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Tema:
Impacto del ángulo de incidencia de la luz en la atención aguda
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Tecnología de Iluminación, Departamento de Energía y Automatización, Facultad de ingeniería eléctrica e informática, Technische Universität Berlin (Universidad Técnica Berlín), Berlín, Alemania
Kai Broszio, Dr. Martine Knoop, Prof. Dr. Stephan Völker
Resumen
Los resultados de la investigación hasta la fecha en el campo de los efectos no visuales de la luz en los seres humanos no revelan ningún patrón claro de causalidad. Una de las razones de ello podría ser la descripción, a menudo inadecuada, de la situación de la iluminación. La iluminancia vertical del ojo se utiliza normalmente para describir la intensidad del estímulo. Las células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles (ipRGC) desempeñan un papel central en los efectos no visuales. Los resultados de las investigaciónes hasta dia de hoy han indicado que su sensibilidad en horario nocturno puede depender de su ubicación en la retina, por lo que se debe considerar la dirección de la incidencia de la luz para describir el estímulo. En este trabajo se describe el procedimiento para realizar una prueba análoga que consista en transferir y verificar estos suposiciones de dependencia direccional a situaciones diurnas.
Introducción
Los efectos de la luz que no forman imágenes (inglés: non-image-forming effects, NIF) son causados por los receptores sensibles a la luz en la retina humana. En particular, las células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles (inglés: intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGC) se consideran cruciales para la mediación de los efectos de las NIF. Han sido investigados intensamente los efectos de la iluminancia en el ojo, el espectro, la duración y el tiempo de exposición. También el historial de luz en varios efectos NIF como la supresión de la melatonina, la calidad del sueño, el estado de alerta o la temperatura corporal central.
También hay evidencia de que la sensibilidad de los ipRGCs varía dependiendo de su ubicación en la retina, o que ellos, al igual que los conos y las bastones, no están distribuidos uniformemente en la retina. Hasta la fecha, sólo se han llevado a cabo unos pocos estudios para investigar la dependencia de los efectos del NIF en el ángulo de incidencia de la luz y los efectos de la iluminación en la supresión de la melatonina y el desplazamiento de fase.
Los resultados muestran que los efectos son más fuertes en las partes inferiores (Lasko et al. 1999; Smith et al. 2002; Glickman et al. 2003) y nasales (Visser et al. 1999; Rüger et al. 2005) de la retina. Además, la supresión de melatonina en la iluminación binocular contrasta con la iluminación monocular (Brainard et al. 1997; Wang et al. 1999).
En muchos estudios, la iluminancia vertical a simple vista se elige como una de las variables independientes. La figura 1 muestra cuatro escenas luminosas diferentes que producen iluminancias verticales comparables e irradiaciones verticales comparables ponderadas con melanina en el ojo.
Fig. 1: Cuatro escenas luminosas diferentes con iluminancias verticales comparables e irradiación ponderada por melanopía en el ojo
Estas escenas luminosas se consideran idénticas en investigaciones anteriores sobre los efectos de las NIF. Sin embargo, si se tienen en cuenta las indicaciones de dependencia direccional, es dudoso que la iluminancia vertical sea un parámetro adecuado para determinar el estímulo de los efectos de las NIF.
Esto también puede ser una razón para los resultados a veces contradictorios entre los estudios previos. Además, la evaluación selectiva de estudios anteriores se ve obstaculizada o impedida por una descripción inadecuada de las condiciones geométricas de las escenas luminosas utilizadas. Los métodos adecuados para describir escenas luminosas se muestran y describen en "Guide to Protocols for Describing Lighting" (Guía de protocolos para la descripción de la iluminación) (CIE 2014) y en relación con los efectos NIF en "Methods to Describe and Measure Lighting Conditions in Experiments on Non-Image-Forming Aspects" (Métodos para describir y medir las condiciones de iluminación en experimentos sobre aspectos no formadores de imágenes) (Knoop et al. [en fase de impresión]).
Teniendo en cuenta las indicaciones de las diferencias de sensibilidad de la retina y las restricciones anatómicas del campo visual, las regiones relevantes para los efectos de luz mediada por ipRGC se pueden encontrar probablemente en el en la parte inferior de la retia. En la figura 2 se muestran en una representación esquemática. La región 1 corresponde a un área vista por ambos ojos, que por lo tanto se visualiza en la retina de ambos ojos. La luz de la región 2 cae en un solo ojo y o bien en el lado de la nariz o bien desde el ángulo de elevación por encima de 50° a 55° aproximadamente en ambos ojos, lo que se deduce que tiene un efecto mínimo. En la región 3 se espera un efecto insignificante o mínimo.
