Wissenschaft

Ist Licht Droge oder Arznei?

Spannende Fragen rund um das Thema »HUMAN CENTRIC LIGHTING« (HCL*)

Auf einen Blick

Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. Herbert Plischke beantwortet unsere Fragen zur nicht-visuellen Wirkung von Licht auf junge und alte, kranke und gesunde Menschen. Er ist Professor an der Hochschule München mit dem Fachgebiet »Licht und Gesundheit« und Mitglied im gleichnamigen Normungsausschuss DIN FNL 27.

LICHT: Sie sind kürzlich bei einer Veranstaltung in London mit dem Vortragstitel »Is light a drug?« aufgetreten. Was ist da dran?

Plischke: Ich wollte einen spannenden Einstieg für meinen allgemeinen Vortrag über HCL* und es ist tatsächlich so, dass es Lichtsüchtige gibt, die sich im Sonnenstudio immer wieder einen Dopamin-Schub holen. Licht kann man auch wie ein Medikament überdosieren: Es wird erfolgreich bei Depressionen eingesetzt, aber eine zu hohe Dosis zum ungünstigen Zeitpunkt kann einen Patienten mit bipolarer Störung direkt in eine manische Phase befördern. Dann funktioniert Licht wie ein Aufputschmittel. Es kann andererseits auf hyperaktive Kinder die gegenteilige Wirkung haben, wie sich kürzlich zufällig bei einer Neurofeedback-Studie gezeigt hat: Licht mit hohem Blauanteil am Morgen hatte eine vergleichbare Wirkung wie Ritalin. Das ist paradox und woran die beruhigende Wirkung bei ADHS-Patienten liegt, wissen wir noch nicht.

Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. Herbert Plischke im Gespräch mit Autorin Juliane Braun.

LICHT: Welche positiven Wirkungen hat Human Centric Lighting (HCL*) normalerweise auf SchĂĽler?

Plischke: Es gibt eine große Schulstudie, die gezeigt hat, dass es gerade in den ersten Unterrichtsstunden und in der dunklen Jahreszeit gut aktiviert und die Konzentrationsfähigkeit steigert. Es hilft insbesondere Teenagern, die abends erst spät ins Bett finden, weil ihr chronobiologischer Rhythmus sie genetisch bedingt zu »Eulen« macht. An einem Gymnasium in Miesbach betreue ich als Berater gerade ein Projekt, bei dem die Schüler im Rahmen eines »P-Seminars« selbst die subjektiven Wirkungen von Beleuchtung im Klassenzimmer erheben und Ende des Jahres vorstellen. Hier rechne ich mit interessanten Erkenntnissen. Allerdings befinden sich die Zimmer in einem Neubau mit sehr hohem Tageslichtanteil und deshalb ist das natürlich keine kontrollierte Erhebung zu Kunstlicht.

LICHT: Hersteller werben mit Begriffen wie »dynamisches Licht« oder »biodynamisches Licht« und haben diese zum Teil sogar geschützt – welche Bezeichnung kann jeder in der Branche verwenden?

Plischke: Im Rahmen des europäischen Verbands »Lighting Europe«, der das Thema stark vorantreibt, hat man sich auf den herstellerneutralen Oberbegriff »Human Centric Lighting« (HCL*) geeinigt. Den Begriff kann jeder ohne Bedenken verwenden. Insbesondere soll HCL mit wissenschaftlich gesicherten Informationen verknüpft werden. Für eine breite Kommunikation der Anwendungsmöglichkeiten von menschenzentrierter und energieeffizienter Beleuchtung hat der europäische Verband die Internetseite http://lightingforpeople.eu geschaffen.

LICHT: FĂĽr die Effekte gibt es auch viele Begriffe: biologische, melanopische, melatoninunterdrĂĽckende oder nicht-visuelle Wirkung. Ist das alles das Gleiche?

Plischke: »Biologisch wirksam« klingt griffig und wird von der breiten Öffentlichkeit am leichtesten verstanden. Deshalb wird diese Bezeichnung auch weiter Verwendung finden. Streng genommen umfasst sie aber auch die Sehfunktion. Wenn wir wissenschaftlich präziser von der nicht-visuellen oder melanopischen Wirkung sprechen, meinen wir ausschließlich die Wirkung über die neu entdeckten melanopsinhaltigen Ganglienzellen im Auge. Über diese wird insbesondere die Ausschüttung des Schlafhormons Melatonin unterdrückt.

