Efectos de la luz sobre el ritmo circadiano

Los efectos de la luz sobre el ritmo circadiano son la respuesta de los ritmos circadianos a la luz.

La mayoría de los seres humanos, animales y otros organismos vivos poseen 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. Dado que el período endógeno de estos ritmos es de aproximadamente 24 horas, estos ritmos deben reajustarse mediante señales externas para sincronizarse con los ciclos diarios del entorno. Este proceso se denomina sincronización. Una de las señales más importantes para sincronizar los ritmos circadianos es la luz.La luz pasa primero al sistema circadiano de un mamífero a través de la retina y luego toma uno de dos caminos: la luz es captada por los bastones y conos, que se proyectan a un pequeño número de células ganglionares de la retina (CGR), que también son intrínsecamente sensibles a la luz.Las CGR utilizan el fotopigmento melanopsina para absorber la energía luminosa. En concreto, esta clase de CGR que analizamos se denomina "intrínsecamente fotosensibles", lo que significa que son sensibles a la luz. Se conocen cinco tipos de células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles (CGRip): M1, M2, M3, M4 y M5. Cada uno de estos tipos de CGRip presenta un contenido de melanopsina y una fotosensibilidad diferentes. Estas se conectan con las células amacrinas de la capa plexiforme interna de la retina. Finalmente, a través de este tracto retinohipotalámico (TRH), el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo recibe información luminosa de estas CGRip.Las ipRGC cumplen una función diferente a la de los bastones y conos. Incluso aisladas de los demás componentes de la retina, las ipRGC mantienen su fotosensibilidad y, por lo tanto, pueden ser sensibles a diferentes rangos del espectro luminoso. Además, sus patrones de activación pueden responder a condiciones de luz de hasta 1 lux, mientras que investigaciones previas indicaban que se necesitaban 2500 lux para suprimir la producción de melatonina. 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 los conos.La región central del NSQ alberga la mayoría de las neuronas fotosensibles. Desde aquí, las señales se transmiten mediante una conexión nerviosa con la glándula pineal, que regula diversas hormonas en el cuerpo humano.Existen genes específicos que determinan la regulación del ritmo circadiano en conjunción con la luz. Cuando la luz activa los receptores NMDA en el NSQ, la expresión del gen CLOCK en esa región se altera y el NSQ se restablece, y así es como se produce el arrastre. Los genes PER1 y PER2 también participan en el arrastre.Algunas estructuras importantes directamente afectadas por la relación luz-sueño son el área pretectal del colículo superior y el núcleo preóptico ventrolateral.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.Aún no se conocen completamente todos los mecanismos del arrastre luminoso; sin embargo, numerosos estudios han demostrado su eficacia en el ciclo día/noche. Los estudios han demostrado que el momento de la exposición a la luz influye en el arrastre, como se observa en la curva de respuesta de fase de la luz para una especie determinada. En las especies diurnas (de actividad diurna), la exposición a la luz poco después de despertarse adelanta el ritmo circadiano, mientras que la exposición antes de dormir lo retrasa. Un adelanto significa que el individuo tenderá a despertarse más temprano al día o días siguientes. Un retraso, causado por la exposición a la luz antes de dormir, significa que el individuo tenderá a despertarse más tarde al día o días siguientes.Las hormonas cortisol y melatonina, conocidas como la "hormona del sueño", se ven afectadas por las señales que la luz envía a través del sistema nervioso. Estas hormonas ayudan a regular el azúcar en sangre para proporcionar al cuerpo la cantidad adecuada de energía necesaria 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 al entrar y salir del sueño y muy bajos durante las horas de vigilia. El ciclo natural de luz y oscuridad de la Tierra es la base de la liberación de estas hormonas.La duración de la exposición a la luz influye en el arrastre. Las exposiciones más prolongadas tienen un mayor efecto que las más cortas. La exposición constante a la luz tiene un mayor efecto que la exposición intermitente. 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.La intensidad y la longitud de onda de la luz influyen en el arrastre. La luz tenue puede afectar el arrastre en comparación con la oscuridad. La luz más brillante es más efectiva que la luz tenue. En los humanos, una luz de longitud de onda corta (azul/violeta) de menor intensidad parece ser tan efectiva como una luz blanca de mayor intensidad.La exposición a luz monocromática en longitudes de onda de 460 nm y 550 nm en dos grupos de control arrojó resultados que muestran una disminución de la somnolencia a 460 nm, en dos grupos y un grupo de control. Además, en el mismo estudio, pero evaluando la termorregulación y la frecuencia cardíaca, los investigadores encontraron un aumento significativo de la frecuencia cardíaca con luz de 460 nm durante un período de exposición de 1,5 horas.En un estudio 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 mediante un electroencefalograma (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.Los humanos son sensibles a la luz de longitud de onda corta. En concreto, la melanopsina es sensible a la luz azul, con una longitud de onda de aproximadamente 480 nm. El efecto de esta longitud de onda sobre la melanopsina provoca respuestas fisiológicas como la supresión de la producción de melatonina, un mayor estado de alerta y alteraciones del ritmo circadiano.Si bien la luz tiene efectos directos sobre el ritmo circadiano, se han observado efectos indirectos en diversos estudios. 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. 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. La luz parece tener efectos antidepresivos terapéuticos cuando un organismo se expone a ella en los momentos adecuados durante el ritmo circadiano, regulando el ciclo sueño-vigilia.Además del estado de ánimo, el aprendizaje y la memoria se ven afectados cuando el sistema circadiano se altera debido a estímulos luminosos, lo cual se observa en estudios que modelan el jet lag y las situaciones de trabajo por turnos. Las áreas de los lóbulos frontal y parietal implicadas en la memoria de trabajo se han implicado en las respuestas de la melanopsina a la información luminosa.