Fig. 2: Regiones sugeridas en el hemisferio observado que son importantes para los efectos de luz influenciados por el ipRGC. Región 1: muy importante, región 2: menos importante, región 3: probablemente sin efecto o con un efecto insignificante
Hasta hora se daba por echo que los ipRGCs eran los únicos responsables de estos efectos. Les investigaciones actuales, por otro lado, asumen una interacción mucho más compleja de todos los tipos de células sensibles a la luz en el ojo, incluyendo los receptores visuales (Lucas et al. 2014; CIE 2015). Las correlaciones exactas y los factores de influencia aún no están claros y requieren investigación adicional. Las regiones propuestas dentro del campo de visión corresponden a las primeras propuestas que se encuetran en la literatura disponible sobre los efectos de las NIF, principalmente mediadas por los ipRGCs y pueden depender de otros parámetros como el efecto de las NIF investigadas, el nivel de adaptación y la hora del día.
Investigaciones anteriores han demostrado que en la noche hay diferencias en la supresión de la melatonina dependiendo de la dirección desde la cual la luz incude en el ojo. Si esta correlación existe también para la atención aguda durante la noche se comprueba en un experimento de laboratorio previo.
En este se comprueba la transferibilidad de noche a día en condiciones idénticas. Estas pruebas se presentarán en un artículo futuro y no se describirán con más detalle aquí. La prueba presentada aquí examina la relación entre la atención aguda y varias escenas de luz que permiten que la luz de diferentes direcciones incida en el ojo del observador durante el día en una sala de pruebas similar a una oficina.
Estudio con sujetos humanos
El complejo sistema de efectos NIF en humanos se simplifica en la Figura 3 como un recuadro con variables de entrada (variables independientes), variables de salida (variables dependientes) y variables de control (variables de moderación). El cambio en una variable de entrada puede resultar en un cierto cambio de una o más variables de salida, bajo la condición de que todas las demás variables de entrada y control permanezcan constantes.
Fig. 3: Representación esquemática de un modelo para variables de entrada (variables independientes), variables de control (variables de moderación) y variables de salida (variables dependientes) en relación con los efectos de luz NIF (Gráfico adaptado del proyecto de investigación del Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF)"Non-visual Light Effects (NiviL)"
En este estudio se investiga la distribución espacial de la luz en el medio espacio observado y la hora del día como variables de entrada. Esto se examina en distintos sujetos y se presenta la siguiente hipótesis:
- La escena luminosa con luz predominantemente de la región 1+2 aumenta la atención aguda durante el día con más intensidad que la escena luminosa con luz predominantemente de la región 3 con la misma iluminancia y la misma irradiancia melanópicamente ponderada en el ojo.
Metodología
Dos escenas luminosas, una con luz predominantemente de la región 1+2 y otra con luz predominante de la región 3, se ajustan a la iluminancia vertical Ev,v ≈ 1000 lx en un espectro constante. Además, todos los receptores fotosensibles deben ser tratados, ya que se asume que la vía visual también juega un papel en la inducción de los efectos de las NIF (Lucas et al. 2014; CIE 2015).
Tab. 1: Resumen de las variables independientes y sus rangos de valores
Variables independientes Rango de valores
Dirección de la luz Supestamente eficaz (Región 1+2), supuestamente ineficaz (Región 3)
Hora día y noche
La atención aguda se elige como punto de partida para determinar los efectos sobre los efectos de las NIF por varias razones: puede determinarse objetiva (por ejemplo, mediante pruebas de tiempo de reacción) y subjetivamente (por ejemplo mediante cuestionarios). También pueden realizarse visual o auditivamente, así como determinarse día y noche. Estos han sido criterios se han utilizado en muchos estudios sobre los efectos de las NIF, lo que garantiza la comparabilidad y puede determinarse de forma relativamente rápida y económica.
Una prueba de tiempo de respuesta auditiva, como la version auditiva del tarea de vigilancia psicomotora (inglés: psychomotor vigilance task, PVT auditiva), se utiliza como prueba objetiva. La evaluación subjetiva de la vigilancia se realiza mediante cuestionarios, por ejemplo, la Escala de Somnolencia de Karolinska (inglés: Karolinska Sleepiness Scale, KSS).
Tab. 2: Resumen de la variable dependiente y su operacionalización
Variables dependientes
Operatividad
fisiológica psicológica
Atención aguda PVT auditiva Karolinska Sleepiness Scale (KSS)
Además, un gran número de variables de moderación influyen en el desarrollo de los efectos de las NIF y específicamente en la atención aguda. Algunas de estas dependen del sujeto como por ejemplo del cronotipo, el nivel de estrés, la situación ocupacional, el historial de la luz o la hora de despertarse.
