Objev ipRGCs zapříčinil, že světelný průmysl a akademická sféra se začala zabývat vlivem světla na člověka a jeho nevizuální účinky [1] . Snahou je naleznout způsob, jak kvantifikovat míru dopadu světla na lidský organismu, psychologii člověka a jeho chování. Existují dvě obecně rozšířené kategorie techniky měření světla: radiometrie a fotometrie. Radiometrie je založena na popisu fyzikálních vlastností světla, nejčastěji jeho vlnové délky a energie. Radiometrický měřící přístroj zaznamenává zářivou energii na definovaném rozsahu vlnové délky elektromagnetické energie. Fotometrie je speciální obor radiometrie, který bere v úvahu fakt, že biologické fotoreceptory v lidském oku nejsou stejně citlivé na všechny vlnové délky světla. Fotometr je radiometrický přístroj, který používá filtry k určení odezvy detektoru přístroje na odlišné vlnové délky v závislosti na spektrální citlivosti lidského zraku. Většina dostupných fotometrických přístrojů k tomu používá křivku V(λ) nazývanou spektrální citlivost lidského oka CIE normalizovaného pozorovatele. Ta vyjadřuje citlivost čípků na střední a vyšší vlnové délky viditelného spektrálního složení světla s maximem cca při 555 nm [5] . Cirkadiánní systém a gangliové buňky mají však odlišnou spektrální, prostorovou, časovou a absolutní citlivost od fotopického vidění a vizuálního systému vnímání světla [7]. Tato kapitola seznámí čtenáře s citlivostí cirkadiánního systému (ipRGCs) a s problémy, které se v této oblasti vyskytují.

Sítnice lidského oka obsahuje pět fotopigmentů, které jsou zodpovědné za příjem světla. Tři z nich jsou obsaženy v čípcích a zodpovídají za denní, barevné vidění. Nazývají se jodopsiny S,M,L. anglické literatuře lze skupinu jodopsinů S,M,L dohledat pod názvy cyanopsin, chloropsin a erythropsin.V noci se uplatňuje čtvrtý fotopigment rhodopsin, který se nachází v tyčinkách. Ten absorbuje energii celého viditelného spektrálního složení zdroje, neslouží však k rozlišení barev, ale uplatňuje se při skotopickém vidění. Maximum citlivosti má na vlnové délce 507nm [8]. Posledním fotoreceptorem je nedávno objevený melanopsin, primární pigment pro cirkadiánní rytmy obsažený v buňkách ipRGCs. Melanopsin je fotopigment patřící do velké skupiny světlocitlivých sítnicových proteinů zvaných opsiny (rhodopsin, jodopsin a melanopsin), které se vyskytují v sítnici každého savce na Zemi [26]. Jejich spektrální citlivost pro lidské oko je vyobrazena na obrázku 1.7. Fotopigment melanopsin je o několik řádů méně citlivý než ostatní opsiny, tudíž k aktivaci potřebuje mnohem více světla, než tyčinky a čípky [17]. Pravděpodobnost dopadu fotonu na ipRGCs je pro danou plochu fotostimulace sítnice více jak milionkrát menší něž u tyčinek a čípků [13]. Buňky ipRGCs tvoří sice malou část celé polace gangliových buněk, ale stále jsou hlavním fotoreceptorem pro přenos informace o přijatém světle do SCN [13]. Dle [9] jde o 1–3 % populace gangliových buněk.

 

Obr. 1.7: Absorpční spektrum fotoreceptorů sítnice lisdkého oka. Všechy spektrální křivky jsou normalizovány a mají stejnou integrační plochu. Převzato a upraveno z [27].

 

