Exponering för högre ljusnivåer kan hjälpa människor att känna sig mer vakna och öka den kognitiva prestationsförmågan, troligen genom att påverka aktiviteten i delar av en hjärnregion som kallas hypotalamus, enligt ny forskning.
Studien, som publiceras i eLife, beskrivs av redaktörerna som av grundläggande betydelse och utgör ett viktigt framsteg för vår förståelse av hur olika ljusnivåer påverkar mänskligt beteende. Styrkan i bevisningen framhålls som övertygande och stöder författarnas analyser av det komplexa samspelet mellan ljusexponering, hypotalamisk aktivitet och kognitiv funktion.
Med ytterligare forskning skulle resultaten kunna användas som underlag för olika ljusterapibehandlingar för att öka en individs sömnkvalitet och affektiva tillstånd, och hjälpa dem att känna sig mer vakna och utföra uppgifter bättre under hela dagen.
De biologiska effekterna av ljusexponering har varit väldokumenterade under de senaste åren. Högre belysningsstyrka har visat sig stimulera vakenhet och kognitiv prestationsförmåga. Dessa effekter beror främst på en undergrupp av ljuskänsliga celler i näthinnan, så kallade ipRCG.
Dessa celler projicerar till flera områden i hjärnan, men projektionerna är tätast i hypotalamus, som vanligtvis förknippas med reglering av dygnsrytmer, sömn och vakenhet samt kognitiva funktioner. Kunskapen om de hjärnkretsar som ligger till grund för ljusets biologiska effekter har dock nästan uteslutande härrört från studier på djur.
”Att överföra resultat om hur ljusexponering påverkar hjärnan i djurmodeller till människor är en svår process, eftersom den senare mognaden av hjärnbarken hos människor möjliggör mycket mer komplex kognitiv bearbetning”, förklarar huvudförfattaren Islay Campbell, tidigare doktorand vid GIGA-CRC Human Imaging och nu doktorand vid universitetet i Liège, Belgien. ”I synnerhet är frågan om hypothalamuskärnor bidrar till ljusets stimulerande inverkan på kognitionen inte fastställd.”
För att bättre förstå ljusets inverkan på människans kognition rekryterade Campbell och hennes kollegor 26 friska unga vuxna som fick delta i deras studie. De bad varje deltagare att genomföra två auditiva kognitiva uppgifter; en exekutiv uppgift modifierad från ”n-back task” där deltagarna ombads att avgöra om ett aktuellt ljud var identiskt med det de hörde två gånger tidigare, eller innehöll bokstaven ”K”; och en emotionell uppgift där deltagarna ombads att identifiera könet på en röst som antingen uttalades i en neutral ton eller i en arg ton.
Varje uppgift utfördes medan personerna alternativt placerades i mörker eller utsattes för korta perioder av ljus i fyra olika belysningsnivåer. Teamet använde en teknik som kallas 7 Tesla funktionell magnetisk resonanstomografi, som har en högre upplösning och signal-brusförhållande jämfört med standard 3 Tesla MRI, för att bedöma effekterna av de olika ljusnivåerna på aktiviteten i hypotalamus under uppgifterna.
Forskarna fann att högre ljusnivåer under båda uppgifterna utlöste en ökad aktivitet i den bakre delen av hypotalamus. Däremot följde den nedre och främre delen av hypotalamus ett till synes motsatt mönster och uppvisade minskad aktivitet under högre ljusnivåer.
Därefter försökte teamet avgöra om dessa förändringar i regional hypotalamusaktivitet var relaterade till en förändring i kognitiv prestation. De fokuserade på att bedöma deltagarnas prestationer under den exekutiva uppgiften, eftersom det krävdes en högre kognitiv nivå för att lösa den. Deras analys visade att högre ljusnivåer verkligen ledde till bättre prestationer i uppgiften, vilket tyder på en ökning av den kognitiva prestationen.
Det är viktigt att notera att ökningen av den kognitiva prestationen vid högre belysningsstyrka visade sig vara signifikant negativt korrelerad med aktiviteten i den bakre hypotalamus. Detta gör det osannolikt att aktiviteten i bakre hypotalamus direkt förmedlar ljusets positiva inverkan på den kognitiva prestationen, och antyder möjligen att andra hjärnregioner är inblandade, vilket kräver ytterligare forskning.
Å andra sidan visade sig aktiviteten i den bakre hypotalamus vara förknippad med ett ökat beteendesvar på den emotionella uppgiften. Detta tyder på att sambandet mellan kognitiv prestation och aktiviteten i den bakre hypotalamus kan vara kontextberoende – i vissa uppgifter kan vissa hypotalamuskärnor eller neuronala populationer rekryteras för att öka prestationen, men inte i andra.
Författarna efterlyser framtida arbete inom detta område för att bedöma ljusets inverkan på andra strukturer eller hela nätverk i hjärnan för att avgöra hur varierande ljusnivåer ändrar deras överhörning och interaktioner med cortex för att åstadkomma beteendeförändringar.
”De frågor som kvarstår från vår studie är viktiga att besvara, eftersom ljus är ett lovande och enkelt sätt att minska trötthet under dagen, förbättra kognitiva defekter och möjliggöra en vilsam natts sömn med minimala kostnader och biverkningar”, säger Campbell.
”Våra resultat visar att den mänskliga hypotalamus inte reagerar enhetligt på varierande ljusnivåer när den är engagerad i en kognitiv utmaning”, säger Gilles Vandewalle, senior författare och biträdande chef för GIGA-CRC Human Imaging, University of Liège. ”Högre ljusnivåer visade sig vara förknippade med högre kognitiv prestation, och våra resultat tyder på att denna stimulerande effekt delvis förmedlas av den bakre delen av hypotalamus. Denna region arbetar sannolikt tillsammans med den minskade aktiviteten i främre och nedre hypotalamus, tillsammans med andra hjärnstrukturer som inte hör till hypotalamus och som reglerar vakenhet.”
”Riktad belysning för terapeutisk användning är ett spännande perspektiv. Det kommer dock att kräva en mer omfattande förståelse för hur ljus påverkar hjärnan, särskilt på subkortikal nivå. Våra resultat utgör ett viktigt steg mot detta mål, på hypothalamusnivå”, säger Campbell.
Ytterligare information: Islay Campbell et al, Regional response to light illuminance across the human hypothalamus, eLife (2024). DOI: 10.7554/eLife.96576.1