LICHT: Welches Licht hat die höchste melanopische Wirkung?

Plischke: Es gab 2013 in Manchester eine Konferenz der weltweiten HCL-Experten, die sich auf ein Wirkungsspektrum geeinigt haben. Die maximale Anregung der melanopsinhaltigen Rezeptoren im Auge liegt danach bei einer Wellenlänge von 480 nm. Altersabhängig gibt es hier aber Verschiebungen in Richtung 490 nm. Bei 420 nm oder 520 nm braucht man schon doppelt so viel Photonen für die gleiche Wirkung. Am Tag benötigt man zwischen 250 und 500 Lux am Auge gemessen (abhängig von der Lichtquelle), um einen Effekt zu erzielen. Am besten funktioniert das durch eine flächige indirekte Beleuchtung von oben, weil sie die Ganglienzellen ähnlich anspricht wie das natürliche Sonnenlicht.

LICHT: Warum wird bei Vorschriften zu Energieeffizienz und Beleuchtungsstärke die gesundheitliche Wirkung von Licht nicht ausreichend berücksichtigt?

Plischke: In den 1920er Jahren wurde erstmals definiert, was Licht ist und wie man es messen kann – in Candela, Lux und Lumen. Die Wirkkurve, auf der diese Maßeinheiten basieren, enthält nur so viele Blauanteile wie für den reinen Sehvorgang damals in Versuchen ermittelt wurden. Die nicht-visuellen Eigenschaften des Lichts, die erst vor einigen Jahren entdeckt wurden, sind nicht ausreichend abgedeckt. Das führt dazu, dass die Messung melanopisch wirksamer Beleuchtung aufgrund ihrer höheren Blauanteile geringere Lumen-Werte ergibt. Sie ist also scheinbar weniger energieeffizient.

Im Rahmen einer Doktorarbeit werden in einem Hörsaal unterschiedliche Lichtmischungen getestet.

LICHT: Wie wird hier bei der Normung Abhilfe geschaffen?

Plischke: Professor Dietrich Gall hat schon vor über zehn Jahren eine neue Metrik vorgeschlagen, die eine vergleichende Bewertung der nicht-visuellen Wirkungen von Licht ermöglicht. Dies wurde in eine Vornorm DIN V 5031-100 zur »melanopischen Wirkung von Licht« umgesetzt. Seit 2013 gibt es eine Planungsempfehlung zu »Biologisch wirksamer Beleuchtung« für Schulen, Altenheime und Arbeitsplätze (DIN SPEC 67600:2013-04) und Ende 2014 soll der Nachfolger der DIN V 5031-100:2009-06 nun als DIN SPEC 5031-100 veröffentlicht werden. Hier sind die Ergebnisse der Manchester-Konferenz eingearbeitet worden.

LICHT: Was ist nötig, damit sich HCL breiter durchsetzt?

Plischke: Es besteht sicher noch ein großer allgemeiner Aufklärungsbedarf. Deshalb bieten viele Hersteller Seminare an und es wird sicher in den nächsten Jahren auch ein vermehrtes Kursangebot seitens DIN und VDE geben. Auch die Berufsgenossenschaften und die KAN (Kommission für Arbeitsschutz) beschäftigen sich schon mit dem Thema. Insgesamt setze ich auf den Multiplikatoreffekt, da die Betriebe mehr und mehr die Gesundheit der Mitarbeiter im Fokus haben. Aber auch kommerziell hat HCL ein interessantes Potential. Die von A.T. Kearney erstellte Marktstudie prognostiziert: HLC kann bis zum Jahr 2020 ein Milliardengeschäft werden.

LICHT: Welchen Beitrag liefern Sie zum EU-Projekt »SSL-erate«, das die LED-Technologie auch im Bereich Licht und Gesundheit fördern soll?

