Licht en de biologische klok

24-uurs ritmiek

Praktisch overal op aarde vindt dezelfde, eindeloze opeenvolging plaats van dag en nacht. Elke 24 uur  wisselen licht en donker elkaar af. Dit gaat gepaard met voorspelbare veranderingen  in bijvoorbeeld temperatuur en de hoeveelheid en samenstelling van het licht. In reactie op deze voorspelbare veranderingen heeft zich in bijna alle organismen op aarde een  biologische klok ontwikkeld. Bij de mens zit deze biologische klok in de hersens,  in een gebied dat de suprachiasmatische kern (in het Engels de Nucleus Suprachiasmaticus (SCN)) wordt genoemd. Dit hersengebied bestaat uit ongeveer 20.000 zenuwcellen die samen een ritme genereren met een periode van circa 24 uur.  De licht –donkerafwisseling is  de belangrijkste omgevingsfactor die de biologische klok in de pas laat lopen met de precies 24 uur durende dag. De biologische klok stelt het organisme in staat te anticiperen (in plaats van alleen maar te reageren) op de dagelijks terugkerende veranderingen in de omgeving door  patronen te genereren in fysiologie en gedrag; de zogenaamde biologische ritmen. Deze ritmen geven een interne representatie van tijd weer.  De wetenschap die de biologische ritmen bestudeert  wordt de chronobiologie genoemd.  Veel onderzoek vindt plaats aan circadiane ritmiek; de biologische ritmen met een cyclus van ongeveer (circa) 24 uur (diaan van dies=dag).

Slaap-waak ritme

Bij mensen is het 24-uurs slaap-waakritme het meest in het oog springende circadiane gedrag. Slaap is een complex fenomeen dat echter niet alleen door het circadiane systeem gereguleerd wordt; men denkt dat de afwisseling tussen slapen en waken het gevolg is van de interactie tussen een homeostatisch en een circadiaan proces.  Het homeostatische mechanisme houdt bij hoe lang we al wakker zijn (of slapen) ; hoe langer we wakker  geweest zijn, des te dieper we slapen.  Het circadiane proces bepaalt wat de optimale tijd is om te slapen.  Deze twee processen samen zorgen voor een aaneengesloten periode van slaap ’s nachts en optimaliseren het functioneren tijdens het wakker zijn overdag. (Daan et al 1984, Beersma & Gordijn 2007, Foster 2010).

Sociale-, en biologische klokken

De biologische klok, ook wel circadiane klok genoemd, maakt gebruik van de voorspelbaarheid van de veranderingen in de omgeving om fysiologische processen op het juiste moment te laten plaatsvinden.  Naast de  ‘hoofdklok’ in de  suprachiasmatische kern beschikken diverse organen in het lichaam over een eigen klok, zoals de leverklok. Deze orgaanklokken  zorgen ervoor dat elk deel van het lichaam op elk moment van de dag optimaal is voorbereid voor de taken van dat moment. De lever is  bijvoorbeeld afgestemd op voedselopname op bepaalde tijden van de dag en de bloeddruk gaat al enige tijd voor het ontwaken omhoog  ter voorbereiding op het opstaan en de start van de activiteiten (Foster 2010).

Optimale synchronisatie tussen de interne ritmen en de buitenwereld is belangrijk voor gezonde slaap en de algehele gezondheid.  Uit onderzoek aan dieren in het wild is gebleken dat de dieren die het beste zijn aangepast aan de ritmen in de buitenwereld de hoogste fitness laten zien (Spoelstra et al 2015), met andere woorden zij kunnen zich het beste voortplanten. De aanwezigheid van elektriciteit en kunstlicht heeft de voorspelbaarheid van de omgeving sterk beïnvloed; doordat de moderne mens licht kan brengen in de nacht en tegelijkertijd een groot deel van de dag onder kunstlicht doorbrengt is het verschil tussen dag en nacht tegenwoordig veel minder groot.  De huidige 24/7 maatschappij oefent nog meer druk uit op de slaapbehoefte en het interne timingsysteem; de sociale klok wordt belangrijker dan de biologische klok. De circadiane ritme- en slaapverstoringen die hiervan het gevolg zijn worden in verband gebracht met een breed spectrum aan aandoeningen zoals verminderde alertheid en geheugen, depressie en overgewicht (Foster 2010).

