## Liste des figures

Figure 1 : répartition spectrale d'énergie de la lumière du jour 46

Figure 2 : les différents types d'applications des LED par catégorie 48

Figure 3 : différentes formes de lampes à LED 52

Figure 4 : différents types de culots de lampes à LED 52

Figure 5 : température de couleur des lampes testées (échantillon pour Anses, Ademe, INC) 53

Figure 6 : luminance maximale des lampes testées 54

Figure 7 : indice de rendu de couleur des lampes testées 54

Figure 8 : groupe de risque photobiologique des lampes testées 55

Figure 9 : pourcentage de modulation temporelle des lampes testées 55

Figure 10 : matrice de croisement des éléments de preuve chez l'Homme et sur des modèles 70

Figure 11 : contrôle des rythmes circadiens chez l'Homme 73

Figure 12 : architecture rétinienne et connectivité rétine-horloge circadienne 76

Figure 13 : liste partielle des fonctions oculaires contrôlées par l'horloge rétinienne 77

Figure 14 : spectres de lampes fluocompacte et halogène 88

Figure 15 : spectre de lampes à LED froide (6 700 K) et chaude (2 700 K) 88

Figure 16 : rapport entre la lumière et la sécrétion de la mélatonine 89

Figure 17 : évolution du nombre d'articles scientifiques portant sur les rythmes circadiens 91

Figure 18 : phagocytose des photorécepteurs et effets de la lumière chez le rat 93

Figure 19 : dispositif d'enregistrement polysomnographique 116

Figure 20 : hypnogramme d'un adulte jeune comportant 5 cycles de sommeil sur une nuit 117

Figure 21 : principaux processus de régulation du sommeil : homéostatique, circadien et ultradien 118

Figure 22 : spectres effectifs d'illumination des trois situations d'exposition 120

Figure 23 : taux de suppression de la mélatonine après 1 h et 2 h d'exposition à des tablettes 121

Figure 24 : anatomie de l'œil humain - coupe transversale 124

Figure 25 : film lacrymal normal 125

Figure 26 : spectre des rayonnements optiques et sensibilité des milieux oculaires 127

Figure 27 : transmission de la lumière par le cristallin en fonction de l'âge 128

Figure 28 : doses seuil en fonction du nombre de jour d'exposition à des UV de 300 nm 130

Figure 29 : dose pour des dommages rétiniens en fonction de la longueur d'onde. 133

Figure 30 : représentation schématique de l'interaction des photons avec des noyaux dont la structure chromatinienne varie 134

Figure 31 : odds Ratio pour les 14 études épidémiologiques utilisées dans Sui et al., 2013 136

Figure 32 : spectre de LED à des niveaux d'éclairage domestiques utilisés dans la publication de Shang et al., 2014 139

Figure 33 : spectre des différentes LED utilisées dans Shang et al., 2017 140

Figure 34 : valeurs limites d'exposition rétinienne en fonction de la longueur d'onde chez la macaque et le lapin 144
Figure 35 : forme d'onde d'une lampe halogène de puissance 28 W ____________ 149

Figure 36 : forme d'onde d'une lampe fluocompacte de puissance 15 W ____________ 149

Figure 37 : forme d'onde à peu près constante d'une lampe LED. Il n'y a pas de modulation temporelle détectable ____________ 150

Figure 38 : forme d'onde d'une lampe LED présentant une modulation temporelle importante ____________ 150

Figure 39 : forme d'onde d'une lampe LED avec une modulation temporelle de forme carrée et un pourcentage de modulation de 100 % (IEEE 1789) ____________ 151

Figure 40 : forme d'onde d'une lampe LED utilisée avec un variateur à découpage de phase ____________ 152

Figure 41 : formes d'onde carrées de même fréquence mais ayant des rapports cycliques différents ____________ 152

Figure 42 : exemple de forme d'onde caractérisant une modulation temporelle anormale et dont la forme est très complexe ____________ 153

Figure 43 : limites de modulation temporelle proposées par différents organismes ____________ 154

Figure 44 : mesures de modulation temporelle à 100 Hz obtenues sur des lampes grand public et valeurs limites recommandées par différents organismes ____________ 155

Figure 45 : courbes de sensibilité au contraste temporel ____________ 158

Figure 46 : pourcentage de modulation en fonction de la fréquence de modulation ____________ 162

Figure 47 : configuration expérimentale utilisée par Bullough et al. ____________ 164

Figure 48 : pourcentages moyens de détection de l'effet stroboscopique en fonction de la fréquence et du pourcentage de modulation variable ____________ 165

Figure 49 : scores d'acceptabilité moyens de l'effet stroboscopique en fonction de la fréquence et du pourcentage de modulation variable ____________ 165

Figure 50 : expérience utilisée pour évaluer la visibilité de l'effet stroboscopique ____________ 166

Figure 51 : pourcentage de modulation en fonction de la fréquence de modulation ____________ 167

Figure 52 : illustration de l'effet de réseau fantôme ____________ 168

Figure 53 : pourcentage des patients ayant un EEG épileptiforme en réponse à une modulation temporelle d'une lampe à décharge en fonction de la fréquence de modulation des impulsions lumineuses ____________ 172

Figure 54 : niveaux de risques de déclenchement de crises d'épilepsie par la lumière modulée établis dans la norme IEEE 1789 ____________ 173

Figure 55 : les dimensions de l'inconfort et de l'éblouissement. ____________ 183

Figure 56 : décours temporel de la récupération de la sensibilité après une préadaptation à 4 775 cd/m² ____________ 184

Figure 57 : acuité visuelle normale en fonction de la luminance du fond d'adaptation. ____________ 185

Figure 58 : variation, selon l'âge, de l'acuité en présence d'une source éblouissante circulaire de 3300 cd/m² ____________ 187

Figure 59 : variation, selon l'âge, du temps de récupération de l'acuité à l'obscurité, après un éblouissement par une source de 3 300 cd/m² ____________ 188

Figure 60 : décours de la réponse pupillaire à un stimulus photopique ____________ 191

Figure 61 : fonctions d'efficacité lumineuse révélant la sensibilité à l'éblouissement inconfortable, déterminées expérimentalement en vision extra-fovéale : à 5° et à 10° d'excentricité ____________ 193

Figure 62 : motifs des luminaires à LED étudiés par Sun et al, 2014 ____________ 196
Figure 63 : paramètres d'arrangement des LED, influençant la perception de l'éblouissement 196

Figure 64 : répartition spectrale relative d'énergie des sources utilisées par Yang et al., 2016 et Yang et al. 2017, synthétisées par Luo et al., 2017 197

Figure 65 : fonctions d'efficacité lumineuse relative pour l'éblouissement d'inconfort 198

Figure 66 : caractéristiques physiques de l'affichage des pixels d'un panneau publicitaire 198

Figure 67 : réduction de l'inconfort par un fond coloré 199

Figure 68 : calcul de l'excitation de la mélanopsine pour différentes technologies d'éclairage 200

Figure 69 : distribution des illuminants étudiés par Cao et Barrionuevo, 2014. 200

Figure 70 : répartition spectrale de la lumière obtenue par association de 7 LED de couleur pour maximiser (en bleu) ou minimiser (en rose) l'excitation mélanopique 201

Figure 71 : répartition spectrale d'énergie des sources LED et de la source fluorescente comparées dans l'étude de nuit de Lu et al., 2016 202

Figure 72 : valeur limite BCD en fonction de la surface effective (cristallin transparent) de la pupille 204

Figure 73 : répartition spectrale de la paire de lumières blanches métamères excitant au maximum la mélanopsine (lumière HM, High_mel) et une lumière LM (Low_Mel) excitant au minimum la mélanopsine 205

Figure 74 : répartition spectrale d'énergie de lumières orange métamères présentées alternativement comme stimulus pendant 3 s ou comme lumière de fond 206

Figure 75 : valeur de l'indice d'éblouissement G (Glare Constant), de nuit et de jour 207

Figure 76 : éclairement vertical d'un piéton à différentes distances d'un lampadaire 208

Figure 77 : répartition spectrale d'énergie des sources dans le test comparatif de deux résidences 209

Figure 78 : répartition spectrale d'énergie d'un panneau OLED et d'un panneau à éclairage latéral par LED 212

Figure 79 : répartition spectrale d'énergie des OLED et des LED 212

Figure 80 : pénétration des différentes longueurs d'onde dans la peau 215

Figure 81 : étapes de la cicatrisation. 216

Figure 82 : spectro-photomètre et vidéo-luminancemètre 226

Figure 83 : exemple de cartographies prises dans le séjour 227

Figure 84 : exemple de cartographies prises dans un bureau 228

Figure 85 : exemple de cartographies prises à l'école 228

Figure 86 : groupe de risque des différents objets à LED testés. 235

Figure 87 : luminance pondérée pour les feux de croisement 236

Figure 88 : luminance pondérée pour les feux de route 237

Figure 89 : luminance pondérée pour les feux de jour (DRL) 238

Figure 90 : différentes inclinaisons de véhicules considérées 239

Figure 91 : durée limite d'exposition en fonction de l'âge 240

Figure 92 : durée limite d'exposition pour les différentes technologies de feux de croisement 241

Figure 93 : durée limite d'exposition pour les différentes technologies de feux de route 242

Figure 94 : durée limite d'exposition pour les différents types de système d'éclairage automobile à LED 243
Figure 95 : durée limite d'exposition en fonction de l'âge pour les feux de croisement ____ 244

Figure 96 : durée limite d'exposition en fonction de l'âge et de la technologie pour les feux de route ____ 245

Figure 97 : résultats des mesures de modulation temporelle concernant un échantillon de lampes à destination du grand public en France ____ 247

Figure 98 : résultats de mesures de la modulation temporelle effectuées par le CSTB en 2015 sur un échantillon de lampes à destination du grand public en France ____ 249

Figure 99 : résultats de mesures de modulation temporelle de lampes LED domestiques ____ 251

Figure 100 : résultats des mesures de modulation temporelle effectuées sur des luminaires à LED de bureaux de type plafonnier encastrés ____ 253

Figure 101 : résultats des mesures de modulation temporelle effectuées sur des luminaires à LED d'éclairage de rue ____ 254

Figure 102 : résultats des mesures de pourcentage de modulation obtenus dans 3 études ____ 255

Figure 103 : zones climatiques RT2012 ____ 258

Figure 104 : courbes exploitées pour considérer les différentes bandes : lumineuse, phototoxique, mélanopique et la bande spectrale rouge ____ 259

Figure 105 : exemple de cartographie d'exposition rétinienne : à gauche cartographie vue dans le champ de vision, à droite cartographie sur la rétine ____ 260

Figure 106 : quelques spectres d'éclairage utilisés ____ 260

Figure 107 : contributions des catégories d'éclairage extérieur à l'émission de lumière vers le ciel utilisées dans la ville de Flagstaff (États-Unis) ____ 277

Figure 108 : arbre du vivant : bactéries (bleu), archées (rouge), eucaryotes (marron) ____ 289

Figure 109 : structure du chloroplaste ____ 290

Figure 110 : les différents types de photorécepteurs dans le règne animal ____ 291

Figure 111 : évolution et types d'yeux chez les êtres vivants ____ 292

Figure 112 différents types d'yeux chez les invertébrés ____ 293

Figure 113 : organe pinéal des vertébrés ____ 294

Figure 114 : la vision extra-oculaire des insectes. ____ 295

Figure 115 : sensibilité spectrale des plantes. ____ 296

Figure 116 : la famille des cryptochromes et photolyases. ____ 297

Figure 117 : représentation simplifiée de trois types d'oscillateurs moléculaires ____ 297

Figure 118 : évolution des opsines ____ 299

Figure 119 : évolution des opsines et de la phototransduction et mécanismes de transduction associés ____ 300

Figure 120 : vision chromatique chez les vertébrés ____ 302

Figure 121 : vision chromatique chez les invertébrés ____ 302

Figure 122 : organisation du système circadien ____ 304

Figure 123 : le système circadien des mammifères et la sécrétion de mélatonine ____ 304

Figure 124 : processus rythmiques chez les algues et les plantes ____ 307

Figure 125 : contrôle circadien des grandes fonctions chez les mammifères ____ 308

Figure 126 : variations annuelles de certains paramètres physiologiques ____ 309

Figure 127 : variations annuelles des naissances dans la population espagnole ____ 310
Figure 128 : clarté du ciel nocturne en A et B, puis prédictions pour un passage en éclairage à LED en C. En D : estimation des surfaces non éclairées artificiellement en Europe 314

Figure 129 : éclairage de rue urbain 314

Figure 130 : éclairages dans l'environnement aquatique 317

Figure 131 : photopigments et longueur d'onde photosensible des unicellulaires et plantes terrestres 319

Figure 132 : modification de représentants des populations microbiennes dans les sédiments induites par l'ALAN en milieu aquatique naturel (a) ou en laboratoire (b) 320

Figure 133 : évaluation de l'impact de l'exposition aux LED sur la température corporelle, la taille des testicules et les taux sanguins chez le microcèbe 326

Figure 134 : écosystèmes et exemples d'interdépendances dans un écosystème aquatique (étang) en haut et terrestre en bas. L'Homme se situe au sommet des chaines alimentaires dans tous les cas 329

Figure 135 : impact des LED sur l'abondance des poissons et invertébrés sessiles dans le port de Sydney en fonction au cours du cycle de 24 h 330

Figure 136 : impact de l'éclairage nocturne par des LED sur la distribution de populations d'araignées et de coléoptères 331

Figure 137 : effet de l'éclairage LED sur les populations d'insectes pollinisateurs et les plantes concernées 332

Figure 138 : interaction proie / prédateur 334

Figure 139 : effets cumulatifs des facteurs de stress sur les populations de chauves-souris 337

Figure 140 : contrôle multifactoriel des régulations neuroendocriniennes chez les vertébrés 338

Figure 141 : la situation du saumon Atlantique Salmo salar - un cas d'école 339

Figure 142 : les étapes du cycle de vie des LED (Tähkämö, 2013) 343
# 1 Contexte, objet et modalités de réalisation de l'expertise

## 1.1 Contexte

En octobre 2010, l'Anses a publié un rapport d'expertise et un avis portant sur les effets sanitaires des éclairages utilisant des diodes électroluminescentes (LED). Ce rapport, proposait un état des lieux de l'éclairage en France, une présentation de la technologie LED, une synthèse de la normalisation sur l'éclairage et une analyse des effets sanitaires potentiels des LED principalement axée sur les effets photochimiques de la lumière bleue et sur les effets liés à l'éblouissement des éclairages à LED.