Plischke: Im Rahmen dieses EU-Marketing-Projekts arbeite ich mit meinen Kollegen am Thema »Licht in Schulen«. Hochschulen in Basel und Oxford bearbeiten die Anwendungsfelder Arbeitsplatz, Krankenhaus und privater Wohnbereich. Wir sammeln jeweils die verfügbaren Daten und kategorisieren sie in drei Niveaus: Basiswissen für eine breite Öffentlichkeit, detailliertere Informationen mit Studienergebnissen für Entscheider und schließlich ausführliche wissenschaftliche Erläuterungen mit Literaturverzeichnis. Das Projekt läuft bis 2016.

LICHT: Wo sehen Sie mögliche Barrieren?

Plischke: Planer halten sich bei dem Thema vielleicht auch deshalb noch zurück, weil sie ihren Kunden keine Wirkungsgarantie geben können. Theoretisch könnte ja jemand sein Geld zurück verlangen, wenn er sich unter dem neuen Licht subjektiv nicht besser fühlt. Wenn aber die entsprechende – nun vorhandene – DIN SPEC 67600 in die Leistungsbeschreibung aufgenommen wird, gibt das Planungssicherheit.

LICHT: Warum ist HCL so erfolgreich in Seniorenheimen? Wirkt es auch bei Demenz-Patienten und wie sieht es in Kliniken aus?

Plischke: In Seniorenheimen werden die Vorteile direkt deutlich und finanziell spürbar: Weniger Stürze und eine bessere Schlafqualität reduzieren die Kosten für die Betreiber. In einer frühen Phase der Demenz hilft HCL meist sehr gut, aber in einem fortgeschrittenen Stadium weniger, weil die Degenerationen im Auge und Gehirn dazu führen können, dass die Lichtwirkung nicht mehr ausreichend an den Wirkorten (z.B. der Zirbeldrüse) ankommt. In Kliniken ist es erwiesen, dass sich Patienten in Räumen mit viel Tageslicht (natürlich oder künstlich ergänzt) schneller erholen.

LICHT: Gibt es positive Effekte bei behinderten Menschen?

Plischke: Ich betreue seit letztem Jahr ein Projekt mit einer Behindertenwerkstatt in Landsberg. Hier machen wir verschiedene Tests in einer neu gebauten Halle mit viel Tageslicht und einer energieeffizienten HCL-Beleuchtung. Wir sammeln das Feedback der Menschen mit Behinderungen und ihrer Betreuer über Fragebögen. Die bisherigen Ergebnisse zeigen auch dort eine gute Akzeptanz. Ein Wirknachweis wie schon bei durchgeführten Studien an regulären Arbeitsplätzen wird aber dort schwierig zu erheben.

Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. Herbert Plischke im Gespräch mit Chefredakteur Emre Onur und Autorin Juliane Braun.

LICHT: Reagieren alle Menschen ähnlich oder gibt es Unterschiede?

Plischke: Neben der altersbedingten Trübung der Augenlinse gibt es noch andere individuelle Faktoren, die die melanopische Wirksamkeit beeinflussen können. Deshalb haben wir eine Testbrille für die Untersuchung der Funktionsfähigkeit der retinalen Ganglienzellen entwickelt. Anhand der Pupillenreaktion auf verschiedene Lichtreize können wir die individuelle Empfindlichkeit der Rezeptoren ermitteln. Das ist entscheidend, um die Ergebnisse von Experimenten oder Studien beurteilen zu können.

LICHT: Wie ermitteln Sie die Wirkung und wie valide sind Ihre Daten?

Plischke: Die genauesten Ergebnisse erhalten wir natürlich bei kontrollierten klinischen Studien ohne externe Störfaktoren. In diesem Zusammenhang sind Messungen von Hirnaktivität, Herzfrequenzvariabilität und Hautleitfähigkeit sehr aussagekräftig. Bei HCL-Feldstudien sind solche Bedingungen nur sehr schwer herzustellen. Deshalb arbeiten wir dabei meist mit Fragebögen und gegebenenfalls Fremdbeurteilung durch Pflegepersonal oder Lehrkräfte. Diese Art der Datenerhebung ist aber auch valide und bildet die Grundlage der meisten HCL-Studien.