Además se registran continuamente la temperatura ambiente y la concentración de CO2 en el aire. Las imágenes de luminancia y la medición de la iluminancia vertical a nivel de los ojos se controlan antes y después del ensayo para garantizar unas condiciones de iluminación constantes.
Tab. 3: Resumen de las variables de control
sujeto de prueba (antes de la ejecución)
Sala
Edad Temperatura ambiente
(continuamente)
Cronotipo Concentración de CO2 en el aire ambiente
(continuamente)
historial de la luz Registro de la luminancia antes y después de la ejecución Hora de despertarse Ev,v antes y después de la ejecución estado de salud tiempo de sueño nivel de estrés
sustancias que mejoran el rendimiento (incluyendo medicación, consumo de cafeína, etc.)
situación profesional Participantes
Los participantes deben tener una visión normal (o corregida para la hipermetropía normal). Antes de la participación, se realiza un examen visual. También se comprueban mediante un cuestionario antes de la participación otros parámetros de control como la historial de la luz (light history), el consumo de cafeína o la ingesta de sustancias que mejoran el rendimiento, la ingesta de medicamentos, la duración del sueño y el tiempo de recuperación, así como las características de las personas sometidas a la prueba, como la edad, el cronotipo, el tipo de estrés, el estado de salud y la situación laboral. La participación es precedida por un registro exacto de las horas de sueño de por lo menos tres días antes de cada fecha de actuación.
Sala de pruebas
Las escenas luminosas deben configurarse y presentarse en un entorno controlado adecuado. En la Universidad Técnica de Berlín se dispone de una sala de pruebas similar a una oficina para la realización de estas escenas luminosas y para pruebas bajo condiciones controladas.
Para esta investigación, en el Departamento de Ingeniería de la Luz de la Universidad Técnica de Berlín se utiliza una sala de pruebas retroiluminada con LEDs de dimensiones típicas de oficina (anchura 5 m, longitud 4 m, altura 2,8 m). Las paredes de esta sala de pruebas consisten en una lámina translúcida (techo extensible) retroiluminada con 1.470 paneles LED controlables individualmente de 18 cm x 18 cm. Cada panel contiene 36 LEDs blancos fríos (temperatura de color CCT 5900 K) o blancos cálidos (CCT 2800 K) de potencia media. Las mezclas de las escenas luminosas utilizadas dan como resultado temperatura de color entre 4400 K y 4500 K. Las diferentes baldosas son similares a un tablero de ajedrez para asegurar una buena homogeneidad de la iluminación y la mezcla de la temperatura de color cuando se utilizan juntas o por separado. Esto permite ajustar distribuciones de luminancia específicas con las mismas y diferentes temperaturas de color más similares en áreas individuales de las paredes y el techo.
Las escenas de luz para probar las hipótesis se instalan en esta sala de pruebas y se comprueban utilizando un método de medición especialmente desarrollado basado en una cámara de luminancia. Este método de medición se describe con más detalle en la siguiente sección.
Método de medición
En la Universidad Técnica de Berlín se desarrolló una metodología para la evaluación de las escenas luminosas en relación con la dirección de la luz, que utiliza un procedimiento para la investigación de la luminancia resuelta espacialmente en todo el semiespacio. Este método se basa en una cámara de luminancia especial y permite medir el valor de iluminancia, así como el valor de irradiancia ponderado en V'λ y el valor de irradiancia ponderada en melanopíc de cada píxel individual. Para el experimento aquí mostrado, el valor de iluminancia es suficiente, ya que se conoce el espectro de la fuente de luz y se puede calcular cualquier ponderación espectral a partir de él. Por lo tanto, el principio se describe a continuación sobre la base de las cantidades fotométricas, es posible una aplicación análoga con cantidades radiométricas (Knoop et al. [en fase de impresión]).
Deben conocerse los ángulos de apertura, espacio e inclinación de cada píxel, determinados por las propiedades de la cámara o de sus ópticas. Por lo tanto, el valor de iluminancia de cada píxel individual también puede calcularse a partir de la luminancia utilizando la siguiente fórmula
Ev,v,A es la contribución de iluminancia vertical de un área observada A en el campo de visión a la altura del ojo del observador [lux].
donde el área A se define por los ángulos θ1 y θ2 y los ángulos de inclinación φ1 y φ2
L(θ,φ) es la luminancia de una zona delimitada por el ángulo sólido dΩ, cuya posición en el campo visual viene determinada por θ,φ [cd∙m-2].