L'agence avait alors recommandé de limiter la mise sur le marché grand public aux seuls éclairages à LED appartenant à des groupes de risques inférieurs à 1²⁶ selon la norme NF EN 62471 de sécurité photobiologique des lampes et appareils utilisant des lampes. Il avait été également recommandé d'informer les consommateurs sur les groupes de risque des lampes. En ce qui concerne les effets photochimiques, l'agence avait alerté sur le fait que les valeurs limites d'exposition de la rétine à la lumière sont calculées en tenant compte des effets toxiques aigüs connus, et non d'effets cumulés sur des durées prolongées.

Depuis cette parution, le retrait programmé des lampes à incandescence (retrait étalé entre 2009 et 2012) et des lampes halogènes classiques (retrait fixé pour septembre 2018) du marché de l'éclairage a induit un fort développement des éclairages à LED augmentant ainsi l'exposition de la population à cette technologie. Aussi, les domaines d'application des systèmes à LED se sont élargis et concernent non seulement l'éclairage intérieur et extérieur, mais aussi le rétro-éclairage d'écran (téléphone portable, écrans, ..), de nombreux objets et dispositifs (jouets, objets de décoration, etc.), un nombre important d'applications professionnelles ainsi que des applications en affichage et en signalisation, etc.

Les effets sanitaires qui pourraient être liés à l'exposition à la lumière émise par les LED sont à la fois des effets liés à la lumière bleue émise (phototoxicité, perturbation des rythmes circadiens notamment) et des effets liés aux caractéristiques de cet éclairage (éblouissement, effets liés à la modulation temporelle). Ces effets sont à présent mieux documentés. Les données relatives aux effets liés à la phototoxicité sont plus nombreuses qu'en 2010 avec notamment des données expérimentales chez l'animal, liées à une exposition longue durée à la lumière bleue. Les données concernant la dérégulation de l'horloge biologique par la lumière bleue se sont également accumulées depuis 2010. Le système circadien humain, qui intervient dans l'ensemble de la physiologie humaine, est régulé par des stimuli environnementaux et des horloges endogènes internes. La lumière, qui est le principal synchronisateur de ce système, joue un rôle clé. Un excès de lumière ou un manque d'obscurité la nuit peut induire des effets sur la santé de l'Homme. Enfin, de nouvelles données sur l'éblouissement sont parues et, depuis 2015, les organismes

<footnote n="26">²⁶ Groupes de risque selon la norme NF EN 62471 : Groupe de risque RG 0 « sans risque » : la limite d'exposition n'est jamais atteinte ou est atteinte au-delà de 10 000 s d'exposition continue ; Groupe de risque RG 1 « risque faible » : la limite d'exposition est atteinte pour une durée d'exposition comprise entre 100 s et 10 000 s ; Groupe de risque RG 2 « risque modéré » : la limite d'exposition est atteinte pour une durée d'exposition comprise entre 0,25 s et 100 s ; Groupe de risque RG 3 « risque élevé » : la limite d'exposition est atteinte pour une durée d'exposition inférieure à 0,25 s.</footnote>
normatifs ont fait le point sur les effets sanitaires liés à la modulation temporelle de la lumière (fluctuation du niveau lumineux de l'éclairage potentiellement perceptible visuellement).

Dans ce contexte, la Direction générale de la prévention des risques (DGPR), la Direction générale de la santé (DGS), la Direction générale de la concurrence, de la consommation et de la répression des fraudes (DGCCRF) et la Direction générale du travail (DGT) ont saisi l'Anses, le 19 décembre 2014, afin de mettre à jour les connaissances sur les effets sanitaires potentiels liés aux systèmes utilisant des LED.

Dans ce présent rapport, l'objectif est de considérer l'ensemble des effets d'un passage à un éclairage à LED pour l'Homme mais aussi pour son environnement (faune et flore). L'Homme est en interaction perpertuelle avec son environnement et mettre en déséquilibre ce dernier peut avoir des conséquences sur l'Homme et sa santé. L'ajout ou la substitution d'une lumière artificielle à la lumière solaire naturelle doit poser la question des effets sanitaires potentiels associés en matière d'accumulation ou de modification des expositions et en matière de chronicité de ces changements.

Ce rapport tente donc de répondre à plusieurs questions :

* sur la lumière artificielle : quels sont les effets de la lumière artificielle (sur l'Homme et son environnement) à court et long terme et quel est l'état des connaissances sur ces points ? Ceci comprend différents questionnements : quels sont les effets liés à la lumière riche en bleue du spectre et les effets liés aux autres caractéristiques de l'éclairage ?

* sur la technologie LED en particulier : comment la population est exposée aux LED ? Existe-t-il des effets spécifiques liés à une exposition aux LED, sont-ils différents des autres technologies d'éclairage et lesquels sont-ils ? Quelle est la résultante d'une exposition à des sources multiples et aux LED en particulier ?

## 1.2 Objet de la saisine

Compte tenu des mutations rapides des technologies utilisant des LED, il a été demandé à l'Anses de procéder à la mise à jour de sa précédente expertise, réalisée en 2010, portant sur les effets sanitaires des systèmes d'éclairage à LED.

La demande porte sur l'évaluation des risques liés à l'exposition aux systèmes à LED pour la population générale et les professionnels, en distinguant les différents types d'application des systèmes d'éclairage ou objets en disposant (éclairage domestique, usages professionnels, phares de véhicules, jouets, écrans, etc.) et en prenant en compte des situations réelles d'exposition.

Cette évaluation doit notamment permettre de mettre en perspective les risques spécifiquement liés à la lumière bleue (potentiellement plus présente dans les LED que dans les autres systèmes d'éclairage) et les risques généraux d'éblouissement existant également avec les autres technologies d'éclairage.

Dans le cadre de ces travaux d'expertise, il était également demandé d'analyser le cadre normatif existant et de proposer des améliorations.

Enfin, il a été demandé d'examiner les éventuels risques pour l'environnement que pourraient induire ces systèmes.

Le déploiement des technologies à LED pose aussi la question des éventuelles conséquences sur la disponibilité des ressources rares utilisées pour les produire, ainsi que celle de la gestion des déchets issus des LED. Ces deux questions n'entrant pas directement dans le champ d'expertise de l'agence, elles ont été écartées du cadre de cette saisine.
## 1.3 Modalités de traitement : moyens mis en œuvre et organisation

L'Anses a confié au groupe de travail (GT) intitulé « effets sanitaires des systèmes utilisant des LED », rattaché au comité d'experts spécialisé (CES) « Agents physiques, nouvelles technologies et grands aménagements » l'instruction de cette saisine. La première réunion du groupe de travail s'est tenue en septembre 2015.

Les travaux d'expertise ont été soumis régulièrement au CES, tant sur les aspects méthodologiques que scientifiques. Le rapport produit par le groupe de travail tient compte des observations et éléments complémentaires transmis par les membres du CES.

La réalisation des travaux s'est principalement appuyée sur la synthèse et l'analyse critique des données publiées dans la littérature (articles scientifiques, rapports, etc.).

Le groupe de travail a également auditionné des experts et personnalités extérieures susceptibles d'apporter des informations et des données complémentaires utiles pour l'expertise (contexte, effets sanitaires, etc.).

Une revue des travaux réalisés par des agences ou autorités nationales dans les domaines de la sécurité sanitaire a été conduite pour connaître les travaux mis en œuvre à l'étranger et les effets sanitaires particulièrement étudiés.

Une convention de recherche et de développement (CRD) a été établie entre l'Anses et l'Institut National de la Consommation (INC) afin de procéder à une étude comparative des différents éclairages disponibles sur le marché.

Une seconde étude a été mise en place avec le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) afin de caractériser l'exposition de la population aux différents éclairages artificiels et systèmes à LED en développant notamment des scénarios d'exposition pour des populations ciblées.

Une troisième étude portant sur l'évaluation des dispositifs de protection contre la lumière bleue destinés au grand public a été menée par le CSTB.

Les travaux d'expertise du groupe de travail ont été adoptés par le CES le 23 novembre 2018.

L'expertise a été réalisée dans le respect de la norme NF X 50-110 « Qualité en expertise – prescriptions générales de compétence pour une expertise (Mai 2003) » avec pour objectif de respecter les points suivants : compétence, indépendance, transparence et traçabilité.

## 1.4 Prévention des risques de conflits d'intérêts

L'Anses analyse les liens d'intérêts déclarés par les experts avant leur nomination et tout au long des travaux, afin d'éviter les risques de conflits d'intérêts au regard des points traités dans le cadre de l'expertise.

Les déclarations d'intérêts des experts sont publiées sur le site internet de l'agence (www.anses.fr).
# 2 Évolutions technologiques des systèmes à LED et du cadre réglementaire

## 2.1 Définitions, applications et utilisation des LED en France

### Grandeurs physiques

Le Tableau 1 ci-dessous rappelle les principales grandeurs physiques utilisées dans le domaine de l'éclairage et dans ce présent rapport.

<table><caption>Tableau 1 : définition des principales grandeurs mesurées</caption><thead><tr><td>Grandeur</td><td>Unité</td><td>Descriptions</td></tr></thead><tbody><tr><td>Luminance (L)</td><td>Luminance exprimée en candela par mètre carré (cd/m²)</td><td>Quantité de lumière visible émise par une surface lumineuse ou un objet, par exemple la luminance d'un écran d'ordinateur est de 200 cd/m²</td></tr><tr><td>Éclairement (E)</td><td>Éclairement lumineux exprimé en Lux (lx)</td><td>Quantité de lumière reçue sur une surface. Exemple : 500 lux sur un bureau</td></tr><tr><td>Température de couleur (T)</td><td>Kelvin (K)</td><td>Précise la teinte d'une lumière blanche. Une lumière chaude aura une basse température (couleur qui tire sur le jaune, T < 3 000 K), une lumière froide une haute température (couleur qui tire sur le bleu, T > 5 000 K)</td></tr><tr><td>Indice de rendu de couleur</td><td>Sans unité</td><td>Capacité d'une lumière à rendre compte de la couleur des objets de manière fidèle. Une lumière très fidèle aura un IRC de 100, une lumière de qualité moyenne, un IRC inférieur à 80</td></tr><tr><td>Efficacité lumineuse</td><td>Lumen par Watt (lm/W)</td><td>Définit le rendement énergétique d'une source de lumière</td></tr></tbody></table>

### Température de couleur

Le choix d'une source d'éclairage à LED nécessite de maîtriser la notion de « température de couleur ». La température de couleur d'une lumière blanche permet de figurer sa teinte, plus ou moins chaude ou froide. Conventionnellement, la « température de couleur proximale $T_{cp}$ » d'une source de lumière blanche est la température du radiateur de Planck dont le rayonnement possède la chromaticité la plus voisine de celle de la source considérée (Norme NF X08-017, Juin 2016). Elle s'exprime en Kelvin (K).

* Une lumière blanche dont la température de couleur est inférieure à 3 000 K paraît dorée ou rosée, elle est perçue « chaude ».

* Une lumière blanche dont la température de couleur est située dans la fourchette 4 000 K à 5 500 K est perçue « neutre ».

* Une lumière blanche dont la température de couleur est supérieure à 6 000 K paraît très légèrement bleutée ; elle est perçue « froide ».

Attention, la terminologie « couleur blanc chaud » ou « couleur blanc froid » prête facilement à confusion. Plus la température de couleur augmente, plus la teinte est perçue « froide ».

La température de couleur reflète uniquement la couleur perçue de la lumière, et n'informe en rien sur son spectre ou sur sa qualité.

Les lampes à incandescence et les lampes halogènes ont une température de couleur d'environ 2 700 à 2 900 K et produisent une lumière chaude, à spectre continu et régulier.
Les lampes fluocompactes existent en plusieurs nuances de blanc, selon que la température de couleur est basse, moyenne ou élevée. Leur spectre est discontinu et présente de nombreuses raies.

Les LED blanches sont proposées dans une gamme de température de couleur donnant une grande variété de nuances de blanc. Leur spectre est continu, le plus souvent limité et bimodal.

La lumière du jour, quant à elle, présente un spectre continu (cf. figure ci-dessous), de profil caractéristique, qui varie selon l'heure de la journée, l'état du ciel et de l'ensoleillement, et la saison. La lumière en provenance du ciel, notamment au zénith, est riche en courtes longueurs d'ondes, sa température de couleur est nettement supérieure à 6 500 K. Lorsque le soleil est bas sur l'horizon, le spectre est riche en grandes longueurs d'onde et la température de couleur proche de 4 000 K. Par temps couvert, le spectre de la lumière est équilibré, la température de couleur est située entre 5 000 K et 6 500 K (cf. Figure 1).