Melatonine, het hormoon van het donker

Melatonine wordt ritmisch geproduceerd in  de pijnappelklier, een deel van de hersenen. De biologische klok reguleert de aanmaak van dit hormoon; overdag wordt de productie door de biologische klok onderdrukt terwijl  deze onderdrukking ’s nachts wordt opgeheven (Simonneaux & Ribelayga, 2003). Het  melatonineritme geeft dus de biologische nacht weer;  het stijgt in de avond en daalt vervolgens ’s ochtends weer.  Het ritme van de melatonineproductie wordt gezien als één van de duidelijkste outputs van de biologische klok in mensen (Klerman et al., 2002) en wordt veel gebruikt als ’wijzer van de klok’ in chronobiologisch onderzoek met mensen.  Licht kan het ritme van melatonine verschuiven (Lewy et al., 1985) maar kan de productie ervan ook acuut onderdrukken (Lewy et al., 1980). Dit onderdrukkende effect van licht wordt vaak gebruikt om de gevoeligheid van het zogenaamde niet-beeldvormende lichtgevoelige systeem (de effecten van licht die niet te maken hebben met zien maar met fysiologie en gedrag)  in mensen te omschrijven.   

Er is een relatie tussen het ritme van melatonine en dat van slaap: slaap die begint kort na de toename van de melatonine ’s avonds is beter. Melatonine heeft weer invloed op de biologische klok: melatonine kan de klok verschuiven, afhankelijk van wanneer het wordt toegediend. Het is echter onwaarschijnlijk dat melatonine een direct effect heeft op slaap aangezien bij nachtdieren de melatoninespiegel hoog is tijdens de actieve fase. Om die reden is het ook correcter om melatonine het hormoon van het donker te noemen dan het ‘slaaphormoon’.

De klok verschuiven met licht

Licht op het juiste moment in de ochtend kan gebruikt worden om de klok naar een eerdere fase te schuiven terwijl licht in de avond de klok naar een later tijdstip verschuift.  De relatie tussen het tijdstip waarop het licht gegeven wordt en de verschuiving van de klok wordt weergegeven in een zogenaamde fase-responscurve (Khalsa et al 2003). Dit is een compleet overzicht van de faseverschuivingen ten gevolge van enkelvoudige lichtpulsen op verschillende tijdstippen en het is verkregen onder zeer gecontroleerde laboratoriumomstandigheden met lichtpulsen van 6.7 uur. Recent onderzoek laat echter zien dat een dergelijke  langdurige lichtblootstelling niet nodig is om een faseverschuiving van de klok te induceren. Lichtpulsen van 30-60 minuten met wit of blauw licht van voldoende intensiteit, gegeven op het juiste moment zijn, zelfs in een thuissituatie, voldoende om faseverschuivingen te induceren (Geerdink et al, 2016; St Hilaire et al 2012).

 

Gesimuleerde zonsopkomst om het ontwaken te vergemakkelijken

Een specifieke toepassing van lichtblootstelling is de zogenaamde wekkerlamp. Deze lamp wekt de gebruiker met een langzaam toenemende lichtintensiteit vanaf een half uur voor het gewenste tijdstip van ontwaken. Het licht valt hierbij door de gesloten oogleden op het oog. Uit diverse experimenten blijkt dat wakker worden met ochtendlicht de slaapdronkenheid na het opstaan vermindert,  de door het opstaan veroorzaakte effecten op het hart reduceert en algemeen welbevinden en cognitie gedurende de dag verbetert (Gabel et al 2013, Giménez et al 2010, Van de Werken et al 2010, Viola et al. 2015) echter zonder een verschuiving van de klok te veroorzaken (Gabel et al 2013, Giménez et al 2010).

Voor informatie over het effect van licht

op gezondheid, welzijn en prestatie
Handige links
Volg ons!

Stichting onderzoek licht & gezondheid

Postbus 1082

5602 BB Eindhoven


040 2473791