Wavelength-Dependent Modulation of Brain Responses to a Working Memory Task by Daytime Light Exposure

Abstract

In addition to classical visual effects, light elicits nonvisual brain responses, which profoundly influence physiology and behavior. These effects are mediated in part by melanopsin-expressing light-sensitive ganglion cells that, in contrast to the classical photopic system that is maximally sensitive to green light (550 nm), is very sensitive to blue light (470-480 nm). At present, there is no evidence that blue light exposure is effective in modulating nonvisual brain activity related to complex cognitive tasks. Using functional magnetic resonance imaging, we show that, while participants perform an auditory working memory task, a short (18 min) daytime exposure to blue (470 nm) or green (550 nm) monochromatic light (3 x 10(13) photons/cm2/s) differentially modulates regional brain responses. Blue light typically enhanced brain responses or at least prevented the decline otherwise observed following green light exposure in frontal and parietal cortices implicated in working memory, and in the thalamus involved in the modulation of cognition by arousal. Our results imply that monochromatic light can affect cognitive functions almost instantaneously and suggest that these effects are mediated by a melanopsin-based photoreceptor system.

Dawn simulation light impacts on different cognitive domains under sleep restriction

“…The 3-back task probes executive control, and its cerebral correlates involve the bilateral posterior parietal cortex, premotor cortex, dorsal cingulate/medial premotor cortex, dorsolateral prefrontal cortex and ventrolateral prefrontal cortex [48]. Light may have a modulatory effect on these anatomical structures, thus impacting on executive brain responses [49].…”

What Keeps Us Awake?—the Role of Clocks and Hourglasses, Light, and Melatonin

“…Lights' perfor mance enhancement, however, does not occur in a similar manner for all subcortical and cortical regions. Light-induced modulations of cortical activity during auditory cognitive tasks occur for alertness-related subcortical structures, such as the brainstem (LC-compatible region) (Vandewalle et al, 2007b); the hypothalamus, in a location encompassing the SCN (Perrin et al, 2004), and dorsal and posterior parts of thalamus (Vandewalle et al, 2006(Vandewalle et al, , 2007a, in longterm memory and emotion-related areas, such as the hippocampus (Vandewalle et al, 2006) and amygdala (Vandewalle et al, 2007b). Taken together, these responses indicate that wide-range subcortical and cortical areas are activated by non-visual effects of light, during specific cognitive tasks.…”

“…fMRI assessed brain responses undergo a wavelength dependency for higher executive task (2-back task), such that blue light enhances modulations of higher executive tasks in the brainstem (in an LC-compatible location), in the thalamus and insula, in relation to green (550 nm) and violet exposures (430 nm). In this case, the effect of blue light occurs before 1 min after the start of the exposure (Vandewalle et al, 2007b) and last for nearly 20 min (Vandewalle et al, 2007a). However, the magnitude, time course, and regional brain distribution of non-visual effects of light heavily depend on the dose, duration, and intensity of the light exposure.…”

La lumière comme stimulant de l’activité cognitive cérébrale

“…Une tâche plus attentionnelle mettra en évidence des modulations au niveau du cortex dorsolatéral préfrontal et du sillon intrapariétal [9,12]. Une tâche de mémoire de travail, mettant en jeu des fonctions exécutives (comparaison, mise à jour) en plus de l'attention, verra l'activité de régions pariétales supérieures impliquées dans ces processus, ainsi que celle des régions fronto-polaires et ventrolatérales du cortex préfrontal affectées par la lumière [7,8,11,13]. Il est important de souligner que ces régions préfrontales sont considérées actuellement comme au sommet de la hiérarchie cognitive et engagées dans les processus les plus complexes [14,37], soulignant l'importance de la lumière pour les fonctions cognitives supérieures.…”

“…Notre protocole était conçu de telle sorte que les cônes et les bâtonnets ne pouvaient être responsables de cet effet, et seules les propriétés de la méla-nopsine pouvaient l'expliquer. La mélanopsine a en effet des caractéristiques identiques à celles des photopigments d'invertébrés dont la sensibilité est influencée par la lumière reçue l'exposition lumi neuse, les courtes longueurs d'onde étaient plus efficaces que les longues longueurs d'onde pour augmenter l'activité cérébrale liée à un processus cognitif en cours [6][7][8]13]. 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.…”