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 1 : répartition spectrale d'énergie de la lumière du jour

Mesures du ciel en direction de l'ouest le 20/12/07 au-dessus de Paris, normalisées à 560 nm.</figcaption></figure>

Le retrait du marché des lampes à incandescence a été planifié par deux règlements européens relatifs à l'éco-conception des lampes. Le règlement (CE) 244-2009²⁷ prévoyait initialement le retrait de toutes les lampes halogènes et de toutes les lampes ayant une classe d'efficacité d'énergie inférieure à B<fnref n="28" /> pour 2016. Cette échéance a été modifiée par le

<footnote n="27">²⁷ Règlement (CE) n° 244/2009 de la Commission du 18 mars 2009 mettant en œuvre la directive 2005/32/CE du Parlement européen et du Conseil en ce qui concerne les exigences relatives à l'éco-conception des lampes à usage domestique non dirigées.</footnote>

<footnote n="28">²⁸ Les appareils sont classés en fonction de leur efficacité énergétique sur une échelle de lettres et de couleurs. Les classes énergétiques vont de A+++ (vert, le plus efficace) à D (rouge, le moins efficace).</footnote>
règlement (UE) 2015/1428 du 25 août 2015²⁹ de la Commission européenne, qui l'a décalée
au 1er septembre 2018. Comme évqoué précédemment, les domaines d'application des
systèmes à LED se sont élargis et concernent de nombreuses applications présentées dans
la partie qui suit.

## 2.1.1 Les applications des LED

Les LED sont utilisées dans divers domaines d'application tels que l'automobile, le rétro-
éclairage, l'éclairage général, la signalisation, etc. Du fait de l'évolution de cette technologie,
de nouvelles applications apparaissent comme par exemple des utilisations dans le secteur
de la santé (par exemple la luminothérapie).

Les différents types d'applications, répertoriés par le groupe de travail, sont représentés
dans la Figure 2 ci-dessous. Les pricnipales grandes catégories d'applications sont les
suivantes :

* l'éclairage (domestique, extérieur, professionnel, etc.) ;

* les usages professionnels ;

* les écrans ;

* l'automobile ;

* la signalisation ;

* la photographie ;

* la transmission de données ;

* les dispositifs médicaux ;

* Autres (objets de décoration, jouets, vêtements, chaussures, etc.).

<footnote n="29">²⁹ Règlement (UE) 2015/1428 de la Commission du 25 août 2015 modifiant le Règlement (CE) n° 244/2009 de la Commission en ce qui concerne les exigences relatives à l'écoconception des lampes à usage domestique non dirigées et le Règlement (CE) n° 245/2009 de la Commission en ce qui concerne les exigences en matière d'écoconception applicables aux lampes fluorescentes sans ballast intégré, aux lampes à décharge à haute intensité, ainsi qu'aux ballasts et aux luminaires qui peuvent faire fonctionner ces lampes, et abrogeant la directive 2000/55/CE du Parlement européen et du Conseil et le Règlement (UE) n° 1194/2012 de la Commission en ce qui concerne les exigences relatives à l'écoconception des lampes dirigées, des lampes à diodes électroluminescentes et des équipements correspondants.</footnote>
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 2 : les différents types d'applications des LED par catégorie</figcaption></figure>
L'éclairage général est le segment ayant rapporté le plus haut chiffre d'affaire en 2013 du fait du développement des ampoules et luminaires à LED. Dans le domaine de l'éclairage général, c'est le secteur de l'éclairage domestique qui est aujourd'hui le plus équipé en lampes à LED. Cependant, dans le secteur professionnel, les LED sont également de plus en plus utilisées pour les bureaux, les hôtels, les hôpitaux et les magasins. Les LED à haute luminosité constituent la technologie la plus utilisée (magasins, enseignes et extérieur).

Dans le secteur automobile, les LED sont utilisées pour l'éclairage intérieur et extérieur. Les LED à haute luminosité sont utilisées pour l'ensemble des feux (phares, feux arrière,...). Bien que ces LED à haute luminosité soient aujourd'hui les plus utilisées, les OLED (LED organiques) devraient l'être de plus en plus notamment pour l'éclairage de l'habitacle.

Le rétro-éclairage concerne les écrans d'ordinateurs, de tablettes, de téléphones mobiles et de téléviseurs. Les LED basiques peuvent également être utilisées pour ces applications, mais elles devraient être remplacées au fur et à mesure par les OLED qui ont une structure plus simple.

Au-delà de l'utilisation pour le rétro-éclairage des écrans, les LED sont utilisées pour le flash et l'affichage des appareils photo des téléphones mobiles. Les LED à haute luminosité sont couramment utilisées dans ce cas, car elles ont la capacité de produire une lumière vive avec peu d'énergie électrique. Cependant, là aussi, les OLED devraient se répandre de plus en plus.

Enfin, la signalisation est un domaine d'application important des LED.

## 2.1.2 Les différentes technologies des LED

Les données présentées dans cette section sont issus d'un rapport d'étude de la société AlliedMarket<fnref n="30" /> (2016). Les différentes technologies LED, présentées ci-après et aujourd'hui utilisées sont les suivantes :

* LED basiques ;

* LED haute luminosité (HB-LED) ;

* LED Organiques (O-LED) ;

* LED ultraviolet (UV-LED) ;

* et LED polymère.

Par ailleurs, les applications sont subdivisées comme suit :

* éclairage intérieur domestique ;

* éclairage d'ambiance ou décorative (intérieur) ;

* éclairage intérieur professionnel ;

* éclairage de sécurité ;

* éclairage scénographique ;

* éclairage extérieur ;

* usages professionnels autres que l'éclairage ;

* éclairage portatif et mobile ;

* rétro-éclairage d'écrans ;

* automobile ;

* affichage et signalisation ;

* photographie ;

<footnote n="30">³⁰ https://www.alliedmarketresearch.com/LED-light-emitting-diode-market</footnote>
* aide à la lecture ;

* transmission de données ;

* dispositif esthétique, médical ou paramédical ;

* Autres applications moins décrites.

## LED basiques

Les LED basiques sont sur le marché depuis un long moment. Ce type de LED a un nombre d'applications limité. La simplicité de son installation constitue le principal avantage de cette technologie. Leur taille est comprise entre 3 et 4 mm l'intensité qu'elles peuvent porter va de 15 à 25 mA.

Elles sont principalement utilisées dans la signalisation et l'éclairage. On les retrouve également dans les claviers de téléphone mobile et le rétro-éclairage des écrans, qui ne nécessitent pas l'emploi de hautes luminosités.

Ce type de LED pourraient se développer dans l'éclairage général, puis dans l'automobile. En revanche en ce qui concerne le marché du rétro-éclairage, les LED basiques vont être de moins en moins utilisées au profit des LED organiques qui présentent une meilleure efficacité.

## LED à haute luminosité (HB LED)

Les LED à haute luminosité sont présentes sur le marché depuis environ une dizaine d'années. En raison de la diminution de son prix mais aussi de sa capacité à générer différentes couleurs, cette technologie est largement utilisée dans l'affichage. Les LED à haute luminosité offrent une luminance de 5 à 30 lm, quand certaines « à ultra haute luminosité » peuvent aller jusqu'à 100 lm.

Elles sont utilisées dans diverses applications comme les téléphones mobiles, les panneaux d'affichage et l'automobile. En raison de leur forte luminosité, ces LED sont également utilisées en signalisation et signalétique routière.

## LED Organique (OLED)

Même si elles reposent sur le même principe de fonctionnement que les LED classiques, les LED organiques (OLED) s'avèrent différentes en de nombreux points, ce sont notamment des sources plus étendues (non ponctuelles).

Le fonctionnement des OLED repose sur le même principe que celui des LED, c'est à dire sur le phénomène d'électroluminescence. La diode est formée à partir de semi-conducteurs, mais contenant de l'oxygène, du carbone, de l'hydrogène et des atomes d'azote, c'est pour cela que l'on parle de LED organique. L'émission de lumière résulte de l'injection de charges électriques dans une couche de matière organique. À l'intérieur de la couche émettrice, un couple électron-trou est à l'origine de l'émission d'un photon.

La structure de base d'une OLED comporte quatre couches :

* le substrat transparent en plastique (PET) ou en verre : c'est le support de la diode ;

* l'anode transparente crée les défauts d'électrons (les trous) lors du passage du courant électrique : elle est faite d'oxyde d'indium-étain (ITO) ;

* la cathode métallique constitue la couche émettrice d'électrons : elle est composée principalement de métaux comme l'aluminium, le calcium ou le magnésium ;

* la couche conductrice organique prise entre l'anode et la cathode.

La flexibilité de ces matériaux permet notamment de les utiliser pour la construction d'un écran souple.

Cette technologie est utile pour la création d'affichages numériques pour différentes applications comme la télévision ou les téléphones mobiles. Par rapport aux télévisions utilisant la technologie LCD / LCD LED, un modèle OLED ne nécessite pas de rétro-
éclairage de la dalle, ce qui permet notamment de réduire l'épaisseur de l'écran tout en optimisant la qualité du rendu des couleurs.

Pour le moment, le développement des OLED est limité en raison du faible rendement de ces diodes, elles présentent environ 20 à 50lm/W contre 90 à 100lm/W pour les autres technologies.

Cette technologie est reconnue comme étant plus légère et plus fine que les LED classique ou les systèmes LCD et ne nécessite pas de rétro-éclairage.

## LED ultraviolet (UV-LED)

Comme le nom de cette technologie l'indique, la lumière émise par les UV-LED est dans l'ultraviolet, non visible. Les UV-LED sont notamment utilisées pour remplacer d'anciennes technologies utilisant du mercure pour leur rayonnement en UV.

Les UV-LED ont un nombre d'applications limité : il est possible d'évoquer les capteurs optiques, la vérification d'identité, les codes-barres, la stérilisation de surfaces ou de l'eau, la détection de fluides corporels, la médecine légale, la détection de drogues, etc.

Le marché actuel est guidé par la sécurité de cette technologie comparée aux lampes à mercure utilisées pour générer la lumière UV.

L'automobile pourrait également utiliser cette technologie dans les prochaines années, par exemple pour le séchage de peintures UV pour les carrosseries.

## LED Polymère (PLED)

Les LED polymères (PLED) sont principalement développées en utilisant un semi-conducteur inorganique. Cette technologie est encore à l'étape de la recherche et du développement dans les différentes régions du monde.

Il s'agit d'une technologie émergente qui possède une plus grande flexibilité et une plus grande résistance. Les LED polymères peuvent être utilisées afin de former des films transparent conducteur, dont les applications peuvent se retrouver en affichage électronique, dans le but d'augmenter la flexibilité. Cette technologie pourrait être utilisée dans les hôpitaux en tant que source lumineuse pour le matériel micronisé, ou pour les ordinateurs, tablettes et téléphones mobiles.

En 2013, l'application qui a généré le plus de revenus est l'affichage pour la téléphonie mobile. Avec l'augmentation de la fabrication d'écrans flexibles, le marché va s'accélérer. Cependant, le secteur qui devrait utiliser de plus en plus de lampes à LED est celui de l'automobile.

### 2.1.3 Utilisation des LED en France

La consommation annuelle d'énergie liée à l'éclairage en France est de 56 TWh (Ademe, 2017), soit plus de 10 % de la consommation nationale totale d'électricité. L'éclairage représente 19 % de la consommation électrique mondiale et environ 6 % des émissions de gaz à effet de serre (Ademe, 2017).

Le chiffre d'affaire de l'éclairage domestique en France a évolué de 288 millions (M) d'euros en 2007, il atteint 432 M€ en 2012, alors même que les volumes de ventes chutent de 7,3 % sur la même période : 114 M de pièces en 2012 pour 180 M en 2008 (source : Gfk).

Cela reflète la modification du marché : la durée de vie des lampes ayant augmenté, mécaniquement les ventes ont baissé ; le prix moyen a cependant augmenté : si le consommateur trouvait auparavant des ampoules à incandescence à moins de 1 €, depuis l'arrêt de leur commercialisation, les modèles (halogènes) les moins chers avoisinent les 3 € (pour un prix moyen de 5 €).

Les 114 M de pièces écoulées en 2012 se répartissaient de la sorte :

* LED : 9,3 % ;

* Fluo-compactes : 31,5 % ;
* **Halogènes** : 48,2 %.

La part des LED dans l'éclairage domestique en France est plus faible qu'en Europe. Le faible coût de l'électricité française minimiserait le retour sur investissement et les consommateurs se tourneraient plus volontiers vers des technologies moins coûteuses à l'achat.

Comme l'illustre la figure ci-dessous, les LED existent désormais sous toutes les formes (cf. Figure 3 et Figure 4), avec des angles de diffusion réduit ou large.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 3 : différentes formes de lampes à LED</figcaption></figure>

De même, elles existent montées sur tous types de culots :

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 4 : différents types de culots de lampes à LED</figcaption></figure>

Selon une étude de marché réalisée par l'Institut national de la consommation (INC, 2016), il existe 14 marques principales d'éclairage à LED commercialisées en France. Le prix moyen des ampoules à LED est de 11 euros ; le flux lumineux le plus proposé est de 470 lm (pour une puissance électrique équivalente de 4 W), plus de 80 % de l'offre correspond à des lampes de couleur chaude, et les lampes à culot à vis E27 sont les plus vendues.

