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Rythme circadien : état de l’art métrique de l’œil humain

Deux normes concurrentes existent pour décrire le rythme circadien des yeux. Quelles en sont leurs principales caractéristiques ? État de la métrique de l’œil humain.
par Thomas Merelle6 juin 2017

Selon la métrique de l’œil humain, le rythme circadien est l’impact du cycle de la lumière naturelle sur le cycle hormonal de l’être humain. Cette lumière aide au réveil, stimule en milieu de journée, prépare au sommeil et a un impact significatif sur l’humeur et la santé tout au long de la journée.

État de l’art métrique de l’œil

Deux normes concurrentes existent pour décrire le rythme circadien de l’œil : le Melanopic Ratio (le MR [1] et l’EML) et le Circadian Stimulus (le Cs [2]) en anglais.

  • [1] Circadian Lighting Factsheet, Delos.
  • [2] Modeling the spectral sensitivity of the human circadian system M. S. Rea, M. G. Figueiro, A. Bierman and R. Hamner Lighting Research and Technology published online 14 December 2011 DOI: 10.1177/1477153511430474 Lighting Res. Technol. 2011; 0: 1–12.

Vision mélanopique

La vision mélanopique part du principe qu’il se passe plus de choses que la simple perception visuelle lorsque qu’un faisceau lumineux entre dans l’œil humain. L’impact biologique de la lumière est en effet très important. La mélatonine est une hormone qui contrôle notre cycle de réveil et d’endormissement. En bref, notre rythme circadien. La production de cette hormone est supprimée dans un environnement riche en lumière bleue, plus précisément dans le cyan. Nous nous endormons rapidement la nuit venue quand il y a très peu de bleu dans la lumière environnante. Une littérature abondante existe sur le sujet.

MR : Melanopic Ratio

Première métrique de l’œil, le MR “melanopic ratio” en anglais quantifie la proportion d’une source qui se trouve dans le domaine de longueur d’onde de la mélatonine. C’est-à-dire, dont le pic d’intensité se situe dans le cyan à 485 nm. On parle de proportion circadienne.

  • Un MR supérieur à 0,9 correspond ainsi à une forte stimulation de la mélatonine. Une telle source de lumière devrait donc être réservée pour un éclairage en journée.
  • Un MR inférieur à 0,7 correspond quant à lui à une faible stimulation de la mélatonine. Une telle source de lumière devrait donc être réservée pour un éclairage résidentiel nocturne.

Spectre en émission d’une LED blanche et spectre en absorption de la mélatonine. Ces deux courbes sont utilisées pour calculer le MR et l’EML pour cette source lumineuse – Graphique : Thomas Mérelle

EML : Equivalent Melanopic Lux

On définit également l’EML “Equivalent Melanopic Luxen anglais, qui est le produit du MR multiplié par l’éclairement d’un flux en Lumen/m2. Il permet de donner une intensité à l’effet du MR en fonction de la densité de photons par mètre carré de la surface exposée, et en l’occurrence ici, l’œil.

Diagramme schématique de l’œil humain en coupe – Dessin : Rhcastilhos, Wikipédia

Cs : Circadian Stimulus

Le Cs a été développé par le Lighting Research Center du Rensselaer Polytechnic Institute – RPI – de l’Etat de New York.

Différentes fonctions de l’œil entrent en jeu dans le rythme circadien.

La macula, les cônes et les bâtonnets. Le RPI a mis en équation le comportement de l’œil humain stimulé par la lumière. Il s’y distingue deux modes de fonctionnement :

  • un dans lequel seule la macula entre en jeu (dans le bleu),
  • un autre dans lequel les cônes et les bâtonnets ont aussi une contribution.

Cs Equations résumant la mzthodologie de calcul du CLA, duquel est dérivé le Cs – Source : M.S. Rea

Cet indice Cs démarre à 0 et sature à 0,7. Il est aujourd’hui accepté qu’une valeur inférieure à 0,1 n’implique aucune perturbation du rythme circadien et qu’une valeur supérieure à 0,3 indique une forte perturbation du rythme circadien.

