Evening exposure to a light-emitting diodes (LED)-backlit computer screen affects circadian physiology and cognitive performance

Abstract

Many people spend an increasing amount of time in front of computer screens equipped with light-emitting diodes (LED) with a short wavelength (blue range). Thus we investigated the repercussions on melatonin (a marker of the circadian clock), alertness, and cognitive performance levels in 13 young male volunteers under controlled laboratory conditions in a balanced crossover design. A 5-h evening exposure to a white LED-backlit screen with more than twice as much 464 nm light emission {irradiance of 0,241 Watt/(steradian × m(2)) [W/(sr × m(2))], 2.1 × 10(13) photons/(cm(2) × s), in the wavelength range of 454 and 474 nm} than a white non-LED-backlit screen [irradiance of 0,099 W/(sr × m(2)), 0.7 × 10(13) photons/(cm(2) × s), in the wavelength range of 454 and 474 nm] elicited a significant suppression of the evening rise in endogenous melatonin and subjective as well as objective sleepiness, as indexed by a reduced incidence of slow eye movements and EEG low-frequency activity (1-7 Hz) in frontal brain regions. Concomitantly, sustained attention, as determined by the GO/NOGO task; working memory/attention, as assessed by "explicit timing"; and declarative memory performance in a word-learning paradigm were significantly enhanced in the LED-backlit screen compared with the non-LED condition. Screen quality and visual comfort were rated the same in both screen conditions, whereas the non-LED screen tended to be considered brighter. Our data indicate that the spectral profile of light emitted by computer screens impacts on circadian physiology, alertness, and cognitive performance levels. The challenge will be to design a computer screen with a spectral profile that can be individually programmed to add timed, essential light information to the circadian system in humans.

Chronotype and environmental light exposure in a student population

“…Of particular interest in this young student population is the impact of light-emitting devices on sleep and the circadian clock. Although such devices have been found to impact sleep and circadian timing (Cajochen et al 2011; Chang et al 2015), the findings are mixed (Heath et al 2014; Rangtell et al 2016) and these changes are often small; thus, the real-world significance of these findings remains unclear (Zeitzer 2015). The findings from this study, however, emphasise that environmental evening light exposure may need to be tailored for different populations.…”

“…Thus, exposure to bright artificial light in the evening before bedtime has been associated with a delay in circadian phase, as assessed by measures of subjective chronotype (Martin et al 2012; Vollmer et al 2012), subjective sleep timing (Koo et al 2016), salivary melatonin levels (Gordijn et al 1999; Benloucif et al 2008; Cajochen et al 2011) and core body temperature (Krauchi et al 1997). Furthermore, adolescents living in urban areas and exposed to bright artificial light at night have a later chronotype as assessed by the Munich ChronoType Questionnaire (MCTQ) and Morningness–Eveningness Questionnaire (MEQ), compared to those living in more rural settings (Vollmer et al 2012).…”

La lumière comme stimulant de l’activité cognitive cérébrale

“…Les manipulations moléculaires ou génétiques réalisées chez le rongeur pour séparer cet impact non visuel de l'influence des cônes et des bâtonnets sont impossibles chez l'homme. Les preuves d'un rôle de la mélanopsine pour la cognition sont restées principalement indirectes (bien que le bleu ait un impact plus important, cela n'exclut pas que les cônes ou les bâtonnets en soient exclusivement ou en partie responsables) [3,15,16]. Nous avons réalisé deux études pour tenter d'apporter des preuves plus directes de l'implication des cellules ganglionnaires rétiniennes à mélanopsine.…”

“…Ainsi, par rapport à une lumière monochromatique verte (525 ou 550 nm), une lumière bleue (460 ou 480 nm) augmentait les niveaux d'activité du pulvinar, ainsi que celui des régions préfrontales et pariétales impliquées dans une tâche de mémoire de travail, ou bien celui de l'hypothalamus, de l'amygdale, de l'hippocampe et de la région temporale de la voix lors d'une tâche auditive émotionnelle. Cette supéri-orité de la lumière bleue est en accord avec la littérature qui montre que l'amélioration des performances cognitives est plus importante avec des lumières bleues ou enrichies en bleu [3,15,16]. Elle est due à un type de photorécepteur rétinien qui n'a été découvert que très récemment : les cellules ganglionnaires rétiniennes (CGR), qui sont photosensibles parce qu'elles expriment la mélanopsine, un photopigment plus sensible au bleu [17,18].…”

“…Nos résultats pointent vers un élargissement graduel de l'impact de la lumière avec sa durée et son intensité, qui se traduit progressivement par un effet comportemental. En accord avec ces propositions, d'autres études utilisant uniquement des variables comportementales ou électroencéphalographiques (EEG) ont rapporté un impact significatif au bout de 30 min d'illumination avec des lumières bleues, ou enrichies en bleu, de longueur d'onde et d'intensité comparables à celles que nous avons employées [15,16,21,22]. La durée, l'intensité et la longueur d'onde ne sont cependant pas les seuls aspects à prendre en considé-ration lors de l'administration d'une exposition lumineuse.…”