Licht und Schlaf – oder warum wir (eigentlich) nachts schlafen

Licht und Schlaf – oder warum wir (eigentlich) nachts schlafen

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Für die meisten von uns ist es eine Selbstverständlichkeit, nachts zu schlafen. Für unsere Vorfahren hatte dies praktischen Nutzen, denn künstliches Licht war teuer, arbeitsaufwändig und gefährlich. Auch war es zu dunkel für die meisten Arbeiten. Doch dann machte Thomas Edison das elektrische Licht marktreif – und ermöglichte es, die ganze Nacht hindurch zu arbeiten. Dennoch ist es aber immer noch üblich, vor allem nachts zu schlafen. Ist dies kulturelle Gewohnheit oder biologische Notwendigkeit?

Licht ist der wichtigste externe Einfluss auf unseren Schlafwachrhythmus. In unserer Retina befinden sich intrinsische photosensitive retinale Ganglionzellen (ipRGCs). Sie enthalten das Pigment Melanopsin, dessen Absorptionsmaximum bei circa 470 nm, also im blauen Bereich liegt. Langwelliges, sprich rötliches Licht wird kaum absorbiert.

Fehlt blau-haltiges Licht, wird über den Nucleus suprachiasmatics (SCN) die Freisetzung von Melatonin aus der Epiphyse (Pinealorgan) stimuliert. Dies ist kein unmittelbarer Prozess, sondern geschieht mit zeitlicher Verzögerung, d.h. einer Phasenverschiebung zwischen Lichtwechsel und Melatoninausschüttung. Das Maximum der Melatoninausschüttung liegt in der zweiten Nachthälfte, die Ausschüttung endet erst nach Sonnenaufgang.

Unter konstanten Bedingungen zeigt Melatonin einen endogenen Rhythmus von etwas über 25 Stunden, also einen circadianen Rhythmus. Bei anderen Tierarten ist der Rhythmus entweder ebenfalls etwas länger oder kürzer als 24 Stunden. Dieser wird täglich durch Licht über die ipRGCs und den SCN mit dem Sonnentag synchronisiert.

Quelle: Zhiqiang Ma, Yang Yang, Chongxi Fan, Jing Han, Dongjin Wang, Shouyin Di, Wei Hu, Dong Liu, Xiaofei Li, Russel J. Reiter, and Xiaolong Yan [CC BY 4.0], via Wikimedia Commons

Kommt es zu einer deutlichen Verschiebung des Sonnentages, z. B. bei einer Reise zwischen Zeitzonen, benötigt der Körper mehrere Tage zur vollständigen Synchronisation. Wir kennen diesen Vorgang als Jetlag. Direkte Lichteinstrahlung kann die Melatoninbildung unterdrücken, ohne den Melatoninrhythmus zu verändern, was zu einer Verkürzung der Melatoninausschüttung führen kann.

Blau-haltiges Licht wird natürlicherweise von der Sonne erzeugt. Glühlampen haben kaum Blauanteile, Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren erzeugen einen Peak im Absorptionsmaximum des Melanopsins. Differenzierter sind LEDs zu bewerten. Als grober Richtwert gilt, dass mit steigender Farbtemperatur auch der Blauanteil steigt. Kaltweiße LEDs haben also einen höheren Einfluss auf das Melatonin als warmweiße, orangene PC Amber LEDs haben fast keinen Einfluss.

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Ein hoher Blauanteil findet sich in LED-Displays von Computern, Tablets, eReadern und Smartphones. Dass deren Benutzung am Abend einen Einfluss auf unseren Schlaf hat konnte bereits in mehreren Studien gezeigt werden. So reicht bereits eine Stunde Arbeiten am Computer oder Lesen am eReader für eine signifikante Reduktion der Melatoninproduktion aus (Chang et al. 2015, Wood et al. 2013, Cajochen et al. 2011). In einer Studie zeigte sich sogar eine Phasenverschiebung des Melatonins um 1,5 Stunden (Chang et al. 2015). Die Benutzung des iPads kann auch den Schlaf beeinflussen. Nach bereits 30 Minuten bei voller Helligkeit kam es zu einem verzögerten Beginn des Tiefschlafs um 30 Minuten und eine verringerte
Aktivität der für den Tiefschlaf typischen Deltawellen (Grønli et al. 2016). Dies war in den meisten Studien gekoppelt mit erhöhter Wachheit am Abend und Müdigkeit am Morgen.

Melatonin ist nicht einfach ein „Schlafhormon“. Es steuert unsere circadianen Rhythmen und damit Schlaf und Hormonausschüttung, hat aber noch eine Vielzahl anderer Funktionen: Es steuert Wachstum und Knochenumbauprozesse, wirkt neuroprotektiv, entzündungshemmend, krebshemmend, aktiviert die Immunabwehr und ist ein Antioxidans. Daher wird eine Störung des Melatoninrhythmus mit einer Vielzahl von Krankheiten in Verbindung gebracht.