LICHT: Welche Vorteile hat HLC am Arbeitsplatz?

Plischke: Es erhöht nicht nur die Arbeitssicherheit und Effektivität, sondern reduziert auch das Stressniveau. Es macht bessere Laune, weil die Menschen sich wohler und fitter fühlen und das wirkt sich auch positiv auf die Zusammenarbeit aus. Ein Unternehmen, das sowieso einen Umbau oder Neubau plant, kann damit gleich etwas für das Arbeitsklima und für die nachhaltige Leistungsfähigkeit der Mitarbeiter tun. Die Unterstützung des circadianen Rhythmus durch eine dem Sonnenlicht ähnliche Beleuchtung ist keine Manipulation. Die HCL-Beleuchtung sollte automatisch an den Tagesverlauf angepasst sein. Damit sich Mitarbeiter nicht bevormundet fühlen, ist es gut, wenn sie das direkte Licht für die Sehaufgaben selbst regeln können.

LICHT: Kann Licht im Schlaf schaden – zum Beispiel Straßenlaternen?

Plischke: Im Schlaf wird durch das geschlossene Auge einerseits relativ viel Blauanteil weggefiltert, andererseits fährt der Körper seine Empfindlichkeit hoch. Deshalb sind in der Dunkelheit weniger Photonen ausreichend, um ein Wachsignal auszulösen. So kann Mondlicht mit nur 10 Lux unseren Schlaf stören. Eine aktuelle Studie zeigt, dass schon zwei Millisekunden Lichtimpulse auf die geschlossenen Augen der Probanden die innere Uhr verstellen können. Angesichts der Tatsache, dass unser Gehirn den Schlaf als Wachstumsphase benötigt und Melatonin nachts der beste Schutz gegen freie Radikale ist, können wir davon ausgehen, dass Störungen und Melatoninunterdrückung in der Nacht nicht gesund sind. Wissenschaftlich quantifizieren lässt sich dieser Effekt noch nicht. Aber das sollte neben der Stromersparnis ein gutes Argument dafür sein, Straßenlaternen mit weniger Streulicht einzusetzen und sie bedarfsabhängiger zu steuern.

Eine speziell entwickelte Testbrille für die Untersuchung der Funktionsfähigkeit der retinalen Ganglienzellen.

Durch Reizung mit verschiedenfarbigem LED-Licht kann anhand der daraus folgenden Pupillenreaktion die individuelle Empfindlichkeit ermittelt werden.

LICHT: Wie lichtempfindlich sind wir morgens oder abends?

Plischke: Der Morgen und der Abend sind wichtige Phasen für die Synchronisierung unserer inneren Uhr. Am Morgen ist die Empfindlichkeit der lichtsensitiven Rezeptoren am höchsten. Da kann schon ein einziges Photon so viel Aktivierung bewirken wie tagsüber tausend Photonen. Abends kann blaues Licht uns am Einschlafen hindern. Das gilt beispielsweise für die Nutzung von LED-Computerbildschirmen. Deshalb verwende ich persönlich die kostenlose Software »f.lux«, die die Farbtemperatur meines Monitors automatisch an die Tageszeit anpasst. Für graphische Arbeiten am Abend ist die Software aufgrund der Farbverschiebung in Richtung 3400 Kelvin nur bedingt geeignet, für Textbearbeitung und Büro-Anwendungen finde ich das akzeptabel. Die Software funktioniert allerdings noch nicht bei iPads, die durch ihren hohen Tageslichtanteil stark melatoninunterdrückend wirken können.

LICHT: Wo sehen Sie noch wichtigen Forschungsbedarf?

