wahrend der Nacht. Die Versuchspersonen wurden wahrend der Nacht mit schmalbandigem Licht [26, 27] stimuliert, dessen charakteristischer Wellenlangenbereich auf der Abszisse gezeigt wird. Die Ordinate zeigt die Melatoninunterdruckung als Reaktion der Versuchspersonen darauf. Reproduziert aus dem Journal of Circadian Rhythms [24].
Abb. 2.12 Spektrale Empfindlichkeit der Fotorezeptoren bzw. der Netzhautmechanismen, die zum nicht visuellen Effekt Melatoninunterdruckung (modelliert durch den sog. zirkadianen Reiz CS) im Modell von Rea et al. beitragen (außer |L-M|, dieses Signal ist nur der Vollstandigkeit halber gezeigt). Ouelle: TU Darmstadt.
Aus Abb. 2.11 geht – bei einer Stimulation der Versuchsperson mit schmalbandigem Licht (nach Brainard et al. [26] und Thapan et al. [27]) unterschiedlicher Wellenlängen (s. Abschn. 9.4.3 und Tab. 9.7) – der Effekt von mindestens zwei Netzhautmechanismen hervor, da im sichtbaren Wellenlängenbereich (380–780 nm, in der Abb. 2.11 ist nur der Bereich 400–700 nm abgebildet) zwei Maxima erscheinen [24]. So fällt auch ein lokales Maximum bei ca. 505nm bei schmalbandigen Farbreizen auf, das bei der Reaktion auf einen breitbandigen (polychromatischen) Lichtreiz wegen eines spektral opponenten Mechanismus (s. Abschn. 2.1) nach Rea et al. [24] (vgl. mit der roten Punktkurve in der Abb. 10.7 nach Gall [29]) verschwindet (s. die gestrichelte Kurve in Abb. 2.11). Das absolute Maximum der Melatoninunterdrückung befindet sich be ica. 460 nm (s. den roten Pfeil in Abb. 2.11) und nicht bei 480 nm, wobei 480 nm dem Maximum der spektralen Empfindlichkeit von Melanopsin entspricht (s. die dunkelgrüne Kurve in der Abb. 2.12). Wie bereits in Abschn. 2.1 beschrieben, ist Melanopsin das Fotopigment der intrinsisch fotosensitiven retinalen Ganglienzellen (ipRGCs), die selbst lichtempfindlich sind (s. Abb. 2.2) und zur Regelung der zirkadianen Uhr beitragen [30].
2.3.2 Modellierung der Melatoninunterdrückung in der Nacht mit dem zirkadianen Stimulus (CS) und dem melanopischen Wirkungsfaktor
Um die Melatoninunterdrückung in der Nacht (Abb. 2.11) durch Licht zu modellieren, werden in diesem Abschnitt zwei, in der heutigen Praxis oft verwendete Kenngrößen beschrieben: 1. der melanopische Wirkungsfaktor und 2. der sog. circadian stimulus (CS). Diese Kenngrößen charakterisieren die Wirksamkeit eines Lichtreizes für die nächtliche Melatoninunterdrückung in Abhängigkeit von dessen Intensität und spektraler Zusammensetzung.
1 1. Der melanopische Wirkungsfaktor (der sichtbaren Strahlung) amel,v wird nach DIN SPEC 5031-100 [31] als das „Verhältnis der melanopisch wirksamen Strahlungsgröße zu der mit der Empfindlichkeit für Tagessehen bewerteten photometrisch wirksamen Strahlungsgröße“ definiert. Um eine melanopisch wirksame Strahlungsgröße zu errechnen, wird dabei der relative Strahlungsfluss mit der sog. smel (𝜆)-Funktion [31] nach Lucas et al. [2] gewichtet. Das ist ein sog. Wirkungsspektrum (s. die bläulichgrüne, kontinuierliche Kurve in der Abb. 10.7 mit einem Maximum bei 490 nm). Das Wirkungsspektrum smel(𝜆) basiert auf Daten eines 32-jährigen Referenzbeobachters [2, 31]. Die DIN-Norm [31] enthält Korrekturfaktoren für andere Altersgruppen. Das numerische Verfahren wird in Abschn. 10.3.2 ausführlich erläutert, s. auch Gl. (10.2).
