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Using a visual display controlling melanopic irradiance to regulate sleep

English title Using a visual display controlling melanopic irradiance to regulate sleep
Applicant Cajochen Christian
Number 182266
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Abteilung Chronobiologie Universitäre Psychiatrische Kliniken Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Neurophysiology and Brain Research
Start/End 01.04.2019 - 31.03.2023
Approved amount 543'615.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Neurophysiology and Brain Research
Physiology : other topics

Keywords (8)

Electrophysiology; Cognitive Performance; Light; Melanopsin; Circadian; Sleep; Non-image forming; Polysomnography

Lay Summary (German)

Lead
Prof. Christian Cajochen
Lay summary

Wir verbringen zunehmend mehr Zeit vor immer größer werdenden Bildschirmen, privat oder auch beruflich. Damit wird auch der Anteil des Lichts, das von Bildschirmen zu unseren Augen gelangt, immer größer. Die großen Blauanteile der heutzutage überwiegend genutzten LED-beleuchteten Bildschirme in Smartphones, E-Books, Tablets und Computerbildschirmen können dabei zu Schlafstörungen führen.

Der natürliche zirkadiane (24-Stunden) Licht-Dunkel-Rhythmus hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Physiologie und das Verhalten des Menschen. Licht wirkt nicht nur einfach auf uns, es steuert uns.

Mit der Entdeckung der intrinsisch photosensitiven retinalen Ganglienzellen (kurz ipRGC)  –  neu entdeckten Lichtfühlern im Auge  –  wird vor allem der nicht-visuellen Wirkung des Lichts immer mehr Beachtung geschenkt. Die neuen Lichtfühler bewirken - vereinfacht gesagt, dass Licht mit hohen Blauanteilen die Menschen aktiviert und Licht mit wenig Blauanteilen nicht. Weiß erscheinendes Licht, welches mit blauen Anteilen des Spektrums angereichert wird, kann Melatonin am Abend und in der Nacht unterdrücken.

Die Reduzierung der Bestrahlungsstärke im blauen Bereich wirkt sich auf die nicht-visuellen Reaktion (wie z.B. eine geringere Melatoninunterdrückung) aus. Solche spektrale Veränderungen verändern derzeit allerdings auch die Farbe (z.B. "Night Shift" auf iOS oder f.lux). Bildschirme werden Orange.

Monitore mit einstellbarer, nicht-visueller Wirkungen ohne Veränderung der Farbe wären daher wünschenswert. Maßgeschneiderte metamerische Lichtquellen für Displays und die Allgemeinbeleuchtung könnten Abhilfe schaffen. Diese kürzlich patentierten und zum Patent angemeldeten technischen Ansätze ermöglichen eine selektive Modulation der ipRGCs, ohne den visuellen Eindruck zu beeinträchtigen.

Die Prototypen von metamerischen Lichtquellen, mit denen sich der nicht-visuell wirksame Blauanteil des Lichts ohne Farbverfälschung gezielt variieren lässt werden in diesem Projekt auf ihre Auswirkungen auf den Schlaf getestet.

Wir gehen davon aus, dass Bildinhalte, die über die sogenannten melanopischen Displays in einem Low Melanopic (LM)-Modus dargestellt werden, den Schlaf wesentlich weniger beeinflussen als solche, die in einem High Melanopic Mode (HM) dargestellt werden. Wenn die Daten unsere Hypothese stützen, können abends LM-Displays und Lichtquellen verwendet werden, welche optimale Bedingungen für das Sehen erfüllen, ohne den Schlaf zu beeinträchtigen.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 26.02.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Abstract

Background and rationale:Daily exposure to environmental light-dark cycles is fundamental for the regulation of circadian sleep-wake rhythms, alertness levels and cognitive performance. These non-image forming effects (NIF) of light are mediated in part by the photopigment melanopsin, located in intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs) in the retina. The spectral sensitivity of the ipRGCs is distinct from any aspect of conventional vision and peaks around 480nm, which coincides with the widely used LED spectral characteristics of visual displays in our days. Altering irradiance in the blue range (460-480nm) does indeed impact NIF responses under laboratory and more natural conditions, but such manipulations currently also change colour (e.g. “Night Shift” on iOS). We have pioneered more sophisticated approaches involving custom-made metameric light sources for displays and general illumination. Those recently patented and patent pending technical approaches allow for selective modulation of melanopsin without impacting visual appearance. This represents a powerful new tool to understand the importance of melanopsin for NIF responses and a potential intervention to control these effects in the real world.Overall objective:We will test the effects of a melanopic-display, a new technology that has the potential to regulate the NIF impact of visual displays without affecting their visual appearance, human sleep.Specific aims:We hypothesize that visual contents presented via the melanopic-display in a low melanopic (LM) mode in the evening will not aversively affect sleep, while those presented in a high melanopic mode (HM) will attenuate the evening increase in melatonin, lengthen sleep onset and reduce the proportion of electroencephalographic (EEG) deep sleep in the night following exposure. If the data support our hypothesis, this will allow using LM displays and light sources in the evening, which fulfil optimal condition for vision without affecting sleep. We hypothesize that controlling melanopic irradiance allows an opportunity to control sleep and related NIF responses independent of any effect on the activity of photopic, cone-based vision. The outcome of these studies will allow to determine the utility of modulating melanopic irradiance, which is currently recommended by the international commission on illumination (CIE) and Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN), and also define the effectiveness of this strategy compared to the traditional approach of regulating ‘visual brightness’ (photopic lux).A parallel set of experiments in animals will establish the mechanism behind such an effect. Greater responses to HM vs LM would imply a dominant influence of melanopsin. However, in humans it is not possible to exclude the alternative possibility that they reflect residual differences in cone or rod activity between the two conditions. We will be able to distinguish these alternatives in mice by asking whether differences in response to HM and LM stimuli are absent in melanopsin knockout (Opn4-/-) mice. Methods: This work relies upon a visual Display, developed by Robert Lucas, University of Manchester, in which we will be able to independently modulate the effective irradiance for cones vs. melanopsin. Healthy volunteers will undergo a 17-h laboratory study under different lighting conditions and intensive physiological (polysomnography), endocrinological and neurocognitive measurements. We will consider the two routes via which light can impact sleep onset time: adjustments in circadian phase and direct effects on behavioural state. We will be able to use versions of the melanopic display designed according to the characteristics of the mouse visual system to present HM and LM stimuli in wild type and Opn4-/- mice in established paradigms testing circadian phase resetting and control of sleep.Expected results: If the melanopic-device approach has the expected effects, light induced changes in circadian phase and sleep/arousal will be higher in HM vs LM conditions in humans and wild type mice, but not Opn4-/- animals.Impact: It would, for the first time, answer the question whether sleep-wake cycles exclusively respond to spectral components of light mediated by melanopsin or not and whether melanopic-displays could be applied to minimise their negative effects on alertness and sleep, and beneficially affect sleep instead. As such, we expect a considerable impact of the project not only on science but also society given that more than 90% of human beings are exposed to artificial light sources in the evening and at night.
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