Ω es el ángulo sólido (a partir del receptor / ojo) [sr].
Θ es el ángulo entre la dirección del ángulo sólido y la dirección de visión (normal a la superficie vertical) [°].
Fig. 4: Representación gráfica de los ángulos relevantes en el campo visual del observador (Knoop et al.[in print])
Una vez calculados los valores de iluminancia de cada píxel individual, los valores de todos los píxeles dentro de las regiones definidas se pueden combinar en el campo visual.
𝐸
v,v,𝐴= 𝐿 𝜃, 𝜑 cos 𝜗 d𝛺
=
𝐿 𝜃, 𝜑 cos 𝜗 sin(𝜃) d𝜃 d𝜑
𝜃2 𝜃1 𝜑2 𝜑1
Si se dispone de una imagen o datos de luminancia convertidos en valores de luminancia, la clasificación de las regiones y la asignación de los píxeles correspondientes pueden llevarse a cabo en cualquier momento para su posterior análisis y adaptación a los nuevos resultados de la investigación. A efectos de visualización y evaluación, puede determinarse la proporción de determinadas áreas del campo de visión con respecto a la iluminancia vertical total (global) del ojo y pueden hacerse afirmaciones sobre la proporción de iluminancia de determinadas regiones del semiespacio. En uno de nuestros estudios anteriores, por ejemplo, se utilizaron distintas escenas luminosas para mostrar que los valores de iluminancia de regiones individuales difieren hasta seis veces entre diferentes escenas luminosas de la misma iluminancia e irradiancia ponderada melanópicamente (Broszio et al. 2018). La funcionalidad, la posible visualización y la evaluación de los datos de medición de escenas luminosas ejemplares se describen en detalle en "Effective Radiant Flux for Non-image Forming Effects - is the Illuminance and the Melanopic Irradiance at the Eye Really the Right Measure?” (Flujo Radiante Efectivo para Efectos que no Forman Imágenes - es la Iluminancia y la Irradiación Melanópica en el Ojo Realmente la Medida Correcta?) (Broszio et al. 2018).
La configuración actual de la cámara especial también permite definir regiones y funciones de ponderación separadas para los diferentes tipos de receptores, simulando así la influencia de conos y bastones en los efectos NIF si es necesario.
Procedimiento de ensayo
En el momento de la inscripción, las personas que participan en la prueba ya están informadas de la documentación necesaria antes de la realización de la misma y se obtiene su consentimiento para la participación y la recogida y el tratamiento de los datos.
La prueba se lleva a cabo en la sala de pruebas por la tarde durante la baja de atención del ritmo circadiano. Se ruega a los participantes que se presenten media hora antes de la prueba, que no utilicen dispositivos con pantallas auto-luminosas a partir de ese momento, que no consuman sustancias que mejoren el rendimiento (como la cafeína o las bebidas energéticas) el día de la prueba y que ya hayan comido su almuerzo. Después de un saludo y de las instrucciones sobre cómo llevarlo a cabo, se realiza un primer bloque de prueba para determinar el nivel de inicio individual. A continuación,se realiza aleatoriamente la exposición a una de las dos escenas. Los participantes se sientan y colocan la cabeza en un soporte para la barbilla. Durante la exposición, los participantes escuchan un audiolibro y se les pide que graben la vista de un objetivo en la pared opuesta. La dirección de visión y los cambios de tamaño de las pupilas se documentan mediante un seguimiento ocular. Después de 30 minutos de exposición, se lleva a cabo el segundo bloque de prueba. Se requiere un total de dos participaciones por sujeto, ya que pueden haber posibles variaciones interindividuales en la sensibilidad de la retina.
Un bloque de prueba consiste en realizar una PVT auditiva y responder a un cuestionario. Este cuestionario contiene preguntas generales sobre el bienestar, el KSS y otras preguntas sobre las condiciones de iluminación.
Fig. 4: Diagrama esquemático de la secuencia de ensayo (escenas luminosas, niveles de iluminancia absoluta)
Conclusión
Este estudio utiliza la evidencia ya conocida sobre las diferencias de sensibilidad retiniana para la supresión de la melatonina en experimentos de laboratorio durante la noche y la transfiere a una atención aguda durante el día en una sala de pruebas similar a una oficina.