## 2.2 Caractérisation de lampes pour l'éclairage domestique

Une campagne de mesure visant à comparer les caractéristiques physiques des lampes à LED à d'autres technologies d'éclairage disponibles sur le marché français (lampes fluocompactes, lampes halogènes) a été financée par l'Anses, l'Ademe (Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie) et l'INC. Un échantillon de 7 lampes
halogènes, 7 lampes fluocompactes et 10 lampes à LED, couvrant ainsi les différentes
technologies d'éclairage domestique disponibles sur le marché, a été constitué<fnref n="31" />.

La température de couleur, la luminance, l'indice de rendu de couleur et l'efficacité lumineuse ont été mesurés. Les résultats de ces tests sont présentés ci-dessous.

## Température de couleur

Les LED de l'échantillon testé présentent des températures de couleur inférieures à 3 000 K, sauf pour deux d'entres elles, beaucoup plus froides, entre 6 000 et 7 000 K (cf. Figure 5). Les résultats montrent que les températures de couleur des lampes à LED disponibles sur le marché semblent désormais moins froides qu'auparavant et que le pic de lumière bleue tend à diminuer en intensité relative par rapport au reste du spectre. En effet, en 2010, les données recensées lors de l'expertise sur les risques liés aux éclairages à LED montraient que la température de couleur des lampes à LED était dans la plupart des cas froide (Anses, 2010).

Les lampes halogènes testées présentent elles, par nature, des lumières « chaudes ».

Les lampes fluocompactes présentent autant de lumières « froides » que de lumières « chaudes ».

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 5 : température de couleur des lampes testées (échantillon pour Anses, Ademe, INC)</figcaption></figure>

## Luminance

La luminance, mesurée en vision directe d'une source lumineuse à courte distance, exprimée en cd/m², permet d'évaluer le niveau d'éblouissement que peut provoquer cette source de lumière. Les lampes à LED testées présentent des niveaux de luminance assez disparates, certaines étant très éblouissantes, notamment dans les spots à LED.

Les lampes halogènes sont, elles, souvent éblouissantes, alors que les lampes fluocompactes le sont moins (cf. Figure 6).

<footnote n="31">³¹ Les références incluent des lampes dirigées (de type « spot ») et non-dirigées (de type « ampoule ») ; les lampes ne sont pas équipées de contrôle électronique de variation de couleur ou de flux ; les lampes émettent de la lumière blanche et, pour la plupart, de teinte dite chaude ; dans l'échantillon distributeurs se retrouvent 10 références de marques nationales, 8 références d'enseigne de bricolage, 6 marques de distributeurs.</footnote>
<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 6 : luminance maximale des lampes testées</figcaption></figure>

## Indice de rendu de couleur

L'indice de rendu de couleur représente la capacité d'une lumière à rendre compte d'une couleur de manière fidèle. Un IRC égal à 100 désigne une lumière optimale, et il est admis qu'un IRC est jugé acceptable au-dessus de 80. Les lampes à LED ne sont pas encore à ce jour au niveau des lampes halogènes, dont les IRC avoisinent 100, mais présentent des performances similaires aux lampes fluocompactes, avec des IRC mesurés parfois au-dessus de 80. L'une d'entre elles a été mesurée à 91 (cf. Figure 7).

Par rapport à la précédente expertise de l'Anses (Anses 2010), la technologie à LED propose aujourd'hui une couleur de lumière de meilleure qualité.

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 7 : indice de rendu de couleur des lampes testées</figcaption></figure>

## Efficacité lumineuse

L'efficacité lumineuse exprimée en lm/W est toujours plus favorable pour les technologies à LED. Les lampes halogènes ont une efficacité lumineuse allant de 8 à 14 lm/W (11 lm/W en moyenne). Les lampes fluocompactes ont une efficacité lumineuse allant de 47 à 70 lm/W (62 lm/W en moyenne). Les LED ont une efficacité lumineuse allant de 70 à 113 lm/W (87 lm/W en moyenne).

## Groupe de risque photobiologique

Le groupe de risque photobiologique (cf. rapport Anses 2010) des différentes lampes de l'échantillon a été déterminé selon la procédure technique décrite dans la norme NF EN 62471 de sécurité photobiologique (voir 2.3.2).
Les groupes de risques photobiologiques mesurés sont tous soit égal à 0 (sans risque), soit inférieur à 1 (risque faible) (cf. Figure 8). En 2010, certaines des LED testées par l'Anses et accessibles au grand public avaient été classées dans le groupe de risque 2 (risque modéré).

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 8 : groupe de risque photobiologique des lampes testées</figcaption></figure>

## Modulation temporelle de la lumière

La modulation temporelle de la lumière à 100 Hz est toujours mesurable sur les lampes halogènes et lampes fluocompactes mais son taux de modulation est toujours inférieur à 8 % (d'après la recommandation de l'IEEE<fnref n="32" /> P1789 (2015), le risque sanitaire est considéré comme faible si le pourcentage est inférieur à 8 %). Les résultats pour la technologie LED sont très disparates, avec des LED qui ne présentent aucune modulation et d'autres qui présentent des pourcentages de modulation élevés, entre 15 et 25 % (cf. Figure 9).

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Figure 9 : pourcentage de modulation temporelle des lampes testées</figcaption></figure>

## Émission de champs électromagnétiques

Les lampes halogènes n'émettent pas de champ électromagnétique autre que celui lié au passage du courant (50 Hz) dans le filament.

<footnote n="32">³² IEEE : *Institute of Electrical and Electronics Engineers* – Institut des ingénieurs en électricité et électronique.</footnote>
L'exposition aux champs électromagnétiques émis par la plupart des lampes à LED testées est négligeable, seules deux lampes émettent un champ électrique d'environ 6 V/m à 82 kHz pour l'une et d'environ 3 V/m à 110 kHz pour l'autre, à une distance de 30 cm.

Les lampes fluocompactes émettent, elles, des champs électromagnétiques dans une bande de fréquence située entre 40 et 45 kHz à des intensités toujours inférieures à 15 V/m à la distance de 30 cm, pour le champ électrique. Ces niveaux d'exposition sont très inférieurs aux valeurs limites d'exposition (pour la population générale) recommandées par la Commission européenne (Recommandation de l'Union européenne n° 1999/519/CE).

## 2.3 Évolutions normatives et réglementaires

Depuis la parution en 2010 du rapport d'expertise de l'Anses sur les LED, de nouvelles normes, ou des compléments de normes existantes, ont été publiés en lien avec des volets sanitaires. La synthèse présentée ci-dessous reprend les principales évolutions des recommandations, normes et réglementations portant sur quatre catégories d'effets sanitaires : éblouissement, sécurité photobiologique (endommagement de la rétine par la lumière bleue), effets de la modulation temporelle et effets non-visuels.

### 2.3.1 Concernant l'éblouissement

Les normes concernant l'éblouissement n'ont pas évolué depuis 2010. L'industrie de l'éclairage utilise les mêmes indices normatifs d'éblouissement définis par la Commission internationale de l'éclairage (CIE). Ces indices sont l'UGR (Unified Glare rating) en éclairage intérieur, le TI (Threshold increment) et le GR (Glare rating) en éclairage extérieur. Les conditions d'application de ces indices ne sont pas toujours satisfaites pour les LED, notamment lorsqu'une lampe ou un luminaire est composé d'un module LED de petite taille ou d'une matrice de LED. L'indice UGRsmall introduit par la CIE en 2002, qui peut être utilisé dans le cas de l'éblouissement par des petites sources, n'est pas entré dans les normes et n'est pas utilisé par l'industrie, bien qu'il semble adapté à certains types de luminaires et lampes à LED. Le cas de l'éblouissement crée par des matrices de LED fait l'objet de travaux à la CIE depuis 2013 et n'a pas encore abouti à des recommandations.

La limitation de l'éblouissement est un des aspects fondamentaux de la conception des installations d'éclairage et a toujours figuré dans les normes d'éclairagisme. Les normes européennes d'éclairagisme concernent l'éclairage professionnel (lieux de travail, espaces publics, installation sportives). Les recommandations en matière de limitation de l'éblouissement au sein de ces normes sont toujours exprimées sur la base des indices UGR, TI et GR. En France, la norme d'ergonomie visuelle (NF X 35-103), remise à jour en 2016, est adaptée à l'éclairage des lieux de travail intérieurs par des LED. Les recommandations de limitation de l'éblouissement sont exprimées en matière de contrastes de luminance et prennent en compte de nombreux facteurs comme l'âge ou la tâche visuelle.

La seule réglementation française concernant l'éblouissement produit par l'éclairage général est l'article R4223-8 du Code du Travail concernant les obligations de l'employeur à propos de l'éclairage des lieux de travail. Une disposition impose de limiter l'éblouissement et la fatigue visuelle des travailleurs, provoqués par des surfaces à forte luminance ou par des rapports de luminance trop importants entre surfaces voisines. Aucun critère quantitatif n'est cependant donné.

### 2.3.2 Concernant la sécurité photobiologique (risque pour la rétine lié à l'exposition à la lumière bleue)

*Valeurs limites d'exposition*
De nouvelles recommandations de la Commission internationale pour la protection contre les rayonnements non ionisants, l'Icnirp<fnref n="33" />, sur les rayonnements optiques visibles et infrarouges ont été publiées en 2013. Les évolutions sont mineures en ce qui concerne le risque rétinien lié à la lumière bleue, qui reste le seul risque photobiologique associé aux LED dans la liste des risques définis par ces recommandations. Les valeurs limites d'exposition à la lumière bleue, proposées en 1997, sont inchangées et concernent une exposition aiguë (exposition unique, continue et prolongée). Au regard des connaissances actuelles, les valeurs limites d'exposition ne permettent pas d'évaluer le risque de phototoxicité lié à une exposition chronique quotidienne. Cela n'exclut donc pas que des expositions répétées et prolongées puissent induire, à long terme, un risque cumulé potentiellement supérieur à celui évalué sur la base des valeurs limites actuelles. Par ailleurs, les valeurs limites sont basées sur un diamètre pupillaire de 3 mm. Or la diminution du réflexe de contraction pupillaire (quand la pupille est dilatée), lorsque la lumière a une faible excitation mélanopique, ce qui est le cas des LED, n'est pas prise en compte par l'Icnirp. L'Icnirp définit néanmoins une population sensible à la lumière bleue de courte longueur d'onde : les aphaques, les pseudophaques ainsi que les enfants de 2 ans et moins. Un spectre d'action spécifique (courbe A définie dans la norme NF EN 62471) est recommandé par l'Icnirp pour évaluer l'exposition de cette population. On note néanmoins que la maturation du cristallin, qui n'est pas achevé à 2 ans, se poursuit jusqu'à l'âge adulte.

## Textes normatifs

Les normes de sécurité photobiologique, comme la norme NF EN 62471, sont également alignées avec les recommandations de l'Icnirp et se réfèrent donc aux valeurs limites proposées par cet organisme. Ces normes proposent une classification des lampes en groupes de risque : RG0 : « sans risque », RG1 : « risque faible », RG2 : « risque modéré ». Elles ne prennent pas en compte des situations d'exposition particulières (par exemple expositions chroniques répétées), ni les personnes sensibles (pas de prise en compte de courbe de sensibilité des enfants à la lumière bleue recommandée par l'Icnirp, pas de prise en compte de pathologies oculaires).

Depuis l'expertise réalisée par l'Anses en 2010, le rapport technique IEC TR 62778:2014 a été publié par l'IEC pour que les industriels puissent mieux évaluer le groupe de risque photobiologique dans le cas de la lumière bleue. Ce document est utile pour les fabricants puisqu'il définit un protocole très précis d'évaluation, basé sur une mesure à 200 mm de distance, associé à des limites de luminance et d'éclairement protectrices pour qu'un produit soit classé en groupe de risque 0 ou 1. Il remplace la notion de groupe de risque 2 par les notions d'éclairement seuil et de distance, seuil correspondant à la frontière entre les groupes de risques 1 et 2. Des conditions de transfert de groupe de risque entre composant et produit final sont données.

Le rapport technique IEC TR 62778:2014 a acquis une valeur normative et réglementaire puisqu'il est référencé comme méthode de base dans les normes de sécurité des produits d'éclairage général (lampes et luminaires), normes attestant une conformité avec la directive Basse tension (norme harmonisée). Depuis 2015, toutes les normes européennes relatives à la sécurité des produits d'éclairage à LED incluent des exigences de sécurité photobiologique, afin de limiter les effets possibles du rayonnement sur l'œil et la peau. Des prescriptions obligatoires de limitation et d'affichage de sécurité photobiologique (pour les luminaires appartenant au groupe de risque 2) pour les lampes et luminaires d'éclairage général sont formulées dans ces normes. Les lampes destinées à cet usage doivent appartenir aux groupes de risque « 0 illimité » ou « 1 illimité » (l'association de plusieurs lampes dans un luminaire ne modifie pas le groupe de risque associé au luminaire). Les

<footnote n="33">³³ International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection – Commission de protection contre les rayonnements non ionisants.</footnote>
luminaires classés dans le groupe de risque 2 doivent être associés à un marquage de la
distance seuil et à la mention « ne pas regarder fixement la source ».

Textes réglementaires

En ce qui concerne la population générale, la Directive basse tension (2014/35/UE) a pour
objectif de garantir que le matériel électrique se trouvant sur le marché satisfait aux
exigences garantissant un niveau élevé de protection de la santé et de la sécurité des
personnes. Lorsque ces conditions sont remplies, les fabricants établissent une déclaration
de conformité et apposent le marquage CE. Le matériel électrique conforme à des normes
harmonisées de l'Union européenne est présumé conforme aux objectifs de sécurité de la
Directive basse tension.

