Nonvisual Brain Responses to Light Exposure in Human as Assessed by Functional Magnetic Resonance Imaging

Abstract

La lumière influence profondément la physiologie humaine, en plus de permettre la vision. Elle constitue le synchronisateur principal des rythmes circadiens et induit des effets physiologiques immédiats. Ces effets concernent des fonctions non-visuelles telles que la régulation du rythme veille/sommeil, de la température corporelle, de fonctions endocrinologiques, de l’éveil et des performances. Plusieurs études de ces effets réalisées chez l’animal et chez l’homme ont montré l’implication d’un système de photoréception non-visuel sensible surtout aux courtes longueurs d’onde (~470nm ; bleu). Ce système utilise les photorécepteurs classiques (cônes et bâtonnets), en plus de cellules ganglionnaires rétiniennes (CGR) intrinsèquement photosensibles, et exprimant la mélanopsine. Ces CGR se connectent à de nombreux noyaux sous-corticaux et corticaux, ce qui suggère un rôle du système non-visuel dans de nombreuses fonctions cérébrales. Cependant, au delà de ces projections rétiniennes directes, les autres régions du cerveau impliquées sont très peu connues. Une étude en tomographie par émission de positons (TEP), réalisée à l’Université de Liège, a démontré que l’effet éveillant d’une lumière nocturne intense (">"8000lux) pouvait moduler l’activité cérébrale liée à une tâche attentionnelle. Cette étude, ainsi que quelques données d’EEG, résume notre connaissance des mécanismes cérébraux impliqués dans le système non-visuel chez l’homme. De plus, la majorité des études sur ces effets ont été entreprises la nuit.

Nous avons réalisé trois études en imagerie fonctionnelle par résonance magnétique (IRMf) utilisant des expositions lumineuses diurnes pour mieux caractériser le système cérébral non-visuel chez l’homme. L’IRMf bénéficie d’une meilleure résolution spatiale et temporelle que la TEP et permet la caractérisation d’activités cérébrales liées à un processus cognitif précis.

La première étude met en évidence des réponses cérébrales liées à une tâche attentionnelle avant et après une exposition lumineuse intense (">"7000lux) de 21min. L’amélioration de l’éveil subjectif induite par la lumière est liée à une augmentation de l’activité thalamique. De plus, la lumière augmente l’activité d’un réseau de régions corticales impliquées dans la tâche, prévenant les diminutions d’activités observées en obscurité continue. Ces augmentations déclinent en quelques minutes après l’arrêt de la lumière, en suivant des dynamiques diverses spécifiques à chaque région. Ces premiers résultats suggèrent que, via une modulation de l’activité de structures sous-corticales régulant l’éveil, la lumière peut promouvoir dynamiquement l’activité corticale de réseaux impliqués dans un processus cognitif non-visuel.

La deuxième étude montre que de courtes expositions (18min) à des lumières monochromatiques (3x10¹³ph/cm²/s) bleues (470nm) ou vertes (550nm) affectent différemment les réponses cérébrales liées à une tâche de mémoire de travail. La lumière bleue augmente les réponses cérébrales ou, du moins, prévient les diminutions observées sous lumière verte dans des cortex pariétaux et frontaux impliqués dans la mémoire de travail, ainsi que dans le thalamus. Ces résultats montrent qu’une lumière monochromatique peut rapidement influencer les fonctions cognitives et suggèrent que ces effets sont induits via un système de photoréception qui utilise la mélanopsine.

La dernière étude répétait, au cours d’une même session, plusieurs courtes (50s) expositions lumineuses (10¹³ph/cm²/s) violettes (430nm), bleues (473nm), ou vertes (527nm) pendant la réalisation d’une tâche de mémoire de travail. Les réponses cérébrales, enregistrées à l’allumage et pendant la tâche, suggèrent que dès les premières secondes de l’illumination, les CRG exprimant la mélanopsine contribuent de manière prépondérante à la modulation des réponses cérébrales de régions impliquées dans la régulation de l’éveil et dans la tâche. Les résultats suggèrent un rôle du tronc cérébral ainsi que du thalamus dans l’établissement des réponses non-visuelles à la lumière.

Alternate abstract:

Light profoundly affects human physiology, in addition to allowing vision. Exposure to light is the primary synchronizer of circadian rhythms, but light also induces acute physiological responses. These responses involve functions not directly related to vision and include the modulation of the sleep/wake cycle, thermoregulation, endocrine functions, alertness, and performance. Animal and human studies demonstrated that a nonvisualphotoreception system most sensitive to shorter wavelength light (~470nm; blue light) mediates these effects. This system recruits the classical retinal photoreceptors (rods and cones) and intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (RGC) expressing melanopsin. These RGC project to numerous nuclei of the brainstem, hypothalamus, thalamus, and to cortical structures, an anatomical connectivity which suggests that the nonvisual system can influence many brain functions. However, beyond the direct melanopsin expressing RGC projections, little is known on the other brain structures involved. In addition these projections were mainly demonstrated in rodents. A positron emission tomography (PET) study carried out at the University of Liège established that night time bright white light exposure modulates the brain activity related to an attentional task. This study and sparse electroencephalogram data constitute the little knowledge of the human brain mechanisms of the nonvisual system. Furthermore, most investigations of the nonvisual effects of light took place at night.

We carried out three functional magnetic resonance imaging (fMRI) investigations to further unravel the brain system involved in nonvisual effects of light in healthy human subjects, using daytime exposures. The fMRI technique benefits from a much better spatial and temporal resolution than PET and allows the characterization of brain activities related to precise cognitive challenges.

The first experiment assessed the brain responses to an auditory attentional task before and after exposure to a 21min bright white light (>7000lux). Light-induced improvement in subjective alertness was linearly related to an increased responsiveness in the thalamus. In addition, light enhanced responses in a set of cortical areas involved in the task, preventing decreases of activity otherwise observed during continuous darkness. Importantly, the increases in responses declined within minutes after the end of the light stimulus, following various regionally-specific dynamics. These first findings suggest that light can modulate the activity of subcortical structures involved in alertness, thereby dynamically promoting cortical activity in networks involved in ongoing nonvisual cognitive processes.

The second investigation showed that while participants perform an auditory working memory task, a short (18min) exposure to blue (470nm) or green (550nm) monochromatic light (3x10¹³ph/cm²/s) differentially modulates regional brain responses. Blue light typically enhanced brain responses or, at least, prevented the decline otherwise observed during green light exposure in frontal and parietal cortices implicated in working memory, and in the thalamus. These results imply that monochromatic light can affect cognitive functions almost instantaneously and suggest that these effects are mediated by a melanopsin-based photoreceptor system.

In the third experimentation, subjects were exposed to repeated very short (50s) monochromatic violet (430nm), blue (473nm), and green (527nm) lights of equal photon flux (10¹³ph/cm²/s) while they were performing an auditory working memory task. Brain responses were characterized at light onsets and during the task. Results support a prominent contribution of melanopsin RGC to nonvisual brain responses within the very first seconds of a light exposure in brain areas involved in arousal regulation and in the task. Results suggest the implication of the brainstem and of the thalamus in establishing nonvisual responses to light.