In den letzten Jahren verstärkt sich die Diskussion um Lichtverschmutzung und ihre gesundheitlichen Folgen, vor allem, wenn Licht ins Schlafzimmer eindringt. Schlafstörungen, Depressionen, Herz-Kreislauferkrankungen, Übergewicht, Diabetes Typ 2 und Brust- bzw. Prostatakrebs werden in diesem Zusammenhang diskutiert, da Laborexperimente für diese Erkrankungen Zusammenhänge mit Melatonin und/oder Schlaf gezeigt haben. Erste epidemiologische Studien konnten Zusammenhänge zeigen zwischen dem Grad der Lichtverschmutzung und Schlafstörungen, Depressionen, Übergewicht und Brust- bzw. Prostatakrebs. Meist dienen zur Bestimmung der Helligkeit Satellitendaten, die können aber keine verlässliche Aussage über die wirkliche Menge an Licht geben, der eine Person ausgesetzt war. Dennoch gibt die Tatsache zu denken, dass mehrere Studien aus unterschiedlichen Kulturen zu ähnlichen, signifikanten Ergebnissen kamen.

NASA Map „Night Lights 2012“

Nach heutigen Stand der Forschung reichen die Lichtmengen durch Außenbeleuchtung nicht aus, um die nächtliche Melatoninproduktion zu unterdrücken. Dennoch gibt es Hinweise auf Zusammenhänge mit nächtlicher Helligkeit im Schlafzimmer und mit Schlafstörungen. Eine Studie fand bereits nach einer Nacht Schlafen bei 10 Lux messbare Sehstörungen, schmerzende Augen, verstärktes Tränen und häufiger Bindehautentzündung (Suh et al. 2018). Bei Personen über 60 Jahre, die bei Helligkeiten von 0,1 bis 3,4 Lux schliefen ergab sich, dass in hellen Schlafzimmern eine 60% erhöhte Wahrscheinlichkeit für schlechtes Schlafen bestand (Obayashi et al. 2014). Vergleiche mit Satellitendaten zur Außenbeleuchtung fanden Zusammenhänge mit späterem Zubettgehen, kürzerem Schlaf, häufigeren Schnarchen, häufigeren Übergewicht und vermehrter Einnahme von Schlafmitteln (Koo et al. 2016, Min et al. 2018).

Doch nicht nur die fehlende Dunkelheit in der Nacht ist problematisch. Unser circadianes System reagiert auf Helligkeitsunterschiede, weshalb auch die Dämmerungen wichtige Signale sind. Ein Sonnentag hat bis zu 100.000 Lux, selbst ein bewölkter Tag kommt noch auf 1.000 Lux. Der Vollmond scheint mit weniger als 0,3 Lux auf uns herab eine sternenklare, mondlose Nacht kommt nur noch au 0,001 Lux. Die meisten von uns verbringen ihre Tage allerdings in Innenräumen mit 500 Lux und weniger. Ein Richtwert für abendliche Wohnzimmerbeleuchtung liegt bei 50 Lux. Fitnesstudios am Abend sind oft heller beleuchtet als Büros am Tag. Statt täglich die deutlichen Unterschiede zwischen Tag und Nacht zu erfahren, leben wir in einem ständigen Dämmerlicht.

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Eine Studie (Wright et al. 2013) verglich Melatoninfreisetzung und Schlafverhalten von acht Teilnehmern zwischen einer Woche normalem Stadtleben und einer Woche campen ohne elektrisches Licht. Die Melatoninausschüttung beim Campen begann 2 Stunden früher als in der Stadt, nämlich kurz nach Sonnenuntergang. Auch gingen die Camper etwa 1,2 Stunden früher schlafen als während ihres Stadtlebens. Die Melatoninausschüttung endete in der Stadt erst um 8:00, nachdem die Teilnehmer aufgestanden waren. Beim Campen endete sie bereits kurz nach Sonnenaufgang, die Teilnehmer standen erst später auf.

Die Studie zeigt etwas, was auch andere Studien bestätigen: Anders als unsere Vorfahren gehen wir aufgrund des künstlichen Lichts deutlich später ins Bett. Wir schlafen aber nicht länger, und unser Melatoninspiegel ist beim Aufwachen viel zu hoch. Dadurch, und durch den Schlafmangel, brauchen wir einen Wecker zum Aufwachen. Bei Arbeitsbeginn ist unser Körper noch nicht voll einsatzfähig, unsere Leistungsfähigkeit leidet.

Menschen sind unterschiedlich stark betroffen, da wir verschiedene Chronotypen haben, genetische Anlagen, zu welcher Tageszeit wir leistungsfähig sind. Unsere Gesellschaft sieht den Frühaufsteher als Ideal, etwa 20% der Deutsche gehören zu diesen Lerchen. Der Rest tendiert mehr oder weniger zur Eule, ist also früh morgens noch nicht voll arbeitsfähig. Eulen sind zudem anfälliger für blaues Licht am Abend, wodurch ihre Melatoninproduktion noch weiter nach hinten verschoben wird.