Dans l'éclairage automobile (feux extérieurs), il n'existe pas de prescriptions de sécurité photobiologique visant à limiter l'émission ou l'exposition des personnes. Il existe à présent dans l'éclairage automobile une technologie basée sur l'utilisation de laser. L'évaluation de ces projecteurs est susceptible de donner des résultats très différents selon la norme utilisée (norme laser ou norme de sécurité photobiologique). Il est nécessaire d'utiliser les deux normes pour l'évaluation des niveaux d'émission de ces sources.

Le domaine des éclairages portatifs (lampes torches, lampes frontales) reste en-dehors des normes de sécurité des produits d'éclairage général. Ils utilisent pourtant des sources LED pouvant atteindre des niveaux de flux très élevés.

Le cas des jouets intégrant des LED n'est pas suffisamment couvert par la Directive européenne sur la sécurité des jouets (2009/48/CE), car elle fait référence, pour les risques liés à la santé, à la norme de sécurité laser (IEC 608251-1), inadaptée aux éclairages à LED car ne considérant pas la sensibilité plus élevée des enfants à la lumière bleue.

La directive européenne ROA de 2006³⁴ concernant l'exposition des travailleurs aux rayonnements optiques artificiels inclut le risque lié à l'exposition à la lumière bleue. Pour ce risque particulier, elle est alignée sur les précédentes recommandations de l'Icnirp. En France, la directive ROA a été transposée par décret en 2010³⁵. Un arrêté publié en 2016³⁶ définit les modalités d'évaluation de risque, en s'appuyant sur des normes européennes d'exposition des personnes aux rayonnements optiques.

2.3.3 Concernant la modulation temporelle de la lumière

Jusqu'à 2015, il n'existait que des normes anciennes et incomplètes décrivant les
phénomènes liés à la modulation temporelle de la lumière. De nouvelles normes et
documents techniques ont été élaborés ou remis à jour par la plupart des organismes de
normalisation depuis 2015.

Le papillotement

<footnote n="34">³⁴ Directive 2006/25/CE du Parlement européen et du Conseil du 5 avril 2006 relative aux prescriptions minimales de sécurité et de santé relatives à l'exposition des travailleurs aux risques dus aux agents physiques (rayonnements optiques artificiels) (dix-neuvième directive particulière au sens de l'article 16, paragraphe 1, de la directive 89/391/CEE).</footnote>

<footnote n="35">³⁵ Décret n° 2010-750 du 2 juillet 2010 relatif à la protection des travailleurs contre les risques dus aux rayonnements optiques artificiels.</footnote>

<footnote n="36">³⁶ Arrêté du 1er mars 2016 relatif aux modalités de l'évaluation des risques résultant de l'exposition aux rayonnements optiques artificiels en milieu de travail.</footnote>
Dans ces documents récents, le papillotement<fnref n="37" /> (flickering en anglais) est l'effet le mieux décrit et les indices relatifs à ce phénomène sont très bien établis. En éclairage intérieur, l'indice de visibilité du papillotement (PstLM) est très bien adapté à la quantification de cet effet pour des lampes et des luminaires. Il repose sur des bases scientifiques solides et sa définition est bien établie. Par contre, le domaine de validité de l'indice PstLM est très limité. Ainsi, cet indice n'est pas bien adapté à décrire la visibilité du papillotement des grandes surfaces éclairées par des sources de lumière modulée : plans de travail, murs, plafonds, etc. En vision périphérique, la résolution spatiale du système visuel est plus faible. Pour que le papillotement soit visible, il doit provenir de sources ou de surfaces de plus grande taille. De plus, en vision périphérique, la fréquence critique de fusion<fnref n="38" /> est inférieure. Par contre, la sensibilité aux contrastes est plus élevée en vision périphérique qu'en vision centrale. Par conséquent, la visibilité du papillotement de grandes surfaces observées en vision périphérique (écrans, luminaires, plans de travail éclairés par des lumières modulées, etc.) peut paraître plus importante qu'en vision centrale. L'indice PstLM n'est donc pas adapté pour décrire la visibilité du papillotement en vision périphérique.

La fréquence critique de fusion est plus faible en condition de faible éclairement. Ainsi, le papillotement perçu avec des anciennes générations de lampes à décharge en éclairage public n'a jamais été un sujet de controverses, alors que la modulation temporelle de la lumière émise était largement supérieure à celle des lampes utilisées en éclairage intérieur. Les indices de papillotement actuels comme le PstLM ne sont pas adaptés à l'éclairage extérieur en condition de faible éclairement. Il n'existe actuellement pas d'indice dans ce domaine, et a fortiori pas de limite définie.

## L'effet stroboscopique

La prise en compte de travaux de recherche récents sur l'effet stroboscopique a permis de normaliser un nouvel indice décrivant sa perception lors de mouvements de la main. Il s'agit de l'indice SVM de perception de l'effet stroboscopique qui a été introduit en 2014 et a été rapidement adopté dans la normalisation après 2015. Il manque cependant des études pour valider cet indice, notamment dans d'autres conditions expérimentales que le travail de bureau et le mouvement de la main.

## Effet de réseau fantôme

L'effet de réseau fantôme (phantom array effect) est une modification de la forme ou de la position d'un objet induit par la modulation de la lumière pour un observateur non statique dans un environnement statique. L'effet de réseau fantôme apparaît notamment lorsque l'œil effectue une saccade visuelle<fnref n="39" /> en présence d'une source de lumière modulée dans le champ de vision.

Il n'existe actuellement pas de normes concernant l'effet de réseau fantôme, néanmoins cet effet été décrit par la CIE et l'IEEE.

## Effets sanitaires associés à la modulation temporelle de la lumière

### Au niveau international

<footnote n="37">³⁷ Le papillotement est la perception du contraste temporel produit par une source lumineuse immobile émettant de la lumière modulée et placée dans le champ de vision d'un observateur statique.</footnote>

<footnote n="38">³⁸ Lorque l'œil est stimulé par une succession de lumières brèves, il ressent tout d'abord le papillotement, puis, avec l'élévation de la fréquence, il éprouve l'impression d'une luminance stable. La fréquence à laquelle l'œil perçoit une luminance stable est appelée fréquence critique de fusion.</footnote>

<footnote n="39">³⁹ Une saccade oculaire est un bref et rapide mouvement des yeux entre deux positions stables (vitesse variant de 400 à 800 °/s et durée inférieure à 50 ms).</footnote>
Certains indices ont été construits pour tenter d'agréger les effets visibles (liés à la perception) et les effets sanitaires de la modulation temporelle (indice NM de IEEE 1789, indice CFD de DerLichtPeter par exemple). Aucune étude n'a été menée pour valider ou invalider cette approche globale des phénomènes.

Les normes de sécurité et de performance des produits LED n'incluent à l'heure actuelle aucune limitation de la modulation temporelle de la lumière émise. De plus, les normes relatives aux dispositifs de contrôle et de commande des lampes et luminaires ne garantissent pas la compatibilité et le bon fonctionnement de ces produits avec les systèmes à LED.

La seule norme qui émet des recommandations précises destinées à protéger la santé humaine est la norme américaine IEEE 1789 publiée en 2015. Les recommandations reposent sur une expertise sanitaire incluant des analyses de risques. Cependant, les valeurs limites de cette norme sont fortement contestées par l'industrie car elles lui paraissent trop exigeantes.

Il existe actuellement des lacunes dans les documents normatifs en ce qui concerne les mesures physiques de la modulation temporelle de la lumière. Les conditions de mesures ne sont pas toutes précisées, notamment en ce qui concerne la mesure de la forme d'onde. Il s'agit notamment des fréquences d'échantillonnage des signaux, de la bande passante des équipements, de la géométrie de la mesure, des paramètres et des méthodes utilisés pour effectuer l'analyse spectrale de la forme d'onde (décomposition en composantes fréquentielles de Fourier). L'application numérique des formules de calcul des différents indices mériterait également d'être mieux décrite dans les normes.

Au niveau européen

En ce qui concerne la réglementation européenne, aucun règlement ne fournit à l'heure actuelle de limitation de la modulation temporelle de la lumière des lampes et des luminaires.

Au niveau français

La seule réglementation française concernant la modulation temporelle de l'éclairage général est l'Article R4223-8 du Code du Travail concernant les obligations de l'employeur à propos de l'éclairage des lieux de travail. Une disposition impose que les phénomènes de fluctuation de la lumière ne doivent pas être perceptibles ni provoquer d'effet stroboscopique. Aucun critère quantitatif n'est donné.

### 2.3.4 Concernant les effets non-visuels

Un effort important a été entrepris par les industriels de l'éclairage pour introduire dans la normalisation les connaissances concernant le système de sensibilité non-visuelle de l'Homme à la lumière, reposant sur l'excitation des cellules ganglionnaires à mélanopsine de la rétine. Ainsi, une courbe de sensibilité de ces cellules a été « normalisée ». Il s'agit de la courbe d'excitation mélanopique, ayant une forme en cloche avec un maximum à 490 nm (note technique de la CIE TN-003 : 2015).

Il n'existe actuellement aucune réglementation portant sur les effets non visuels de la lumière, sauf pour les lampes utilisées en luminothérapie, couvertes par la réglementation relative aux dispositifs médicaux. La technologie LED a en effet remplacé les sources fluorescentes dans les lampes utilisées en luminothérapie.

Au-delà de la luminothérapie, la prise en compte des effets non-visuels de la lumière dans la normalisation a été entreprise par l'industrie pour soutenir le développement commercial de nouvelles offres de produits d'éclairage général basés sur la variation de l'excitation mélanopique. Ces produits sont qualifiés d'éclairages « biodynamiques » en France, une traduction du terme anglais « human-centric lighting ».

La CIE a émis officiellement des réserves en 2015 (CIE statement on non visual effects of light) contre les revendications abusives de l'éclairage dit « biodynamique » (revendications sanitaires non fondées, efficacité et effets indésirables non évalués). Le corpus actuel de
publications scientifiques, examinées par la CIE, ne permet pas de valider à ce jour l'efficacité de cet éclairage « biodynamique » et les bienfaits revendiqués par les industriels et les installateurs. En effet, les variables impliquées dans les mécanismes neuro-physiologiques liés à l'excitation lumineuse et à son influence sur les rythmes circadiens, les performances visuelles, le sommeil et d'autres fonctions métaboliques sont nombreuses, complexes, corrélées et dépendantes des individus. La CIE a souligné l'importance de paramètres tels que le moment de l'exposition, les doses, l'historique des expositions lumineuses antérieures, la phase de l'horloge biologique de l'individu, etc. Parmi les nombreux aspects qui sont à l'heure actuelle mal compris et font l'objet de recherches fondamentales, on peut notamment citer les couplages entre les photorécepteurs participant à la vision et les cellules ganglionnaires à mélanopsine.
# 3 Effets des lumières riches en lumière bleue et des systèmes à LED sur la santé humaine

## 3.1 Expertises internationales

Une revue des travaux menés et publiés par des organismes au niveau national et international a été effectuée. Cette revue a permis de prendre connaissance des travaux existants et de comparer les positions internationales sur chaque aspect de la question des effets sanitaires associés à une exposition aux LED. À la date de fin de prise en compte de la bibliographie (avril 2018), 9 avis ou rapports avaient été publiés depuis 2010 ou étaient en cours. Une description succincte des positions rendues publiques à ce jour portant sur les LED et les effets sanitaires associés est proposée ci-dessous.

### 3.1.1 Comités scientifiques de la commission européenne (Scenihr et Scheer)

Un avis du Comité scientifique européen sur les effets sanitaires émergents et nouvellement identifiés<fnref n="40" /> (Scenihr, 2012) portant sur les effets sanitaires des éclairages artificiels a été publié en 2012. Cet avis faisait le point sur les premières données concernant la thématique des éclairages artificiels. Le rapport mettait l'accent sur les effets sanitaires des lampes fluocompactes en évaluant le risque associé aux ultraviolets. Le sujet des effets sanitaires des LED était brièvement abordé.

Le Scheer, le Comité scientifique européen de la santé, de l'environnement et des risques émergents<fnref n="41" />, a poursuivi ses travaux sur les LED et a mis en consultation publique, en juillet 2017, un avis préliminaire portant sur les effets potentiels sur la santé humaine des LED. La publication de l'avis et du rapport final a eu lieu le 12 juillet 2018. Le Scheer précise qu'il n'existe pas de preuve d'effet direct lié à l'exposition aux LED dans le cas d'utilisation en conditions normales par la population générale. Il rappelle que les études disponibles chez l'animal (in vivo et in vitro) montrant des effets sanitaires avaient été réalisées dans des conditions d'exposition non réalistes (forts niveaux). En ce qui concerne la perturbation des rythmes biologiques, le Scheer classe en niveau de preuve faible la perturbation circadienne en lien avec l'exposition aux LED la nuit y compris aux écrans. Il attire cependant l'attention sur la question des effets à long terme, en recommandant de plus amples travaux sur le sujet.

