Los efectos de la luz sobre el ritmo circadiano son la respuesta de los ritmos circadianos a la luz .
La mayoría de los animales y otros organismos tienen un reloj biológico que sincroniza su fisiología y comportamiento con los cambios diarios del entorno. Los cambios fisiológicos que siguen estos relojes se conocen como ritmos circadianos . Debido a que el período endógeno de estos ritmos es de aproximadamente, pero no exactamente, 24 horas, estos ritmos deben restablecerse mediante señales externas para sincronizarse con los ciclos diarios del entorno. [1] Este proceso se llama sincronización . Una de las señales más importantes para sincronizar los ritmos circadianos es la luz.
La luz pasa primero al sistema de un mamífero a través de la retina , luego toma uno de dos caminos: la luz es recolectada por las células bastón y cono y las células ganglionares de la retina (RGC), o es recolectada directamente por estas RGC. [2] [3] [4] [5]
Las RGC utilizan el fotopigmento melanopsina para absorber la energía de la luz. [2] [3] [4] [5] Específicamente, esta clase de RGC que se está discutiendo se conoce como "intrínsecamente fotosensible", lo que simplemente significa que son sensibles a la luz. [2] [6] [4] Hay cinco tipos conocidos de células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles (ipRGC) : M1, M2, M3, M4 y M5. [4] Cada uno de estos diferentes tipos de ipRGC tiene diferente contenido de melanopsina y fotosensibilidad. [7] Estas se conectan a las células amacrinas en la capa plexiforme interna de la retina . [4] Finalmente, a través de este tracto retinohipotalámico (RHT), el núcleo supraquiasmático (SCN) del hipotálamo recibe información luminosa de estas ipRGC. [2] [3] [4] [5]
Las ipRGC cumplen una función diferente a la de los bastones y conos, incluso cuando están aisladas de los otros componentes de la retina, las ipRGC mantienen su fotosensibilidad y como resultado pueden ser sensibles a diferentes rangos del espectro de luz . [7] Además, los patrones de disparo de las ipRGC pueden responder a condiciones de luz tan bajas como 1 lux, mientras que investigaciones anteriores indicaron que se necesitaban 2500 lux para suprimir la producción de melatonina. [7] Se ha demostrado que las respuestas circadianas y otras respuestas conductuales son más sensibles a longitudes de onda más bajas que la función de eficiencia luminosa fotópica que se basa en la sensibilidad a los receptores de conos. [7]
La región central del SCN alberga la mayoría de las neuronas sensibles a la luz. [8] Desde aquí, las señales se transmiten a través de una conexión nerviosa con la glándula pineal que regula varias hormonas en el cuerpo humano. [9]
Existen genes específicos que determinan la regulación del ritmo circadiano en conjunción con la luz. [8] Cuando la luz activa los receptores NMDA en el SCN, la expresión del gen CLOCK en esa región se altera y el SCN se reinicia, y así es como se produce el arrastre. [8] Los genes que también intervienen en el arrastre son PER1 y PER2 . [8]
Algunas estructuras importantes directamente impactadas por la relación luz-sueño son el colículo superior - área pretectal y el núcleo preóptico ventrolateral. [6] [5]
El amarilleamiento progresivo del cristalino con la edad reduce la cantidad de luz de onda corta que llega a la retina y puede contribuir a las alteraciones circadianas observadas en la edad adulta avanzada. [10]
Aún no se conocen por completo todos los mecanismos de sincronización afectados por la luz, sin embargo, numerosos estudios han demostrado la eficacia de la sincronización de la luz para el ciclo día/noche. Los estudios han demostrado que el momento de la exposición a la luz influye en la sincronización, como se ve en la curva de respuesta de fase para la luz para una especie determinada. En las especies diurnas (activas durante el día), la exposición a la luz poco después de despertarse adelanta el ritmo circadiano, mientras que la exposición antes de dormir lo retrasa. [11] [12] [8] Un adelanto significa que el individuo tenderá a despertarse más temprano el día o los días siguientes. Un retraso, causado por la exposición a la luz antes de dormir, significa que el individuo tenderá a despertarse más tarde el día o los días siguientes.