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Der fehlende Schlaf führt zu Müdigkeit am Tag, höheren Fehlerquoten, erhöhtem Risiko für Krankheiten, häufigerem Konsum von Stimulanzien und Tabletten (Wachmacher am Morgen, Schlafmittel am Abend) bis hin zur Drogensucht. Besonders Jugendliche sind davon betroffen, da genetisch bedingt ihre Melatoninproduktion erst spät am Abend einsetzt. Frühes zu Bett gehen ist wenig hilfreich, da sie hormonell bedingt nicht einschlafen können, der Schlaf fehlt ihnen morgens, zumal ihr Körper zu normalem Schulbeginn noch nicht leistungsbereit ist. Dazu kommt, dass sie empfindlicher auf blaues Licht aus elektronischen Geräten reagieren als Erwachsene (Figueiro et al. 2016).

Auch ältere Menschen sind betroffen, da ihr nächtlicher Melatoninspiegel ist niedriger als der von Erwachsenen. Gerade Bewohner von Pflegeheimen bekommen tagsüber zu wenig Sonnenlicht. nachts werden die Schlafzimmer nicht selten durch die Gangbeleuchtung erhellt. Verschiedene Studien zeigten, dass viel Sonnenlicht am Tag die Schlafqualität verbessern, während bei nächtlicher Beleuchtung häufiger Schlafstörungen auftraten (Wams et al. 2017).

Wie lässt sich diesem Problem begegnen? Hier einige Tipps:

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  • Setzen Sie sich am Tag möglichst lange dem Sonnenlicht aus (Schatten genügt), besonders in den Morgenstunden. Bringen Sie Tageslicht in ihr Büro oder erhöhen Sie die Helligkeit dort (erlauben Sie sich aber ruhig auch ein paar schattige Momente, natürliches Licht verändert sich ja auch im Tagesverlauf).
  • Vermeiden Sie blauhaltiges Licht am Abend. Für Computer, eReader und Smartphones gibt es Programme zum Ausfiltern des Blauanteils, z.B. f.lux. Achten Sie darauf vor allem bei Kindern. Idealerweise schalten Sie zwei Stunden vorm Schlafengehen die Geräte ab und Lesen bei warmen Licht ein Buch oder unterhalten sich.
  • Gestalten Sie Ihr Schlafzimmer so dunkel wie möglich, wenn nötig mit Rollläden. Falls Sie nachts Licht brauchen, nutzen Sie LEDs mit weniger al 2200 Kelvin (z.B. „amber“ oder „vintage“). Das orange Licht beeinflusst Ihr Melatonin kaum.
  • Erholen Sie sich gelegentlich in einer dunklen Gegend, z.B. einem Sternenpark (engl. Dark Sky Park).

Quellen

Cajochen C, Frey S, Anders D, Spa¨ ti J, Bues M, Pross A, Mager R, Wirz-Justice A, Stefani O. Evening exposure to a light-emitting diodes (LED)-backlit computer screen affects circadian physiology and cognitive performance. Journal of Applied Physiology 2011; 110: 1432–1438.

Chang, A. et al., 2015. Evening use of light-emitting eReaders negatively affects sleep, circadian timing , and next-morning alertness. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112(4), pp.1232–1237.

Grønli J, Byrkjedal IK, Bjorvatn B, Nødtvedt Ø, Hamre B, Pallesen S. Reading from an iPad or from a book in bed: the impact on human sleep. A randomized controlled crossover trial. Sleep Medicine 2016; 21: 86–92.

Koo YS, Song JY, Joo EY, et al. Outdoor artificial light at night, obesity, and sleep health: Cross-sectional analysis in the KoGES study. Chronobiol Int. 2016;33(3):301-314.

Figueiro M, Overington D. Self-luminous devices and melatonin suppression in adolescents. Light Res Technol. 2016;48(8):966-975.

Min J, Min K. Outdoor Artificial Nighttime Light and Use of Hypnotic Medications in Older Adults: A Population-Based Cohort Study. J Clin Sleep Med. 2018;14(11):1903-1910.

Obayashi K, Saeki K, Kurumatani N. Association between light exposure at night and insomnia in the general elderly population: The HEIJO-KYO cohort. Chronobiol Int. 2014;31(9):976-982. doi:10.3109/07420528.2014.937491.

Suh Y-W, Na K-H, Ahn S-E, Oh J. Effect of Ambient Light Exposure on Ocular Fatigue during Sleep. J Korean Med Sci. 2018;33(38):1-9.

Wood B, Rea MS, Plitnick B, Figueiro MG. Light level and duration of exposure determine the impact of self-luminous tablets on melatonin suppression. Applied Ergonomics 2013; 44: 237–240.

Wams, E.J. et al., 2017. Linking light exposure and subsequent sleep: A field polysomnography study in humans. Sleep, 40(12).

Wright, K.P. et al., 2013. Entrainment of the human circadian clock to the natural light-dark cycle. Current Biology, 23(16), pp.1554–1558. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2013.06.039.

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