Roku 2000 Zeitzer et al. v [28] publikoval autor studii působení bílého polychromatického světla na člověka a jeho hladinu melatoninu v krvi při pobytu pod osvětlením interiéru průmyslových budov. Důležitým poznatkem studie bylo zjištění, že pobyt v místnostech s osvětlenosti 200 lx může měnit množství melatoninu v lidském těle. Při vystavení větším intenzitám (např. 500 lx) po dobu 6,5h může dokonce posunout cirkadiánní rytmus člověka. Hodnoty osvětlenosti v běžném interiéru budov dokáží znatelně potlačit hodnoty melatoninu v krvi. Tento závěr byl později potvrzen několika dalšímí výzkumy [5-9,13,14]. Následně vznikly první pokusy modelovat spektrální citlivost cirkadiánního systému, které byly založeny na potlačení akutní hladiny melatoninu v lidském těle během noci. Vystavením sítnice lidského oka světlu v noci a sledování hladiny melatoninu se začali zabývat Kavita Thapan et al. a George C. Brainard et al. Své výsledky publikovali roku 2001 v [12] a [18]. Thapan [12] prováděl výzkum s 22 dobrovolníky (18 mužů, 4 ženy) ve věku od 18 do 45 let, kterým osvětloval sítnici 30 minutovými pulzy monochromatickým světlem vlnových délek 424, 456, 472, 496, 520, 548 nm v době mezi 23:30 a 02:30. Zkoumané subjekty byly zdravé, drogově nezávislé, bez očních vad a dodržovaly pravidelné cykly spánku. Sítnice byla osvětlována světlem různé intenzity s rovnoměrným rozložením. Průměr zornice každého subjektu dosáhl při osvětlování téměř desetkrát větší hodnoty od jejího běžného stavu. Naměřená data musela být proto ponížená pomocí koeficientu, který korigoval tuto odchylku. Stejně tak musela být upravena data Brainarda. Výsledky epxperimentu naznačují existenci nového opsinu s maximem citlivosti kolem 459nm (457–462nm, r² ≥ 0, 73), viz graf na obrázku 1.8. Nevylučuje se také možnost, že k potlačení hladiny melatoninu přispívají i jiné fotopigmenty. K tomuto má nejblíže fotopigment jodopsin S [12].

Brainardova studie [18] zkoumala potlačení hladiny melatoninu v krvi při osvětlování lidského oka v noční době monochromatickým světlem vlnových délek 440, 460, 480, 505 ,530, 555, 575 a 600 nm. Subjektem výzkumu se stalo 72 dobrovolníků (37 žen a 35 mužů) ve věku 18ti až 30ti let různých rasových příslušností. Sítnice oka byla osvětlována xenonovou výbojkou o příkonu 450W až 1200W sedmi různými intenzitami po dobu 90 min se začátkem vždy v 02:00. Výsledná data jsou znázorněna na obrázku 1.9. Body ve tvaru plných kruhů reprezentují naměřená data normalizovaná na maximum citlivosti a zakreslena jako log relativní citlivosti. Bod při nižších vlnových délkách ve tvaru nevyplněné kružnice je odhadnutá konstanta citlivosti pro vlnovou délku 420 nm, která byla dopočítána z naměřených dat. Červenou barvou je znázorněna pomocí logistické funkce dopočítaná křivka s maximem citlivosti při 464 nm a vysokým korelačním koeficientem r² ≥ 0, 91. Brainardovy data opět podporují tvrzení, že za regulaci hormonu melatoninu v lidském těle pomocí světla není zodpovědný žádný do té doby známy fotopigment v lidském oku. V přisuzuje křivku citlivosti novému opsinu založenému na retinaldehydu vitamínu A, který s největší pravděpodobností poskytuje cirkadiánní vstup pro regulaci melatoninu v těle s maximem citlivosti mezi 446 a 477 nm. Stejně jako Thapan nevylučuje možné přispívání jiných fotopigmentů k regulaci cirkadiánních rytmů [18].

 

 

Přestože se metody obou těchto vědců mírně lišily, oba se shodli, že tyčinky ani čípky nemohou být primárním fotoreceptorem pro cirkadiánní systém. Citlivost potlačení melatoninu během noci má maximum v mnohem nižších vlnových délkách než 500 nm. Jejich výzkumy identifikovaly rozsah vlnových délek od 446 do 477 nm jako nejvíce účinný pro potlačení melatoninu v lidském těle. Při porovnání obou výzkumů se výsledná data neshodují v oblasti jak vyšších vlnových délek (470–530 nm), tak při hodnotě okolo 420 nm, viz obr. 1.10. Citlivostí opsinu na světlo vlnové délky 420nm se opět zabýval pozdějí Brainard v [6], kde potvrdil korektnost svého modelu. Jeho data demonstrují přibližně dvakrát větší citlivost na vlnové délce 460 nm oproti 420 nm. Pozdější druhý model křivky (publikace [6] vydaná r. 2008) vykazuje i mírně nižší citlivost jednoduchého opsinu na světlo vlnové délky 420 nm ve srovnání s prvním modelem. Na obrázku 1.12 je bod vyjadřujicí citlivost na světlo o vlnové délce 420 nm vyznačen zelenou barvou. Publikace Thapana a Brainarda jsou velmi důležité a rozpoutaly řadů otázek. V nálsedujících letech byl objeven pátý opsin založený na vitamínu A nazývaný melanopsin [1]. Také byla přesněji určena jeho spektrální citlivost na viditelnou část světla s maximem na vlnové délce 480 nm [7,9]. Tím vyvstaly další pochybnosti o prvních pokusech modelovat citlivost cirkadiánního systému, protože Brainard uvedl maximum při 464 nm a Thapan při 459 nm [18]. Dále nebylo při experimentu přesně určeno a změřeno spektrum světla dopadajícího na sítnici. Navzdory těmto pochybnostem se staly modely spektrální citlivosti cirkadiánního systému lidského těla vytvořené Brainardem a Thapanem důležitým a uznaným základem pro další výzkumy [4-8,13]. Nejpozději do tří let od publikování Brainarda a Thapana, vytvořil na základě těchto dvou souboru dat Dietrich Gall et al. jednoduchý, náhodilý, lineární a matematicky určený model pro citlivost melanopsinu [7,29], viz obrázek 1.10. Gallův model a jeho křivka citlivosti pro stanovení vlivu světla na cirkadiánní rytmy je jedním z prvních v praxi použitelných modelů. Ignoruje ale neshody výsledků obou experimentů v nižších i vyšších vlnových délkách.