### 3.1.2 Institut fédéral allemand pour la sécurité et la santé au travail (BAuA)

Le rapport de l'Institut fédéral allemand pour la sécurité et la santé au travail publié en 2013 (BAuA, 2013) n'est disponible qu'en allemand, mais un résumé en anglais est proposé en début de rapport. Il y est décrit une campagne de mesures visant à déterminer le groupe de risque relatif à la phototoxicité selon la norme DIN EN 62471:2009 pour un échantillon de lampes à LED émettant majoritairement dans le spectre visible. Seules 2 LED émettant dans les domaines de l'ultraviolet et de l'infrarouge ont été testées.

<footnote n="40">⁴⁰ Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks – Comité scientifique européen des risques sanitaires émergents et nouvellement identifiés.</footnote>

<footnote n="41">⁴¹ Scientific Committee on Health, Environmental and Emerging Risks – Comité scientifique européen des risques pour la santé, l'environnement et émergents, anciennement Scenihr.</footnote>
En ce qui concerne les effets photochimiques sur la rétine, les LED examinées ne dépassaient pas le groupe de risque 2. L'échantillon était composé de 34 lampes à LED, 3 lampes torches à LED, 5 lampes à LED et un reflecteur à LED. Aucun des systèmes ne dépassait les valeurs limites d'exposition de l'Icnirp pour les risques liés aux brûlures thermiques de la rétine. Le risque prédominant dans le spectre visible est bien le risque photochimique. Presque toutes les LED qui dépassaient les valeurs limites pour le groupe de risque 0 étaient des LED blanches ou des LED bleues (à l'exception d'une LED verte). Pour certaines LED, le temps maximal d'exposition admissible n'excédait pas 10 secondes. Il est indiqué que dans certains milieux de travail (employés dans l'industrie des LED, installateurs des systèmes d'éclairages, acteurs au théâtre, éclairagistes, etc.), la multi-exposition à différents systèmes à LED peut entraîner un dépassement rapide de ce temps maximal admissible de 10 secondes.

### 3.1.3 Institut national de la santé publique et de l'environnement des Pays Bas (RIVM)

L'institut national de la santé publique et de l'environnement des Pays-Bas a publié un premier rapport en 2014 (RIVM, 2014) sur les effets sur la santé des nouvelles sources de lumière.

Il est constaté dans ce rapport que les tablettes, les smartphones, les téléviseurs à LED, les éclairages à LED et d'autres produits similaires produisent plus de lumière bleue que les sources d'éclairages plus traditionnelles. Selon les auteurs, ces appareils semblent influencer notre horloge biologique lorsqu'ils sont utilisés en soirée ou la nuit. Les effets sur l'horloge biologique sont observés après une exposition de plusieurs heures, sans pouvoir conclure actuellement sur leur nocivité.

Pour ces raisons, et compte tenu de l'augmentation de la disponibilité et de l'usage de ces produits qui émettent des quantités relativement importantes de lumière bleue, l'Institut recommande que d'avantages d'études s'intéressent au moment et à la durée d'utilisation de ces appareils. En complément, les effets de ces expositions devraient être étudiés, notamment après une longue ou une courte durée d'exposition.

L'institut rappelle que les effets de la lumière bleue sur notre horloge biologique sont liés à la sensibilité de nos rythmes « jour-nuit » en particulier pour les courtes longueurs d'ondes (lumière bleue) et que le système circadien régule de nombreux processus, notamment le cycle « sommeil-éveil », les processus liés aux systèmes métabolique et endocrinien. L'institut précise que les effets à long terme liés à la perturbation du système circadien sont connus (notamment l'obésité, les maladies cardiovasculaires et le cancer du sein) et qu'il reste à savoir si la lumière bleue est liée à ces effets.

L'institut national de la santé publique et de l'environnement des Pays-Bas a publié un second rapport, en 2017 (RIVM, 2017), s'intéressant à l'exposition de la population hollandaise aux écrans (smartphone, tablettes, ordinateurs) avant le coucher et aux effets possibles sur le sommeil et la qualité de sommeil. Cette étude s'appuie sur un suivi épidémiologique de 1 600 personnes. Les spectres d'émission des différents écrans ont été caractérisés, puis différents facteurs démographiques ont été associés aux usages des écrans (sexe, âge, chronotype). Les effets d'une exposition aux écrans sur le sommeil ont été ensuite évalués par le relevé de paramètres subjectifs.

De nombreux adultes (58 %) utilisent une tablette, un smartphone ou un ordinateur durant l'heure qui précède le coucher. Ils le font plusieurs fois par semaine ou tous les jours. L'utilisation de ces appareils peu avant l'heure du coucher est associée à une réduction du temps de sommeil et à une mauvaise qualité du sommeil. Seulement 4 % des personnes suivies regardent un écran moins d'une fois par semaine avant le coucher. Cinq pour cent des adultes ne le font jamais. Le fait de regarder la télévision avant d'aller dormir n'est pas associé à des effets sur le sommeil. Lors de jeux ou lors de visionnage de films, en général,
moins de lumière bleue est transmise par rapport à des activités comme l'envoi de mail ou la consultation de réseaux sociaux.

### 3.1.4 Office fédéral suisse de la santé publique (OFSP)

L'Office fédéral suisse de la santé publique a publié en mars 2016 (OFSP, 2016), sur son site internet, des informations à l'attention de la population générale. Les aspects sanitaires abordés sont les risques liés à la phototoxicité de la lumière (visible, infrarouge et ultraviolette), les risques liés à la modulation temporelle des LED, les risques de perturbation des rythmes circadiens et les risques liés à l'émission de champ électromagnétique. Les conclusions de l'OFSP sont brièvement décrites ci-dessous pour chaque effet sanitaire.

#### Risques liés à la lumière bleue

En l'état des connaissances, il semblerait que la lumière bleue émise par les LED ne présente pas de risque pour les yeux. Ce constat vaut également pour les enfants et les personnes dotées d'un cristallin très clair ou sans cristallin. Il convient toutefois de faire preuve de prudence lorsqu'une LED est utilisée à proximité des yeux. Comme la classification actuelle des produits ne fournit que des informations relativement grossières sur le risque lié à la lumière bleue, il est recommandé, en cas de forte exposition des yeux, d'utiliser des lampes ou des tubes à LED appartenant au groupe sans risque. Selon l'OFSP, il n'est pour l'heure pas possible d'évaluer les effets à long terme de la lumière bleue des LED.

#### Rythmes biologiques

En s'appuyant sur des mesures mandatées par l'OFSP, l'organisme conclut que les LED qui ont des températures de couleur de 3 000 K ont des propriétés analogues à celle des lampes à incandescence ou des lampes à économie d'énergie émettant une lumière blanc chaud. Elles sont adaptées à l'éclairage des locaux dans lesquels séjournent des personnes avant l'heure du coucher. Les LED qui émettent une lumière blanc froid ou blanc bleuté, avec une température de couleur plus élevée de l'ordre de 4 000 à 8 000 K, sont mieux adaptées à l'éclairage de pièces dans lesquelles des personnes se tiennent durant la journée et mènent des activités.

#### Papillotement

L'étude menée sur mandat de l'OFSP révèle que la modulation temporelle des LED actuellement commercialisées est dépendante du produit, plus que du fabricant ou du type de lampe. Les luminaires à LED, tels que certaines lampes à poser, qui sont souvent utilisées à proximité des yeux, peuvent subir de fortes modulations temporelles de lumière. Le taux de modulation temporelle des LED actuellement sur le marché va de 5 % (faible modulation) à 100 % (modulation importante).

#### Autres risques

L'OFSP indique que les LED ne présentent pas de risques liés à l'émission de rayonnement ultraviolet ou d'infrarouge, ni à l'émission de champ électromagnétique.

#### Recommandations

L'OFSP formule par ailleurs un certain nombre de recommandations, en s'appuyant sur des mesures réalisées sur un échantillon de 36 lampes à LED :

* de manière générale, se tenir à plus de 20 cm des lampes à LED ;

* veiller lors d'expositions prolongées à la lumière directe d'une lampe à LED à ce qu'elle appartienne au groupe sans risque (groupe 0) ;

* ne pas observer longtemps les lampes à LED du groupe de risque 1 à usage domestique ;

* ne pas utiliser les lampes à LED des groupes 2 et 3 pour un usage domestique ;
* positionner les luminaires, lampes à poser, lampes de lecture et autres lampes de chevet de telle sorte que la puce de la LED ne soit pas directement visible ;

* dans les pièces où séjournent des personnes durant les heures qui précèdent le coucher, privilégier les lampes à LED ou à économie d'énergie qui émettent une lumière de type « blanc chaud », soit une température de couleur de l'ordre de 3000 kelvins (K) ;

* préférer, pour éclairer les lieux de séjour, des LED sans modulation temporelle de lumière.

### 3.1.5 Association médicale américaine

L'Association médicale américaine (AMA) a publié en juin 2016 (AMA, 2016) un rapport de son conseil en sciences et en santé publique portant sur les effets sur l'Homme et sur l'environnement des éclairages urbains utilisant des LED.

L'AMA rappelle qu'il existe un argument économique fort poussant au remplacement des éclairages urbains par des éclairages à LED. Il est constaté que les premières générations d'éclairages à LED émettaient une lumière excessivement riche en bleu et que des conséquences sur l'Homme et sur la faune pouvaient être suspectées.

La méthodologie employée par l'institution pour produire ce rapport a consisté en une recherche bibliographique sur les rapports publiés en langue anglaise entre 2015 et 2016 en utilisant les moteurs de recherche pubmed et google scholar. Les mots suivants « light, lighting methods, color, photic stimulation, adverse effects » ont été croisés avec les mots « circadian rhythm/physiology/radiation effects, radiation dosage/effects, sleep/physiology, ecosystem, environment, environmental monitoring ». D'autres recherches incluant le mot LED et « community, street, roadway lighting » ont été aussi lancées. Des informations supplémentaires ont aussi été obtenues auprès d'experts du domaine.

L'AMA indique dans son rapport que des éclairages à LED froid (autour de 4 000 K) peuvent produire un éblouissement d'inconfort et d'incapacité, qui serait lié au fait que la source de lumière est ponctuelle et riche en bleu. Il est précisé que, depuis peu, des éclairages à LED « chauds » (température de couleur autour de 3 000 K) sont disponibles et peuvent diminuer ces effets. Il est aussi rappelé que l'utilisation de diffuseurs peut moduler les effets d'éblouissement des éclairages à LED.

L'AMA rappelle qu'une exposition aux lumières « froides » en soirée ou la nuit peut avoir des conséquences sur la santé, avec notamment une réduction du temps de sommeil et une diminution de sa qualité. Il est indiqué que d'autres effets (effets endocrinologiques, effets sur le système cardiovasculaire, effets liés à la survenue de cancer) sont étudiés notamment dans le cadre d'études s'intéressant aux travailleurs de nuit.

L'AMA explique que des effets sur plusieurs espèces animales (oiseaux, tortues, insectes) ont pu être contastés en raison de la pollution lumineuse, notamment pour les lumières froides.

Pour conclure, l'AMA soutient les politiques visant à diminuer la pollution lumineuse. En ce qui concerne l'éclairage urbain, l'AMA soutient l'installation de technologies visant à réduire l'éblouissement des éclairages routiers. Ainsi, le conseil recommande que les villes songeant au remplacement de leurs éclairages urbains pour des éclairages à LED choisissent des éclairages de température de couleur chaude, qui minimiseront les effets sanitaires potentiels pour l'Homme et les effets sur l'environnement. L'AMA rappelle aussi, en s'appuyant sur un de ses précédents rapports portant sur l'effet d'une exposition à la lumière la nuit, que l'usage envahissant de l'éclairage la nuit perturbe différents processus biologiques, créant potentiellement des effets néfastes sur la santé liés à l'éblouissement d'incapacité et à la perturbation du sommeil.
### 3.1.6 Lighting Research Center (LRC)

En réaction au rapport de l'Association médicale américaine portant sur le remplacement des éclairages urbains par des éclairages à LED, le Centre de recherche sur l'éclairage, (Lighting Research Center), a publié un document (LRC, 2016) dans lequel cet organisme indique que les conséquences sanitaires des éclairages en général ne peuvent être prédites de manière fiable qu'en ayant une connaissance juste du stimulus physique. Le LRC reproche notamment à l'AMA le raccourci rapide de l'utilisation de la température de couleur pour estimer les effets sanitaires.

#### Phototoxicité des éclairages à LED

Le LRC conclut qu'il n'y a pas lieu de s'inquiéter de la phototoxicité des éclairage à LED, compte tenu de la réponse photopique naturelle de l'être humain, mais que certaines sous populations méritent une attention particulière.

#### Éblouissement d'inconfort ou d'incapacité

Le LRC précise que l'éblouissement d'inconfort et d'incapacité est plus lié à la quantité de lumière et à sa distribution spatiale qu'à sa composition spectrale.

#### Suppression de la sécrétion de mélatonine

Selon le LRC, les éclairages à LED dominés par de courtes longueurs d'onde peuvent potentiellement avoir un effet plus important sur la suppression de la sécrétion de la mélatonine la nuit que des éclairages de type « lampes à sodium ». Cependant, la quantité et la durée doivent être spécifiées avant de pouvoir affirmer que les éclairages à LED suppriment la sécrétion de mélatonine la nuit.

#### Perturbation circadienne

Le LRC précise que tant que les effets des longueurs d'ondes longues sur la perturbation des rythmes circadiens ne sont pas mieux documentés, il est inapproprié de stigmatiser les rayonnements aux courtes longueurs d'ondes des éclairages à LED comme facteur causal dans l'apparition des maladies modernes.