Plischke: Herauszufinden, welches künstliche Licht bei Schichtarbeitern über 24 Stunden langfristig für den Organismus am besten ist und das Hormonsystem am wenigsten stört. Von der Weltgesundheitsorganisation wird eine langjährige Störung des chronobiologischen Rhythmus als krebserregend eingestuft und aktuelle Meta-Analysen von Prof. Erren in Köln bekräftigen die bis zu 70-prozentige Erhöhung des Risikos z.B. von Brustkrebs bei langjähriger Schichtarbeit. Ich habe ein Projekt in der Schaltwarte eines Glaswerks in Zusammenarbeit mit der Berufsgenossenschaft begleitet und daraus wichtige Erkenntnisse gewonnen. Licht sollte bei Schichtarbeit möglichst die individuelle Chronobiologie berücksichtigen und Licht kann in der Nacht überdosiert werden: Bessere Wachheit am Arbeitsplatz kann mit schlechterem Einschlafen nach der Schicht einhergehen. Die richtige Dosis zu finden, wird auch in der Kompetenz der Arbeitsmedizin liegen. Solche Projekte müssen jedoch langjährig durchgeführt werden und hierzu suche ich noch Unterstützung.

Prof. Plischke in seiner Vermittlerfuktion zwischen Medizin und Lichttechnik.

LICHT: Wie haben Sie als Elektroingenieur zur Medizin und dann zu HCL  gefunden?

Plischke: Nach einer Lehre und einem Studium der Elektrotechnik habe ich in einer Augenklinik Zivildienst geleistet. Dabei haben mich die elektrischen Ströme im menschlichen Körper fasziniert und ich habe einige Jahre lang medizintechnische Geräte gebaut, bis ich mich dann für ein Medizinstudium entschieden habe. Nach Klinikzeiten in der inneren Medizin und Anästhesie habe ich 10 Jahre lang das »Generation Research Programm« der Ludwig-Maximilians-Universität München geleitet. Dabei ging es um Assistenztechnik für den demographischen Wandel – darunter auch Lichtsysteme für Senioren. Aufgrund meiner persönlichen Vorgeschichte hatte ich mich in den letzten Jahren verstärkt mit medizinischer Messtechnik und Lichttechnik beschäftigt und mich für die ZVEI-Stifungsprofessur »Licht und Gesundheit« beworben.

* Zum Teil wird in der Branche auch die AbkĂĽrzung HumCL verwendet.

Melanopsinhaltige Ganglienzellen
Dass sich im Auge von Säugetieren neben Zapfen und Stäbchen, die das Sehen ermöglichen, zusätzliche Lichtrezeptoren befinden, wurde erst um die Jahrtausendwende wissenschaftlich belegt. Die neu entdeckten speziellen Ganglienzellen erhalten ihre Lichtempfindlichkeit durch das Photopigment Melanopsin. Mit Signalen an die innere Uhr (diese befindet sich in einem eigenen Hirnkern über der Sehnervenkreuzung) wird der Tag-Nacht-Rhythmus des Menschen synchronisiert. Über die Zirbeldrüse wird in der Nacht Melatonin ausgeschüttet, das verschiedenste Körperzellen auf »Nachtbetrieb« umschaltet und die Zellteilung in der Nacht vor freien Radikalen schützt. Die nicht-visuelle Wirkung von Licht erstreckt sich auch auf andere Hormone wie Cortisol, Dopamin, Adrenalin, die kardiovaskuläre Regulation, die Wachheit und Leistungsfähigkeit am Tage, Gedächtnisprozesse und vieles mehr.

Autorin: Juliane Braun, MĂĽnchen
Fotos: Emre Onur, Christiane Philipp, Philipp Novotny, Manuel Winkler

Weitere Informationen:

Marktstudie Human Centric Lighting von A.T. Kearney zum Download unter: www.zvei.org
Publikation von licht.de: licht.wissen 19 »Wirkung des Lichts auf den Menschen«
lightingforpeople.eu
Kostenloser Download der Software f.lux unter https://justgetflux.com
Beuth Verlag GmbH, Berlin, beuth.de/de

Studie zu Lichtimpulsen in der Nacht, die die innere Uhr verstellen:
Zeitzer, J.M., Fisicaro, R.A., Ruby, N.F., Heller, H.C., 2014. Millisecond Flashes of Light Phase Delay the Human Circadian Clock during Sleep. J Biol Rhythms 0748730414546532. doi:10.1177/0748730414546532

Figueiro, M.G., Bierman, A., Rea, M.S., 2013. A train of blue light pulses delivered through closed eyelids suppresses melatonin and phase shifts the human circadian system. Nature and science of sleep 5, 133.

 


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