Les possibilités de modulation quasi infinies de la lumière offertes par les LEDs offrent un potentiel de développement majeur de l’industrie de l’éclairage dans le domaine vaste, en anglais du « human centric lighting ».

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Source Thomas Mérelle Light ZOOM Lumière
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Thomas Merelle
Thomas Merelle
Consultant chez Pi Lighting dans le domaine de la LED et de son utilisation dans des applications high-tech depuis 2015. Docteur en Physique du semi-conducteur ayant travaillé pour cette industrie en France, en Belgique et en Allemagne durant 13 ans. Mes centres d'intérêt sont l'innovation technologique et ses applications concrètes, la géopolitique et les voyages.
2 Commentaires
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  • Avatar
    MALET-DAMOUR Bruno
    10 décembre 2018 at 16 h 35 min

    Bonjour,
    N’y a-t-il pas une inversion/erreur dans la définition et les seuils de “MR” proposés dans l’article et les conclusions associées?
    Pour être en phase avec le cycle circadien naturel, la mélatonine doit être supprimée en journée (accentuation de la vigilance), et produite en fin de journée pour favoriser l’endormissement/l’apaisement.

    Dans le texte :
    “le MR quantifie la proportion d’une source qui se trouve dans le domaine de longueur d’onde de la mélatonine. C’est-à-dire, dont le pic d’intensité se situe dans le cyan à 485 nm” :
    -> Ici, nous comprenons que le pic de production de mélatonine (“pic d’intensité”) est situé à la longueur d’onde du cyan/bleu. Or, la longueur d’onde “cyan/bleue” à 485nm engendre la suppression de la mélatonine.
    De ce fait, il serait plus logique qu’un MR élevé signifierait une faible production de mélatonine?

    Concernant les seuils (même remarque pour le seuil de 0,7):
    Dans ce qui est écrit, il est précisé qu’un “MR supérieur à 0,9 correspond à une forte stimulation de la mélatonine. Une telle source de lumière devrait donc être réservée pour un éclairage en journée.”
    -> Par stimulation, nous comprenons “production”, donc un MR élevé engendre une forte production de cette hormone?
    -> La préconisation indique que ce type de source lumineuse est à utiliser en journée. Mais en journée, la mélatonine doit être limitée, non?

    Autrement, merci pour ce bel article, très instructif.

  • Thomas Mérelle
    11 décembre 2018 at 12 h 24 min

    Bonjour Bruno,

    Merci pour vos commentaires.

    Il n’y a pas de contradictions dans l’article qui est un point de vue d’une entreprise d’engineerie de luminaires permettant d’activer et de desactiver les effets circadiens.
    Le rôle de Pi lighting est le design de ces luminaires ainsi que l’implémentation de ces indices afin de produire des spectres à la demande pour activer ou desactiver les effets circadiens (de façon générale, haute valeur d’indice=effet circadien activé).

    Je vous renvoie aux publications des biologistes des effets circadiens experts du sujet (en particuliers Mark Rea du LRC). Ce que je peux vous dire est que les modèles circadien permettant le calcul des ces indices ont été mis au point suite à des expériences réalisées sur des groupes de patients soumis a différents environnements lumineux, avec prise d’échantillons hormonaux avant et après expérience.
    N’étant pas moi-même biologiste, je ne veux me risquer à développer sur la biologie des effets circadiens. Je peux par contre vous dire qu’au premier ordre, l’idée est d’émettre aux longueurs d’onde correspondant au pic d’absorption de la mélatonine qui est synthétisée ou du moins activée avec un effet retard, en soirée et durant la nuit. Notez que le flux de photons reçus durant la journée ainsi que son “budget” ont aussi un rôle dans l’activation des effets circadiens. Ceci est pris en compte dans le modèle permettant le calcul du Cs.

    En espérant avoir répondu à vos questions,

    Thomas

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