2 2. Wie in Abschn. 2.3.1 bereits beschrieben, weisen die Ergebnisse der Abb. 2.11 darauf hin, dass für die Melatoninunterdrückung während der Nacht nicht nur die oben erwähnte smel(𝜆)-Funktion, sondern eine Kombination mehrerer Netzhautmechanismen verantwortlich ist (vgl. mit Abb. 2.2), was durch den sog. circadian stimulus (CS) des Modells von Rea et al. [24] modelliert werden kann. Dazu zeigt Abb. 2.12 im Vergleich die spektrale Empfindlichkeit der Rezeptoren bzw. der Netzhautmechanismen, die zur Melatoninunterdrückung in diesem Modell [24] beitragen.
Aus Abb. 2.12 sind die folgenden Mechanismen ersichtlich:
1 S-Zapfen,
2 intrinsisch fotosensitive Ganglienzellen (ipRGC),
3 Stäbchen, deren spektrale Empfindlichkeit durch die V(𝜆)-Funktion modelliert wird,
4 der Luminanzkanal L+M, der wegen der größeren Ausdehnung eines zirkadian aktiven Lichtreizes (größer als 2°) durch die V10(𝜆)-Funktion, die für den 10°-Beobachter gilt, modelliert wird, sowie
5 die opponenten Kanäle 1–2 (|L−M| bzw. |L+M−S|). Der Netzhautmechanismus |L−M| (der den Unterschied der L- und M-Zapfensignale bildet) wird hier nur der Vollständigkeit halber gezeigt, dieser Mechanismus wird im Modell von Rea et al. nicht verwendet.
Die Abb. 2.13 veranschaulicht das Berechnungsverfahren für den zirkadianen Reiz (CS) im Modell von Rea et al. Die in der Abb. 2.13 gezeigten Berechnungsschritte werden in Abschn. 10.3.2 ausführlich quantitativ dargestellt (s. Gln. (10.3) und (10.4)).
Die Eingangsgrößen des Modells von Rea et al. [24] sind die vertikale Beleuchtungsstärke am Auge sowie die relative spektrale Strahldichte des Farbreizes, wovon – nach Abb. 2.13 – im ersten Schritt die Signale der S-Zapfen, der ipRGCs, der Stäbchen und L+M berechnet werden. Davon wird das spektral opponente Signal S−(L+M) gebildet. Danach gibt es eine Verzweigung des Berechnungsverfahrens je nachdem,
ob der Wert von S−(L+M) negativ (CS hängt nur vom ipRGC-Signal ab) oder
positiv oder gleich null (CS hängt vom ipRGC-Signal, vom Stäbchensignal und von S−(L+M) ab) ist.
Nach diesem Schritt werden die Signale kombiniert, normiert und komprimiert, um das Ergebnis des Modells, den circadian stimulus (CS) (oder den zirkadianer Reiz) zu erhalten. Das Verfahren ist quantitativ in Abschn. 10.3.2 (Gln. (10.3) und (10.4)) beschrieben.
Für die Veranschaulichung der Bedeutung von CS zeigt Abb. 2.14 diejenigen vertikalen Beleuchtungsstärkewerte am Auge des/der Beobachters/-in, die für die Erreichung eines definiertenCS-Niveaus (0,3, 0,4 oder0,5) notwendigsind. Diese Wertewurden mit 553 heute gängigen Lichtquellenspektren unterschiedlicher ähnlichster Farbtemperaturen (CCT) berechnet. Für einen konstanten Wert von CS (z. B. CS = 0,4) sind die dafür notwendigen Beleuchtungsstärken umso geringer, je höher die Farbtemperatur der Lichtquelle eingestellt wird.