Las hormonas cortisol y melatonina se ven afectadas por las señales que la luz envía a través del sistema nervioso del cuerpo . Estas hormonas ayudan a regular el azúcar en sangre para darle al cuerpo la cantidad adecuada de energía que se requiere a lo largo del día. Los niveles de cortisol son altos al despertar y disminuyen gradualmente a lo largo del día, los niveles de melatonina son altos cuando el cuerpo entra y sale de un estado de sueño y son muy bajos durante las horas de vigilia. [9] El ciclo natural de luz y oscuridad de la Tierra es la base para la liberación de estas hormonas. [13]
La duración de la exposición a la luz influye en el proceso de sincronización. Las exposiciones más prolongadas tienen un efecto mayor que las exposiciones más breves. [12] La exposición constante a la luz tiene un efecto mayor que la exposición intermitente. [14] En ratas, la luz constante acaba alterando el ciclo hasta el punto de que la memoria y la capacidad de afrontar el estrés pueden verse afectadas. [15]
La intensidad y la longitud de onda de la luz influyen en el arrastre. [2] La luz tenue puede afectar al arrastre en relación con la oscuridad. [16] La luz más brillante es más efectiva que la luz tenue. [12] En los seres humanos, una luz de longitud de onda corta (azul/violeta) de menor intensidad parece ser igualmente efectiva que una luz blanca de mayor intensidad. [11]
La exposición a la luz monocromática en longitudes de onda de 460 nm y 550 nm en dos grupos de control arrojó resultados que mostraban una disminución de la somnolencia a 460 nm en dos grupos y un grupo de control. Además, en el mismo estudio, pero en el que se evaluó la termorregulación y la frecuencia cardíaca, los investigadores encontraron un aumento significativo de la frecuencia cardíaca en la luz de 460 nm durante un período de exposición de 1,5 horas. [17]
En un estudio realizado sobre el efecto de la intensidad de la iluminación en las ondas delta , una medida de la somnolencia, los niveles altos de iluminación (1700 lux) mostraron niveles más bajos de ondas delta medidos a través de un EEG que los niveles bajos de iluminación (450 lux). Esto demuestra que la intensidad de la iluminación está directamente relacionada con el estado de alerta en un entorno de oficina. [18]
Los seres humanos somos sensibles a la luz con una longitud de onda corta. En concreto, la melanopsina es sensible a la luz azul con una longitud de onda de aproximadamente 480 nanómetros. [19] El efecto que esta longitud de onda de luz tiene sobre la melanopsina provoca respuestas fisiológicas como la supresión de la producción de melatonina, un mayor estado de alerta y alteraciones del ritmo circadiano. [19]
Si bien la luz tiene efectos directos sobre el ritmo circadiano, existen efectos indirectos observados en varios estudios. [4] El trastorno afectivo estacional crea un modelo en el que la disminución de la duración del día durante el otoño y el invierno aumenta los síntomas depresivos . [6] [4] Un cambio en la curva de respuesta de fase circadiana crea una conexión entre la cantidad de luz en un día (duración del día) y los síntomas depresivos en este trastorno. [6] [4] La luz parece tener efectos antidepresivos terapéuticos cuando un organismo se expone a ella en momentos apropiados durante el ritmo circadiano, regulando el ciclo sueño-vigilia. [6] [4]
Además del estado de ánimo, el aprendizaje y la memoria se ven afectados cuando el sistema circadiano cambia debido a estímulos luminosos, [6] [20] lo que se puede observar en estudios que modelan situaciones de jet lag y de trabajo por turnos . [4] Las áreas del lóbulo frontal y parietal involucradas en la memoria de trabajo se han implicado en las respuestas de la melanopsina a la información luminosa. [20]
"En 2007, la Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer clasificó el trabajo por turnos con alteración circadiana o cronodisrupción como un probable carcinógeno humano". [21]
La exposición a la luz durante las horas de producción de melatonina reduce la producción de esta hormona. Se ha demostrado que la melatonina mitiga el crecimiento de tumores en ratas. Al suprimir la producción de melatonina durante la noche, las ratas mostraron mayores tasas de tumores en el transcurso de un período de cuatro semanas. [22]
La luz artificial nocturna que provoca alteraciones circadianas también afecta la producción de esteroides sexuales. Se encontró un aumento de los niveles de progestágenos y andrógenos en los trabajadores del turno de noche en comparación con los trabajadores que "trabajan en horario laboral". [21]
La exposición adecuada a la luz se ha convertido en una forma aceptada de aliviar algunos de los efectos del trastorno afectivo estacional (TAE). Además, se ha demostrado que la exposición a la luz por la mañana ayuda a los pacientes con Alzheimer a regular sus patrones de vigilia. [23]
En respuesta a la exposición a la luz, los niveles de alerta pueden aumentar como resultado de la supresión de la secreción de melatonina. [3] [6] Se ha encontrado una relación lineal entre los efectos de alerta de la luz y la activación en el hipotálamo posterior . [3] [24]