 

Obr. 1.10: Dietrich Gall et al.: Matematicky určený model ctilivosti cirkadiánního systému člověka na základě naměřených dat Brainarda a Thapana. Převzato a upraveno z [29].

 

Navzdory mnoha důkazům, které označují melanopsin obsažený v ipRGCs jako primární čidlo pro cirkadiánní rytmus, hrají tyčinky a čípky stále roli v řízení cirkadiánního systému. Při odstranění melanopsinu a tyčinek z oka laboratorní myši kompenzují ztrátu zbylé fotopigmenty, částečně řídí cirkadiánní rytmus zvířete a posílají informaci o přijatém světle do SCN [6]. Pokud jsou odstraněny veškeré fotopigmenty z oka, ztrácí zvíře vizuální i nevizuální funkce vnímání světla [6]. Oko hlodavce můžeme v omezeném měřítku srovnávat s lidským okem. Přínáší to však několik zásadních výhod. Množství světla, které je nutné pro cirkadiánní aktivaci, se pohybuje u hlodavců v hodnotách desetkrát až stokrát menších než u člověka. Stejně tak je to s celkovou dobou osvětlování sítnice oka. Tyto studie prováděné na hlodavcích demonstrují propojení tyčinek a čípků s ipRGCs i přestože nemohou být přímo propojeny. Komunikace mezi fotopigmenty by mohla probíhat prostřednictvím bipolárních, horizontálních nebo amakrinních buňek (viz. obr. 1.1) [7]. Už během roku 2002 dle [6] se v dlouhá řadě studií začalo polemizovat o možnosti, že fotopigment jodopsin S může hrát také významnou roli v řízení biologických hodin člověka. Tyto a mnoho dalších důkazů potvrzují, že model jednoduchého opsinu není zcela dostačující pro úplný popis citlivosti cirkadiánního systému. Bylo tedy potřeba vytvořit aktuálnější model.