"En 2007, la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer clasificó el trabajo por turnos con alteración circadiana o cronodisrupción como un probable carcinógeno humano."

La exposición a la luz durante las horas de producción de melatonina reduce su producción. 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 un aumento en la tasa de tumores a lo largo de cuatro semanas.La luz artificial nocturna, que causa alteraciones circadianas, también afecta la producción de esteroides sexuales. Se observaron niveles elevados de progestágenos y andrógenos en trabajadores del turno de noche, en comparación con quienes trabajan en horario de trabajo.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.En respuesta a la exposición a la luz, los niveles de alerta pueden aumentar como resultado de la supresión de la secreción de melatonina. Se ha encontrado una relación lineal entre los efectos de alerta de la luz y la activación del hipotálamo posterior.La alteración del ritmo circadiano como resultado de la luz también produce cambios en el metabolismo.Históricamente, la luz se medía en unidades de intensidad luminosa (candelas), luminancia (candelas/m²) e iluminancia (lumen/m²). Tras el descubrimiento de las ipRGC en 2002, se han investigado unidades adicionales de medición de la luz para estimar mejor el impacto de las diferentes entradas del espectro de luz en diversos fotorreceptores. Sin embargo, debido a la variabilidad en la sensibilidad entre bastones, conos e ipRGC, así como entre los diferentes tipos de ipRGC, una sola unidad no refleja con precisión los efectos de la luz en el cuerpo humano.La unidad actual aceptada es el lux melanópico equivalente, que es una razón calculada multiplicada por la unidad lux. La razón melanópica se determina teniendo en cuenta el tipo de fuente de luz y los valores de iluminancia melanópica de los fotopigmentos del ojo. La fuente de luz, la unidad utilizada para medir la iluminancia y el valor de esta determinan la distribución de potencia espectral. Esto se utiliza para calcular la iluminancia fotópica y el lux melanópico de los cinco fotopigmentos del ojo humano, ponderados en función de la densidad óptica de cada fotopigmento.El estándar WELL Building fue diseñado para "promover la salud y el bienestar en edificios a nivel mundial". Parte del estándar es la implementación del Crédito 54: Diseño de Iluminación Circadiana. Se establecen umbrales específicos para las diferentes áreas de oficina para obtener los créditos. La iluminación se mide a 1,2 m por encima del suelo terminado en todas las áreas.Las áreas de trabajo deben tener al menos un valor de 200 lux melanópicos equivalentes presente en el 75 % o más de los puestos de trabajo entre las 09:00 y las 13:00 h, cada día del año, cuando se incorpore la luz natural en los cálculos. Si no se tiene en cuenta la luz natural, todos los puestos de trabajo requieren una iluminación de 150 lux melanópicos equivalentes o superior.En los entornos habitables, como 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 inferior a 50 durante la noche, medido a 0,76 m por encima del suelo terminado.Las salas de descanso requieren un lux melanópico promedio de 250.Las áreas de aprendizaje requieren que los modelos de iluminación que puedan incorporar luz natural tengan un lux melanópico equivalente de 125 para al menos el 75 % de los escritorios durante al menos cuatro horas al día, o que la iluminación ambiental mantenga las recomendaciones de lux estándar establecidas en la Tabla 3 de la norma IES-ANSI RP-3-13.El estándar WELL Building también proporciona directrices para la emulación circadiana en viviendas multifamiliares. Para replicar 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 durante el período del día comprendido entre la hora de despertarse indicada y dos horas antes de la hora de acostarse indicada. Se requiere un lux melanópico equivalente de 50 o menos durante el período del día comprendido entre dos horas antes de la hora de acostarse indicada y la hora de despertarse. Además, a la hora de despertarse indicada, el lux melanópico debe aumentar de 0 a 250 durante al menos 15 minutos.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 potenciar o disminuir la eficacia del entrainment. Por ejemplo, el ejercicio y otras actividades físicas, al combinarse con la exposición a la luz, resultan en una respuesta de entrainment ligeramente más intensa. Otros factores, como la música y la administración oportuna de la neurohormona melatonina, han mostrado efectos similares. 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.También se han encontrado efectos circadianos en la percepción visual del deslumbramiento molesto. El momento del día en que se muestra una fuente de luz que produce incomodidad visual no se percibe de manera uniforme. A medida que avanza el día, las personas tienden a ser más tolerantes a los mismos niveles de deslumbramiento molesto (es decir, son más sensibles al deslumbramiento molesto por la mañana que por la tarde). Estudios posteriores sobre el cronotipo muestran que los cronotipos tempranos también pueden tolerar más deslumbramiento molesto por la mañana que los cronotipos tardíos.

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