degli autori).



Figura 1 – Valori di illuminamento circadiano (CLa) per diverse sorgenti luminose in commercio e il corpo nero (linea continua) e per 30 lux di illuminamento alla cornea, così come previsti dal modello di Rea et al. (linee blu) e il modello semplificato proposto (linee arancioni).
Per illuminamento circadiano si intende il corrispettivo in illuminamento che influisce sul sistema circadiano tale per cui 1000 lux di un corpo nero a 2856 K corrispondono a CLa pari a 1000 lux. A destra si possono leggere i corrispondenti valori teorici di soppressione di melatonina (CS) valutati con entrambi i metodi. Come si può vedere dal grafico, le sorgenti a luce bianca con temperature di colore comprese nel range di 3000 – 5000 K possono andare incontro ad effetti di opponenza spettrale che riducono notevolmente la loro capacità di incidere sulla soppressione della melatonina (cortesia degli autori).



Un prezioso supporto alla progettazione

La popolazione dei paesi industrializzati è sempre più esposta a luce artificiale durante le ore notturne e molte persone trascorrono diverse ore del giorno in ambienti interni in cui l’illuminazione risulta sufficiente a soddisfare i compiti visivi, ma non sempre adeguata alla corretta regolazione del ritmo circadiano.

Se è pur vero che l’influenza della luce sul ritmo biologico è individuale, dipendendo anche dal dosaggio di luce ricevuta nelle ore precedenti all’esposizione considerata, sarà tuttavia possibile individuare delle soglie oltre le quali o al di sotto delle quali, nelle varie ore del giorno, lo stimolo circadiano risulta significativo o meno.

Una volta acquisite maggiori certezze sulla risposta circadiana, progettisti e produttori di apparecchi di illuminazione potrebbero utilizzare queste conoscenze per pianificare una corretta illuminazione non solo per il compito visivo considerato ma anche per ottimizzare gli aspetti “non-visivi” (figura 2).
Valori di illuminamento circadiano (CLa) e di soppressione melatoninica (CS) per due diverse tipologie di sorgenti luminose (lampada fluorescente tubolare con Tc 3500 K e lampada a vapori di sodio con bruciatore ceramico con Tc 2500 K). In questo caso si nota come per valori di illuminamento alla cornea tipici dell'illuminazione per esterni (inferiori a 20 lux) non vi sono variazioni sensibili nella soppressione della melatonina, mentre per valori tipici dell'illuminazione per interni (superiori a 300 lux in caso di ambienti lavorativi) vi possono essere ricadute importanti sul ritmo circadiano (cortesia degli autori).



Figura 2 – Valori di illuminamento circadiano (CLa) e di soppressione melatoninica (CS) per due diverse tipologie di sorgenti luminose (lampada fluorescente tubolare con Tc 3500 K e lampada a vapori di sodio con bruciatore ceramico con Tc 2500 K).
In questo caso si nota come per valori di illuminamento alla cornea tipici dell’illuminazione per esterni (inferiori a 20 lux) non vi sono variazioni sensibili nella soppressione della melatonina, mentre per valori tipici dell’illuminazione per interni (superiori a 300 lux in caso di ambienti lavorativi) vi possono essere ricadute importanti sul ritmo circadiano (cortesia degli autori).

Occorre inoltre considerare che tra gli effetti non visivi vi è anche l’impatto della luce sullo stato di attenzione e di veglia e sulla produttività lavorativa: impianti di illuminazione dinamici potrebbero essere utilizzati per stimolare i meccanismi biologici nella maniera più appropriata nei luoghi di lavoro, nelle strutture di cura e in ambienti domestici.

Una corretta illuminazione potrebbe essere utilizzata anche per migliorare la nostra salute: diversi studi hanno infatti dimostrato che l’esposizione impropria a determinate sorgenti luminose potrebbe favorire lo sviluppo di tumori al seno così come il trattamento mirato con luce artificiale potrebbe contribuire al trattamento del disturbo affettivo stagionale (SAD).


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"Quando qualcuno dice:
questo lo so fare anch'io,
vuol dire che lo sa rifare
alterimenti lo avrebbe
già fatto."

Bruno Munari


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