Para ello, se propusieron regiones en el campo visual que, según una investigación preliminar, son de interés para los efectos de las NIF. Se ha desarrollado una metodología de medición adecuada y adaptable en cualquier momento, que permite examinar el semiespacio en términos de las regiones de las que procede la contribución a la iluminancia. De este modo, se pueden configurar escenas luminosas que producen casi toda la iluminancia en el receptor desde una o más de las regiones propuestas. Este documento describe el procedimiento para llevar a cabo una prueba voluntaria y, una vez finalizada la evaluación de la prueba voluntaria en la primavera/verano de 2019, se dispondrá de datos para evaluar la influencia de estas escenas luminosas en la atención aguda diurna y para indicar si las diferencias en la sensibilidad de la retina a la supresión de la melatonina durante la noche también se aplican a la atención aguda diurna. Estos resultados influirán en el futuro diseño de la iluminación en términos de planificación holística, incluyendo los efectos de luz NIF, y pueden destacar el papel central del campo visual medio para los efectos NIF.
Bibliografía
Brainard, G. C.; Rollag, M. D.; Hanifin, J. P. (1997): Photic regulation of melatonin in humans. Ocular and neural signal transduction. En: Journal of Biological Rhythms 12 (6), pág. 537–546. DOI: 10.1177/074873049701200608.
Broszio, Kai; Knoop, Martine; Niedling, Mathias; Völker, Stephan (2018): Effective Radiant Flux for Non-image Forming Effects – is the Illuminance and the Melanopic Irradiance at the Eye Really the Right Measure? En: Light & Engineering/Svetotekhnika 26 (2), pág. 68–74. CIE (2014): Guide to protocols for describing lighting. Vienna (Technical report / CIE, 213). CIE (2015): Technical Note. Report on the First International Workshop on Circadian and Neurophysiological Photometry, 2013. CIE (CIE TN, 003:2015). Disponible en línea en http://files.cie.co.at/785_CIE_TN_003-2015.pdf, Última comprobación el 25/08/2018.
Glickman, Gena; Hanifin, John P.; Rollag, Mark D.; Wang, Jenny; Cooper, Howard; Brainard, George C. (2003): Inferior Retinal Light Exposure Is More Effective than Superior Retinal Exposure in Suppressing Melatonin in Humans. En: Journal of Biological Rhythms 18 (1), pág. 71–79. DOI: 10.1177/0748730402239678.
Knoop, Martine; Broszio, Kai; Diakite, Aicha; Liedtke, Carolin; Niedling, Mathias; Rothert, Inga et al. (en fase de impresión): Methods to Describe and Measure Lighting Conditions in Experiments on Non-Image-Forming Aspects. En: LEUKOS.
Lasko, T. A.; Kripke, D. F.; Elliot, J. A. (1999): Melatonin Suppression by Illumination of Upper and Lower Visual Fields. En: Journal of Biological Rhythms 14 (2), pág. 122–125. DOI: 10.1177/074873099129000506.
Lucas, Robert J.; Peirson, Stuart N.; Berson, David M.; Brown, Timothy M.; Cooper, Howard M.; Czeisler, Charles A. et al. (2014): Measuring and using light in the melanopsin age. En: Trends
in neurosciences 37 (1), pág. 1–9. DOI: 10.1016/j.tins.2013.10.004.
Rüger, Melanie; Gordijn, Marijke C. M.; Beersma, Domien G. M.; Vries, Bonnie de; Daan, Serge (2005): Nasal versus Temporal Illumination of the Human Retina: Effects on Core Body
Temperature, Melatonin, and Circadian Phase. En: Journal of Biological Rhythms 20 (1), pág. 60–70. Disponible en línea en
http://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/0748730404270539.
Smith, Julian S.; Kripke, Daniel F.; Elliott, Jeffrey A.; Youngstedt, Shawn D. (2002): Illumination of upper and middle visual fields produces equivalent suppression of melatonin in older
volunteers. En: Chronobiology International 19 (5), pág. 883–891. DOI: 10.1081/CBI-120014107.
Visser, E. K.; Beersma, D. G. M.; Daan, S. (1999): Melatonin Suppression by Light in Humans Is Maximal When the Nasal Part of the Retina Is Illuminated. En: Journal of Biological Rhythms 14 (2), pág. 116–121. DOI: 10.1177/074873099129000498.
Wang, Jenny Y.; Hanifin, John P.; Rollag, Mark D.; Brainard, George C. (1999): Ocular Regulation of the Human Pineal Gland. The Significance of Total Retinal Exposure for Melatonin Suppression. En: Michael F. Holick y Ernst G. Jung (eds.): Biologic Effects of Light 1998: Proceedings of a Symposium Basel, Switzerland November 1‐3, 1998. Boston, MA: Springer US, pág. 367–374. Disponible en línea en http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4615-5051-8_59.