Významný posun v tomto oboru provedl profesor Mark S. Rea, který modeloval křivku citlivosti (viz obr. 1.12) i s ohledem na možné přispívání tyčinek a čípku k cirkadiánnímu řízení. Potvrdil propojení tyčinek a čípků s ipRGCs přes bipolární a amakrinní buňky. Všechny fotopigmenty lidského oka se tedy účastní řízení cirkadiánního systému. Z čípků má největší zastoupení právě jodopsin S. Je nejvíce podobný ipRGCs v hustotě rozložení buněk po sítnici. Oproti M, L jodopsinu zabírá pouze 5–10 % populace všech čípků a nenachází se v centrální jamce lidského oka. Stejně tak jamka neobsahuje světlocitlivé buňky tyčinky. Je to čistě fotopická oblast sítnice nacházející se na optické ose oka, která obsahuje pouze M, L jodopsin. Tyčinky nejsou napojeny přímou cestou na ipRGCs, mohou však komunikovat přes amakrinní buňky, které poskytují propojení mezi skotopickou (tyčinky) a fotopickou (S jodopsin) částí. V sítnici oka se vyskytuje přibližně 29 různých druhů amakrinních buněk, což je více jak jakéhokoliv jiného neuronu nachazejícího se v oku člověka. Přestože přesná role každého z druhu amakrinní buňky je neznámá, v modelu (citlivosti cir. systému) na obrázku 1.12 se předpokládá, že spojení ipRGCs s jodopsinem S přes amakrinní buňky existuje [5,7,9]. Svůj nelineární model publikoval Mark S. Rea roku 2005 v [9] pro monochromatický i polychromatický světelný zdroj. Byl vytvořen sloučením široké škály dostupné literatury a sestrojen na základě do té doby objevených fotopigmentů a dostupných informací o neuroanatomii a fyziologii sítnice lidského oka. Model pracuje s křivkami citlivosti z obrázku 1.8 a 1.9 jako s platnými, protože nebyly dostupné jiné experimenty zabývající se citlivosti cirkadiánního systému na monochromatické světlo. Kromě těchto dvou výzkumů je model založen i na dalších publikovaných experimentech zabývající se citlivostí cirkadiánního systému [30,31]. Autor Mark S. Rea zahrnul i několik vlastních měření. Schéma použitého způsobu propojení všech fotopigmentů oka je znázorněno na obrázku 1.11. Na základě tohoto schématu komunikace buněk oka je dle vzorců 1.2 a 1.4 sestrojena nelineární křivka citlivosti cirkadiánního systému na obrázku 1.12. Dioda značí propustnost signálu pouze v jednom směru a ve výpočtu reprezentuje koeficienty k, a_b − y, a_rod, které jsou zde za účelem možné úpravy modelu podle budoucího vývoje a posunu ve zkoumání cirkadiánního systému. Funkce tyčinek zahrnuje nastavení mezní hranice kombinace množství světla a spektrálního složení zdroje, která už může způsobit cirkadiánní aktivitu. Celá tato komunikace se nejspíše děje prostřednictvím amakrinních buněk. Čípky komunikují s ipRGCs skrz bipolární buňky. Ovlivňují ale také zapojení tyčinek do procesu řízení cirkadiánní aktivity. Vysláním signálu mohou přerušit jednosměrnou větev propojení tyčinek s ipRGC přímo na tranzistoru amakrinní buňky a znemožnit tak jakékoliv zapojení tyčinek do cirkadiánního stimulu. Tento proces odstřihnutí tyčinek se projeví v modelu na obrázku 1.12 druhým ostrým vrcholem při 507 nm, který je jeho nedílnou součástí. Pro vlnové délky větší než cca 500 nm se uplatňují pouze primární buňky ipRGCs s maximem citlivosti v 480 nm. Pro menší hodnoty vlnových délek pracuje model navíc s citlivostí S jodopsinu (vrchol ve 440 nm – viz obr. 1.7) a je také aktivován a zapojen fotopigment tyčinek rhodopsin [5,7,9].

 

 

Citlivost lidského oka na světlo, které ovlivňuje cirkadiánní aktivitu je na obrázku 1.12. Jedná se o aktualizovanou verzi modelu, která byla publikována začátkem roku 2012 v [7]. Oproti té je zde zahrnuta v citlivosti melanopsinu i propustnost čočky lidského oka (při procesu stárnutí člověka jeho čočka-zornice oka žloutne a její propustnost s věkem klesá) a jsou upraveny některé koeficienty výpočtu a jejich hodnoty.

Obr. 1.12. M. S. Rea et al.: Citlivost cikradiánního systému. Zohledněn příspěvek tyčinek i čípků. Převzato a upraveno z [9].

 

Základem je matematický výpočet cirkadiánního světla (circadian light) dle následujících vzorců:

,kde:

CLA	je cirkadiánní světlo, hodnota 1622 nastavuje normalizaci veličiny tak, aby teplotní zářič s teplotou chromatičnosti 2856K při intenzitě 1000lx měl hodnotu CLA = 1000,
Eλ	je spektrální složení zdroje světla (W/m2)/nm,
Mcλ	je citlivost melanopsinu,
Sλ	je funkce zohledňující příspěvek S jodpsinu,
mpλ	je transmisivita makulárního pigmnetu sítnice (makulární, oční pigment se nachází v zadní části oka sítnice a hraje velkou roli při ochraně čípků a tyčinek),
Vλ	je křivka poměrné spektrální citlivosti lidského oka pro fotopické vidění,
V′λ	je křivka poměrné spektrální citlivosti lidského oka pro skotopické vidění,
RodSat	je konstanta vyjadřující absorpci jednoho fotonu molekulou pigmentu vyskytujícího se v tyčinkách, v tomto případě se rovná hodnotě 6,5 W/m<sup>2</sup>.
k	je koeficient roven hodnotě 0,2616,
ab − y	je koeficient roven hodnotě 0,6201,
arod	je koeficient roven hodnotě 3,2347.