## 3.2 Méthodologie d'évaluation du niveau de preuve des effets sur la santé des LED

### 3.2.1 Revue de la littérature scientifique

La présente expertise repose principalement sur une analyse de la littérature scientifique internationale sur le thème des effets sanitaires liés à une exposition aux systèmes à LED. Pour ce faire, une recherche bibliographique a été menée.

#### 3.2.1.1 Période de référence

La recherche bibliographique a été réalisée pour la période qui s'étend de janvier 2010 à juillet 2017. Certaines études clés, parues de juillet 2017 à janvier 2018 ont aussi été incluses lorsqu'elles ont été jugées pertinentes et de qualité satisfaisante. De plus, les experts ont pu, si besoin, inclure dans la bibliographie toute étude parue avant 2010 si cela semblait nécessaire, notamment pour présenter un état de l'art dans les parties introductives des chapitres relatifs aux effets sanitaires.

#### 3.2.1.2 Moteurs de recherche

Le moteur de recherche utilisé lors de cette expertise est Scopus (http://www.scopus.com/home.url), moteur qui recherche dans une base de données bibliographiques scientifiques pluridisciplinaire répertoriant notamment des publications biologiques, médicales mais aussi relatives aux sciences humaines et sociales.
### 3.2.1.3 Typologie des documents expertisés

Les documents pris en compte dans l'expertise sont de natures diverses :

* des articles et revues scientifiques publiés dans des revues à comité de lecture, sans préjuger de leur facteur d'impact ;

* des rapports d'expertise d'organismes nationaux ou internationaux (RIVM, Scheer, etc.) ;

Les articles originaux rédigés en anglais ou en français ont été systématiquement analysés par le groupe de travail.

Les revues descriptives ou narratives, qui consistent à synthétiser l'ensemble des études publiées sur un sujet donné, n'ont pas, quant à elles, été analysées. Néanmoins, quand cela s'est avéré nécessaire, notamment pour étayer les introductions scientifiques en amont de la description d'un effet, les experts se sont parfois appuyés sur des revues présentant des données scientifiques faisant consensus. En complément, des rapports d'expertise d'organismes nationaux ou internationaux ont été consultés.

### 3.2.1.4 Bibliographie

Les lampes à LED émettent une lumière riche en courtes longueurs d'onde, c'est à dire dans la partie bleue du spectre lumineux. L'expertise a évalué les effets sanitaires qui pourraient être liés à cette lumière riche en bleu (phototoxicité, perturbation des rythmes circadiens notamment), au déséquilibre spectral (rapport des intensités lumineuses entre le bleu et le rouge) et les effets liés aux autres caractéristiques de l'éclairage LED, comme leur aspect ponctuel (éblouissement) ou la variation de l'intensité lumineuse dans le temps. Les effets biologiques et sanitaires ont été classés en 5 catégories :

* effets sur la perturbation des rythmes circadiens ;

* effets sur le sommeil et la cognition ;

* pathologies oculaires ;

* effets liés à la modulation temporelle de la lumière ;

* effets sur le confort visuel et éblouissement ;

* effets sur la peau.

En premier lieu, un thesaurus directement lié à la technologie LED (pertinent pour les éclairages à LED mais aussi pour les rétro-éclairages d'ecrans à LED) a été défini pour réaliser la recherche bibliographique par type d'effets sanitaires. Les experts ont procédé à l'analyse des publications en sous-groupe, par type d'effet.

Les effets sanitaires potentiels de la lumière (naturelle ou artificielle) sont liés à la densité énergétique et au spectre de la lumière considérée. Les caractéristiques de la lumière émise par différentes technologies d'éclairage (halogène, fluo-compacte, LED) peuvent varier de façon très importante. Et au sein même d'une technologie, les caractéristiques de la lumière sont variables (voir par exemple les différences de température de couleur en fonction des lampes à LED, impliquant des densités énergétiques spectrales différentes). En complément, toute publication pertinente permettant de décrire les effets de la lumière artificielle (quelle que soit la technologie considérée) ou naturelle sur la santé a donc été analysée même si elle sortait du champ de la technologie à LED. Par exemple, un certain nombre de publications relatives aux effets sanitaires de la lumière bleue (artificielle ou naturelle) ont été ajoutées. De même, des publications relatives à la modulation temporelle de la lumière antérieures à la technologie à LED ont été exploitées.

En complément des effets cités précédemment, le groupe de travail s'est intéressé aux effets photoprotecteurs de la lumière rouge et à l'action d'une lumière composée à la fois de rouge et de bleu. C'est pour cela que dans la partie du rapport d'expertise consacrée aux scénarios d'exposition, le ratio de lumière bleue par rapport à la lumière rouge est mentionné. Les
publications majeures sur l'effet photoprotecteur de la lumière rouge, recueillies par le groupe de travail, ont été décrites brièvement dans ce rapport.

### 3.2.2 Une analyse collective

Les experts du groupe de travail ont analysé et discuté collectivement les articles recensés, au sein de cinq sous-groupes correspondant aux différents effets sanitaires précités.

Chaque article a été sélectionné sur la base de son titre et de son résumé afin de juger de sa pertinence par rapport à la question traitée. Les articles retenus ont ensuite été analysés en détail par deux experts. Ces analyses ont ensuite été discutées en réunions plénières, afin d'évaluer collectivement le niveau de qualité méthodologique de la publication.

### 3.2.3 Critères de qualité retenus pour l'analyse des études

Lors de l'analyse des publications, les experts ont exclu celles qui présentaient des faiblesses méthodologiques majeures, comme par exemple des facteurs de confusion trop importants non pris en compte. Dans l'ensemble, après un tri sur la pertinence des publications, compte tenu pour certains aspects étudiés du peu de ressources bibliographiques disponibles, la plupart des publications apportant des éléments utiles à la discussion ont été conservées.

### 3.2.4 Présentation des résultats issus de la revue de la littérature

Les résultats des études considérées par les experts du groupe de travail comme utiles à l'évaluation des effets sanitaires des LED sont présentés de manière succincte pour chaque effet étudié.

### 3.2.5 Évaluation du niveau de preuve d'un effet sanitaire ou biologique donné

Le groupe de travail a élaboré une méthode pour évaluer le niveau de preuve associé à un effet donné et tenter de se prononcer sur le risque de survenue des effets au regard de l'exposition attendue.

Cette méthode consiste en 2 étapes :

* Étape 1 : évaluation des éléments de preuve relatifs à « un effet donné » apportés par les études ;

* Étape 2 : classification de l'effet selon une matrice de croisement des effets chez l'Homme et des effets chez l'animal ou sur des modèles.

**Étape 1 : évaluation des éléments de preuve relatifs à un effet donné**

Les termes qualificatifs du Centre international de recherche sur le cancer (Circ) ont été adoptés pour désigner le niveau de preuve apporté par les études épidémiologiques et cliniques chez l'Homme d'une part et par les études sur des modèles expérimentaux d'autre part. Pour chaque effet et pour chaque type d'étude, le groupe de travail a établi l'une des conclusions suivantes :

* les éléments de preuve sont suffisants pour conclure à l'existence d'un effet : une relation de cause à effet est probable entre l'exposition à la lumière riche en bleu et l'effet étudié. En d'autres termes, une relation positive a été établie entre l'exposition et la survenue de l'effet, dans le cadre d'études où les biais et facteurs de confusion ont pu être exclus avec suffisamment de certitude.

* les éléments de preuve sont limités pour conclure à l'existence d'un effet : une association a été établie entre l'exposition à la lumière riche en bleu et la survenue de l'effet étudié. Le groupe de travail estime qu'une interprétation causale de cette
association est plausible, mais considère qu'on ne peut totalement éliminer
l'existence de biais ou de facteurs de confusion dans les études analysées.

* les éléments de preuve disponibles ne permettent pas de conclure à l'existence ou non d'un effet : les études disponibles ne sont pas d'une qualité, d'une concordance ou d'une puissance statistique suffisante pour permettre de conclure à la présence ou à l'absence d'effet entre l'exposition à la lumière riche en bleu et l'effet étudié.

* les données disponibles ne montrent pas d'effet : plusieurs études suffisantes, couvrant la totalité des niveaux d'exposition connus pour être rencontrés chez l'Homme, et dont les résultats convergent, ne font pas ressortir d'association positive entre l'exposition à la lumière riche en bleu et l'effet étudié, et ce, quel que soit le niveau d'exposition examiné. Les résultats de ces études, seuls ou combinés, devraient disposer d'intervalles de confiance étroits, dont la limite supérieure devrait être proche d'une valeur nulle (par exemple un risque relatif de 1,0). Biais et facteurs de confusion doivent être exclus avec une certitude raisonnable, et les études devraient avoir un suivi suffisamment long. Lorsque les renseignements disponibles suggèrent « une absence d'effet », cette conclusion ne peut s'appliquer qu'à l'effet lié à une exposition à la lumière riche en lumière bleue aux conditions et niveaux d'exposition et à la durée d'observation pris en considération dans les études dont on dispose. Au demeurant, l'éventualité de l'existence d'un risque très faible aux niveaux d'exposition étudiés ne peut jamais être totalement exclue.

## Étape 2 : classification de l'effet selon une matrice de croisement des études chez l'Homme et des études sur modèles

Au final, tous les éléments d'appréciation sont examinés dans leur ensemble afin d'aboutir à une évaluation globale pour l'Homme de l'impact d'une exposition à la lumière riche en bleu pour chaque effet étudié.

La matrice de croisement des éléments de preuve chez l'Homme et chez l'animal (cf. Figure 10) a été utilisée pour classer l'effet lorsque cela était possible. Pour certains effets, par exemple ceux liés à l'éblouissement, lorsque les études chez l'animal n'étant pas pertinentes, le groupe de travail s'est appuyé sur le niveau de preuve apporté par les études chez l'Homme. La matrice de croisement a été reprise de l'expertise de l'Anses sur les effets des champs électromagnétiques radiofréquences chez l'enfant (Anses, 2016).
<table><caption>Figure 10 : matrice de croisement des éléments de preuve chez l'Homme et sur des modèles</caption><thead><tr><th colspan="6">Éléments de preuve de l'existence de l'effet étudié chez des modèles</th></tr><tr><th></th><th>Éléments de preuve suffisants pour conclure à l'existence d'un effet</th><th>Éléments de preuve limités pour conclure à l'existence d'un effet</th><th>Éléments de preuve non conclusifs</th><th>Absence de données disponibles de qualité</th><th>Les données disponibles ne montrent pas d'effet</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="4">Éléments de preuve de l'existence de l'effet étudié dans les études cliniques et épidémiologiques</td><td>Éléments de preuve limités pour conclure à l'existence d'un effet</td><td colspan="4">Effet avéré</td></tr><tr><td>Éléments de preuve limités pour conclure à l'existence d'un effet</td><td>Effet probable</td><td colspan="3">Effet possible</td></tr><tr><td>Éléments de preuve non conclusifs</td><td rowspan="2">Effet possible</td><td colspan="3">Les données disponibles ne permettent pas de conclure à l'existence ou non de l'effet étudié</td></tr><tr><td>Absence de données de qualité</td><td colspan="3">Probablement pas d'effet</td></tr><tr><td></td><td>Les données disponibles ne montrent pas d'effet</td><td colspan="4"></td></tr></tbody></table>
Chaque effet étudié est classé dans l'une des catégories ci-après. Le classement d'un effet résulte d'un avis scientifique et s'appuie sur le caractère plus ou moins probant des éléments d'appréciation tirés d'études sur l'Homme et d'autres informations pertinentes comme les études sur les mécanismes biologiques, les fonctions physiologiques ou les altérations des systèmes vivants. L'évaluation globale a été discutée en groupe de travail et a fait l'objet d'un avis collégial. Les effets peuvent être classés comme suit :

* l'effet étudié est avéré pour l'Homme ;

* l'effet étudié est probable pour l'Homme ;

* l'effet étudié est possible pour l'Homme ;

* les données disponibles ne permettent pas de conclure à l'existence ou non de l'effet ;

* probablement pas d'effet pour l'Homme.

### L'effet étudié est avéré pour l'Homme

Cette catégorie n'est utilisée que lorsque l'on dispose d'éléments de preuve suffisants de l'existence de l'effet étudié pour l'Homme.

### L'effet étudié est probable ou possible pour l'Homme

Si l'effet étudié n'est pas avéré dans les études chez l'Homme, alors les études sur les modèles (in vivo ou in vitro) sont prises en compte, en complément des études épidémiologiques, afin d'aboutir à l'évaluation globale pour l'Homme de l'exposition lumineuse à la lumière riche en lumière bleue.

Cette catégorie comprend les effets pour lesquels, au maximum, on a obtenu des éléments de preuve limités pour conclure à l'existence de l'effet étudié dans les études expérimentales ou épidémiologiques et, au minimum, on ne dispose d'aucune étude expérimentale ou épidémiologique, mais on dispose d'éléments de preuve suffisants pour conclure à l'existence de l'effet étudié dans les études in vitro ou in vivo. Les dits effets sont classés soit dans la catégorie **effet probable pour l'Homme**, soit dans la catégorie **effet possible pour l'Homme** sur la base d'éléments de preuves issus des études épidémiologiques et expérimentales, de données mécanistiques et d'autres renseignements pertinents.

L'effet probable traduit un niveau de preuve plus élevé qu'**effet possible**.

### Effet probable pour l'Homme

On fait appel à cette catégorie lorsque l'on dispose d'éléments de preuve limités pour conclure à l'existence de l'effet étudié dans les études chez l'Homme et d'éléments de preuve suffisants pour conclure à l'existence d'un effet dans les études in vitro ou in vivo.