La alteración del ritmo circadiano como consecuencia de la luz también produce cambios en el metabolismo . [4]
Históricamente, la luz se medía en unidades de intensidad luminosa ( candelas ), luminancia (candelas/m2 ) e iluminancia (lumen/m2 ) . Después del descubrimiento de las ipRGC en 2002, se han investigado unidades adicionales de medición de la luz para estimar mejor el impacto de diferentes entradas del espectro de luz en varios fotorreceptores . Sin embargo, debido a la variabilidad en la sensibilidad entre bastones, conos e ipRGC y la variabilidad entre los diferentes tipos de ipRGC, una unidad singular no refleja perfectamente los efectos de la luz en el cuerpo humano. [7]
La unidad actual aceptada es el lux melanópico equivalente, que es una relación calculada multiplicada por la unidad lux. La relación melanópica se determina teniendo en cuenta el tipo de fuente de luz y los valores de iluminancia melanópica para los fotopigmentos del ojo. [25] La fuente de luz, la unidad utilizada para medir la iluminancia y el valor de la iluminancia informan la distribución de potencia espectral. Esto se utiliza para calcular la iluminancia fotópica y el lux melanópico para los cinco fotopigmentos del ojo humano, que se pondera en función de la densidad óptica de cada fotopigmento. [25]
El estándar WELL Building fue diseñado para "promover la salud y el bienestar en los edificios a nivel mundial" [26]. Parte del estándar es la implementación del Crédito 54: Diseño de iluminación circadiana. Se designan umbrales específicos para diferentes áreas de oficinas con el fin de obtener créditos. La luz se mide a 1,2 metros por encima del piso terminado para todas las áreas.
Las áreas de trabajo deben tener al menos un valor de 200 lux melanópicos equivalentes presentes para el 75 % o más de los puestos de trabajo entre las 9:00 a. m. y la 1:00 p. m. para cada día del año cuando se incorpora la luz natural en los cálculos. Si no se tiene en cuenta la luz natural, todos los puestos de trabajo requieren una iluminación con un valor de 150 lux melanópicos equivalentes o superior. [27]
En los ambientes habitables, que son dormitorios, baños y habitaciones con ventanas, al menos una luminaria debe proporcionar un valor de lux melanópico de al menos 200 durante el día y un valor de lux melanópico menor a 50 durante la noche, medido a 0,76 metros por encima del piso terminado. [27]
Las salas de descanso requieren un lux melanópico promedio de 250. [27]
Las áreas de aprendizaje requieren que los modelos de iluminación que puedan incorporar iluminación natural tengan un lux melanópico equivalente de 125 en al menos el 75 % de los escritorios durante al menos cuatro horas por día o que las luces ambientales mantengan las recomendaciones de lux estándar establecidas en la Tabla 3 de IES-ANSI RP-3-13. [27]
La norma WELL Building proporciona además una orientación para la emulación circadiana en residencias multifamiliares. Para reproducir con mayor precisión los ciclos naturales, los usuarios de la iluminación deben poder establecer una hora para despertarse y acostarse. Se debe mantener un lux melanópico equivalente de 250 en el período del día entre la hora indicada para despertarse y dos horas antes de la hora indicada para acostarse. Se requiere un lux melanópico equivalente de 50 o menos para el período del día que abarca desde dos horas antes de la hora indicada para acostarse hasta la hora de despertarse. Además, en la hora indicada para despertarse, el lux melanópico debe aumentar de 0 a 250 en el transcurso de al menos 15 minutos. [28]
Aunque muchos investigadores consideran que la luz es la señal más potente para el entrainment, no es el único factor que actúa sobre los ritmos circadianos. Otros factores pueden mejorar o disminuir la eficacia del entrainment. Por ejemplo, el ejercicio y otras actividades físicas, cuando se combinan con la exposición a la luz, dan como resultado una respuesta de entrainment algo más fuerte. [14] Otros factores como la música y la administración en el momento adecuado de la neurohormona melatonina han demostrado efectos similares. [29] [30] Numerosos otros factores también afectan al entrainment. Estos incluyen los horarios de alimentación, la temperatura, la farmacología, los estímulos locomotores, la interacción social , los estímulos sexuales y el estrés. [31]
También se han encontrado efectos circadianos en la percepción visual del deslumbramiento molesto. [32] El momento del día en el que se muestra a las personas una fuente de luz que produce incomodidad visual no se percibe de manera uniforme. A medida que avanza el día, las personas tienden a volverse más tolerantes a los mismos niveles de deslumbramiento molesto (es decir, las personas son más sensibles al deslumbramiento molesto por la mañana en comparación con más tarde en el día). Estudios posteriores sobre el cronotipo muestran que los cronotipos tempranos también pueden tolerar más deslumbramiento molesto por la mañana en comparación con los cronotipos tardíos. [33]