 

Dalším důležitým bodem ve vývoji spektrální citlivosti oka člověka byla konference The 1st International Workshop on Circadian and Neurophysiological Photometry, která se konala ve Vídni v lednu 2013. Na místě se sešli vedečtí experti jako R.J. Lucas, D.M. Berson, M.G. Figueiro, G.C. Brainard, I. Provencio, C.A. Czeisler a další. Jedním z výstupu konference je definice citlivosti jednotlivých opsinu lidského oka zobrazena na obrázku 1.7. K čemuž navazuje metoda α-osvětlení, která umožňuje zjistit citlivost jednotlivých fotopigmentů na uživatelem zadané spektrální složení světelného zdroje, více v kapitole 1.6.6. Na této události je opět prohlášeno nepřímé propojení tyčinek a čípků s ipRGCs za existující [14]. Dále je založen poslední v této práci zmíněný model cirkadiánní citlivosti. Je obsahem normy DIN SPEC 5031-100: Záření v optické oblasti a světelné technice: Melanopické působení světla na oko člověka – základní pojmy, výpočty a spektrální působení, vydané v srpnu 2015. Jedná se o lineární model označovaný jako s_mel(λ) na obrázku 1.13. Data ke křivce pochází z publikace [13], maximum citlivosti je opět při hodnotě vlnové délky 480nm. Stejně jako v předchozí křivce publikované M. S. Rea (viz obr. 1.12) je zahrnut příspěvek tyčinek a čípku k cirkadiánní aktivitě. Také změna propustnosti zornice v závislosti na věku člověka je zohledněna. Během stárnutí člověka totiž žloutne čočka jeho oka, což vede ke snížení propustnosti světla cca o 10 % s každými dalšími 10 lety. V tomto případě je křivka na obrázku 1.13 vztažena ke standartnímu pozorovateli ve věku 32 let, u kterého se koeficient zohlednění propustnosti zornice pro přepočet rovná 1.

 

 

O několik let později vydala Mezinárodní společnost pro osvětlování CIE k tématu vlivu světla na člověka a jeho biologické procesy v těle publikaci CIE S 026/E:2018 CIE System for Metrology of Optical Radiation for ipRGC-Influenced Responses to Light a následně v říjnu 2019 po konferenci konané ve Washington DC, USA vydala zprávu CIE Position Statement on Non-Visual Effects of Light. Dokumenty popisují metodu výpočtu a hodnocení vlivu světla na člověka pomocí tzv. α-opic osvětlení, které pracuje se stejným lineárním modelem spektrální citllivost cirkadiáního systému jako je uveden v DIN SPEC 5031-100 (obrázek 1.13). Jelikož normativní dokumenty CIE i DIN používají stejné modely, je možné tento model brát jako jakýsi konsenzus dohodnutý předními představiteli a vědci z těchto organizací.

Dalším připravovaným dokumentem, který bude v budoucnu v oboru human centric lighting (= integrative lighting dle CIE) důležitý je ISO/CIE DTR 21783.2 Light and lighting – Integrative lighting – Non-visual effects. Dokument připravuje Mezinárodní komise pro osvětlování CIE ve spolupráci s Mezinárodní organizaci pro noramlizaci ISO.

Křivka citlivosti lidského oka patří neodmyslitelně k pojmu Human Centric Lighting. Určuje jaká část viditelného záření nejvíce ovlivňuje psychologický a fyziologický stav lidského těla. Na závěr je nutno podotknout, že pravděpodobně chybí ještě spousta informací k úplnému pochopení vlivu světla na cirkadiánní systém. Existuje zde ještě mnoho pochybností a nezodpovězených otázek. Například při výzkumu bylo zjištěno, že spektrální citlivost cirkadiánního systému se během noci mění [7,14]. Také světelná historie a to, jak bylo lidské oko v minulosti vystavováno jakému světlu, hraje duležitou roli v cirkadiánní citlivosti [7,14]. V očních fotoreceptorech se vyskytují pravděpodobně i další fotopigmenty podílející se na řízení biorytmu. Mezi nejvýznamnější patří peropsin nebo třeba kryptochromy. Ale tyto proteiny byly prozatím nalezeny pouze u rostlin nebo u hmyzu. To zda se vyskytují i u lidí a dalších savců a jestli nějakým způsobem ovlivňují cirkadiánní rytmus, není jasné [21]. Doposud není normováno, ani jednoznačně určeno kompletní spektrum citlivosti nevizuálního systému lidského vidění, které by zahrnovalo všechny možné okolní podmínky [14]. Avšak vzhledem k velkému vlivu krátkovlnného světla na spoustu dějů v lidském organismu a následnému využití ve zdravotnictví, je třeba se nadále intenzivně zabývat touto problematikou.

 

Brno 16.8.2021, zdroj