### Effet possible pour l'Homme

Cette catégorie concerne les effets pour lesquels on dispose d'éléments de preuve limités pour conclure à l'existence de l'effet étudié dans les études chez l'Homme, et lorsque les éléments de preuve sont au maximum limités dans les études in vivo et in vitro. On peut également y faire appel lorsque l'on dispose d'éléments de preuve non conclusifs dans les études chez l'Homme ou en l'absence d'études de qualité, mais que l'on dispose d'éléments de preuve suffisants pour conclure à l'existence de l'effet dans les études in vivo et in vitro corroborés par des données mécanistiques et d'autres données pertinentes.
## Les données disponibles ne permettent pas de conclure à l'existence ou non de l'effet

Cette catégorie concerne les effets pour lesquels les éléments de preuve en faveur de l'existence de l'effet étudié sont *non conclusifs* ou en l'absence de données de qualité dans les études chez l'Homme et dans les études *in vivo* et *in vitro*.

On classe aussi dans cette catégorie les effets qui ne correspondent à aucune des autres catégories.

Une classification dans cette catégorie n'est pas un constat d'absence d'effet ou de sûreté globale. Cela signifie souvent que davantage de recherches sont nécessaires, notamment lorsque les données sur l'effet étudié peuvent être interprétées différemment.

## Probablement pas d'effet pour l'Homme

Relèvent de cette catégorie les effets étudiés pour lesquels on dispose d'éléments de preuve suggérant *une absence d'effet* dans les études chez l'Homme, ainsi que dans les études *in vivo* et *in vitro* pour un grand nombre de conditions ou de scénarios d'exposition. Il est néanmoins très difficile de démontrer une absence d'effet.

## 3.3 Effets de la lumière sur les rythmes circadiens

### 3.3.1 La lumière, principal synchronisateur des rythmes circadiens

#### 3.3.1.1 Mécanismes d'interaction de la lumière avec les rythmes circadiens

##### 3.3.1.1.1 L'horloge circadienne

La vie sur Terre a évolué dans des conditions environnementales cycliques, à savoir l'alternance jour-nuit due à la rotation de la Terre autour de son axe, et l'alternance des saisons due à la rotation de la Terre autour du Soleil. Il est capital pour leur survie que les organismes vivants anticipent ces changements afin d'ajuster leur métabolisme, leur physiologie et leurs comportements à ces changements cycliques. De là, la mise en place d'une « horloge biologique » capable de mesurer le temps et de préparer l'organisme aux variations environnementales cycliques à venir s'est opérée. Les rythmes biologiques constituent une propriété fondamentale du vivant. Ils sont retrouvés dans les bactéries, les champignons, les plantes, les animaux, et chez l'Homme. Entre 10 et 20 % du génome du vivant montre une expression rythmique, soit environ 3 000 gènes chez l'humain.

Les rythmes circadiens possèdent trois caractéristiques fondamentales : la première est leur durée ou période, le terme « circadien » vient du latin - *circa* (autour de), et *dies* (jour) - parce que ces rythmes ont une périodicité d'environ 24 heures. La deuxième caractéristique concerne leur nature autonome – même en l'absence de stimulus environnemental, les rythmes continuent de s'exprimer avec une période proche de 24 h et se décalent progressivement par rapport à l'heure solaire. À titre d'exemple, des personnes enfermées dans des grottes souterraines et coupées de toute source de lumière naturelle maintiennent un rythme d'éveil-sommeil d'environ 24 heures, mais les périodes d'activité et de repos ne correspondent plus aux mêmes heures que les personnes en plein jour (Mills, 1964). La troisième caractéristique est que ces rythmes peuvent être resynchronisés par une nouvelle entrée sensorielle. Ceci s'apparente au phénomène de décalage d'horaire, où l'arrivée par avion dans un pays lointain décale nos horloges biologiques qui vont s'aligner progressivement (il faut plusieurs jours) avec la nouvelle heure.
<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 11 : contrôle des rythmes circadiens chez l'Homme</figcaption></figure>

L'entrée de la lumière vers la rétine génère un signal qui est envoyé le long de la voie rétino-hypothalamique (VRH) vers l'horloge centrale localisée au niveau des noyaux supra-chiasmatiques (NSC). Ce signal synchronise l'horloge du NSC avec l'environnement. Ce message temporel est ensuite distribué aux divers organes (cœur, foie, pancréas...) afin de synchroniser leurs horloges « périphériques » à la même heure.

De manière générale, une horloge biologique est caractérisée par trois éléments :

* une entrée sensorielle, dite « zeitgeber », de l'allemand « donneuse de temps », qui synchronise le rythme de l'horloge à l'environnement ;

* l'« horloge » elle-même, composée d'un ensemble de gènes qui fonctionnent en boucle pour générer une activité rythmique ;

* les signaux de sortie de l'horloge qui synchronisent nos activités métaboliques (par ex : digestion des lipides, des sucres), physiologiques (par ex : sécrétion hormonale) et comportementales (par ex : cycle d'éveil-sommeil).

L'entrée sensorielle la plus importante est la lumière, dont l'intensité et la qualité spectrale reflètent l'heure environnementale (surtout les transitions entre le jour et la nuit, c'est-à-dire l'aube et le crépuscule). L'organisation de l'ensemble du système circadien – de l'entrée aux sorties en passant par l'horloge – diffère selon l'espèce considérée, mais pour les mammifères, y compris l'Homme, un schéma général peut être proposé, basé sur de nombreuses études scientifiques. Alors que l'information visuelle codée par la rétine est acheminée en grande majorité vers le cortex visuel à travers les cellules ganglionnaires (CG), un petit nombre d'entre elles (voir la section « cellules ganglionnaires à mélanopsine ») envoient leurs messages vers les noyaux supra-chiasmatiques (NSC) de l'hypothalamus, siège de l'horloge circadienne centrale. En effet, l'ablation chirurgicale de cette petite structure abolit le cycle éveil-sommeil régulier chez le rat, l'activité d'un animal ainsi opéré étant totalement aléatoire (Stephan et Zucker, 1972). Cette horloge centrale distribue le message temporel vers le reste du corps, afin de synchroniser à leur tour les « horloges périphériques ». La notion d'horloges biologiques a évolué pour prendre en compte le fait que pratiquement toutes les cellules – dans le foie, les reins, les poumons, etc. – contiennent les gènes nécessaires pour créer la rythmicité, mais néanmoins ces horloges périphériques ne sont pas synchronisées sans le contrôle supérieur de la « maitre horloge » (cf. Figure 11). On dit souvent que l'horloge centrale agit comme un « chef d'orchestre », permettant d'harmoniser l'activité de l'ensemble des organes. Les horloges périphériques sont également sensibles aux signaux métaboliques venant de l'alimentation. Ainsi, les divers organes sont tous synchronisés entre eux et avec l'heure de la journée, assurant une physiologie efficace et coordonnée (Hastings et al., 2007 ; Dibner et al., 2010).
### 3.3.1.1.2 Les cellules ganglionnaires à mélanopsine (CGM)

Depuis les premiers travaux sur la rétine au XIXe siècle, les scientifiques pensaient qu'il n'existait que deux types de photorécepteurs, les bâtonnets, responsables de la vision en conditions de faible intensité lumineuse (vision scotopique) et les cônes, responsables de la vision de jour, dite photopique. Cette notion a été totalement bouleversée ces 20 dernières années et les connaissances actuelles reconnaissent l'existence de nombreux pigments visuels, exprimés dans différents types cellulaires aussi bien dans la rétine qu'ailleurs dans l'organisme, et dont chacun exerce un rôle distinct. Parmi ces pigments nouvellement identifiés, celui qui a suscité le plus d'intérêt est la mélanopsine. Chez les mammifères, 2 à 4 % des cellules ganglionnaires (CG) sont directement sensibles à la lumière. Cette photosensibilité intrinsèque résulte de l'expression de la mélanopsine, originalement découverte dans les mélanocytes (d'où son nom) de la peau du crapeau Xénope (Provencio et al., 1998, 2002). Appelées « cellules ganglionnaires à mélanopsine » (CGM), également connues sous le nom des « CG intrinsèquement photosensibles », ou ipRGC en anglais, cette troisième catégorie de cellules photoréceptrices est totalement différente des bâtonnets et cônes à pratiquement tous les égards - génétique, développemental, structural, physiologique et au niveau de la connectivité cérébrale. Depuis leur mise en évidence, ces cellules ont été le sujet de recherches intenses, et l'état des connaissances évolue tous les jours. La situation peut donc évoluer rapidement, mais il convient de situer les fondamentaux de ce système, si important par rapport à l'objet de ce rapport. La très grande majorité des données existantes sur le sujet concerne les mammifères, surtout la souris ; mais il faut souligner que les vertébrés non-mammaliens, ainsi que les invertébrés, sont peut-être encore plus affectés par l'éclairage artificiel en raison des différences importantes dans l'organisation des systèmes sensoriels et circadiens, qui varient considérablement d'une espèce à l'autre (voir chapitre LED et biodiversité).

Chez les mammifères, les axones des CGM constituent environ 80-90 % de la voie rétino-hypothalamique (la voie neurale qui projette vers la région du cerveau où se trouve l'horloge circadienne centrale) (Gooley et al., 2001 ; Hattar et al., 2006). Il est admis que les CGM sont primordiales pour la bonne synchronisation des rythmes biologiques avec l'environnement, mais que les bâtonnets et les cônes sont également impliqués (Hattar et al., 2003). L'ensemble des CG reçoit des informations synaptiques venant des voies intra-rétiniennes activées par les bâtonnets et les cônes. La différence majeure concernant les CGM, bien qu'elles soient informées elles aussi par les bâtonnets et les cônes, est qu'elles manifestent également la capacité de répondre directement à la lumière en l'absence des bâtonnets et des cônes, via la mélanopsine. À l'heure actuelle, il est admis que les CG « classiques » contrôlent la vision formelle, c'est-à-dire la perception imagée du monde qui nous entoure, alors que les CGM sont impliquées surtout dans la vision « non-imagée », c'est-à-dire les rôles joués par la lumière dans les aspects divers tels que la synchronisation de l'horloge circadienne mais aussi la dilatation pupillaire, la cognition, la mémoire, la vigilance, l'humeur... (Van Gelder, 2003 ; Fu et al., 2005 ; Peirson et al., 2009 ; Lucas et al., 2014). Comparée aux bâtonnets et cônes, la réponse électro-physiologique à la lumière des CGM isolées est lente et peu sensible, des caractéristiques mal adaptées à une vision précise (Berson, 2003). Mais ces caractéristiques sont souhaitables pour un système qui mesure l'intensité lumineuse ambiante tel un photomètre. Il est important de noter que cette distinction nette entre vision « imagée » et « non-imagée » s'estompe de plus en plus. En effet, les CGM ont récemment été impliquées dans la discrimination de l'intensité lumineuse, la détection des contrastes et l'adaptation photique (Lucas et al., 2014 ; Dobb et al., 2017).

#### 3.3.1.1.2.1 Les différentes formes de la mélanopsine

Il faut souligner que l'expression restreinte de la mélanopsine dans seulement quelques pourcents des CG -encore est-il que des études récentes indiquent sa présence dans le système nerveux périphérique (Matynia et al., 2016), et même les vaisseaux sanguins (Sikka et al., 2014), ce qui suggère des rôles très divers- est spécifique aux mammifères, et que dans d'autres groupes de vertébrés, la mélanopsine est distribuée de façon beaucoup plus
large - dans d'autres neurones rétiniens, dans le cerveau, voire d'autres organes. En fait, les espèces vertébrées non-mammifères possèdent au moins deux gènes codant pour des mélanopsines distinctes, dites les formes « m » (pour mammifère) et « x » (pour *xenopus*) (Bellingham et al., 2006). Dans la rétine du poulet, ces deux mélanopsines sont localisées dans des cellules différentes, la forme « m » uniquement dans une sous-population des cellules ganglionnaires déjà décrite, alors que la forme « x » change de site d'expression lors du développement pour devenir fortement exprimée dans les cellules horizontales (Verra et al., 2011). De plus, des expériences de transfection cellulaire montrent que la mélanopsine « m » est plus sensible à la lumière que la mélanopsine « x » (Bellingham et al., 2006). Tout récemment, une étude a montré que des souris génétiquement modifiées qui n'expriment ni mélanopsine, ni pigments visuels, maintenaient toujours une réponse circadienne à la lumière, celle-ci étant contrôlée par l'expression d'un autre pigment visuel, la neuropsine, localisée dans d'autres cellules ganglionnaires qui ne projettent pas vers les noyaux supra-chiasmatiques NSC (Buhr et al., 2015). La situation est encore différente chez les invertébrés, qui expriment à la fois des photorécepteurs apparentés aux CGM et aux bâtonnets et cônes. L'organisation du système circadien a été très étudiée chez les mouches *Drosophile* (Grima et al., 2004). En résumé, le système sensoriel synchronisateur de l'horloge circadienne est très ancien et présent sous des formes distinctes dans tout le vivant. Chez les vertébrés, le réseau mélanopsinergique est très étendu, il assure des rôles multiples et variés et constitue le lien essentiel entre l'environnement et l'horloge centrale.

### 3.3.1.1.2.2 Les différents sous-types et projections cérébrales des cellules ganglionnaires à mélanopsine (CGM)

Une autre facette de la complexité est l'existence, chez les mammifères, de cinq sous-types des CGM (« M1 » à « M5 ») en fonction du niveau d'expression de la mélanopsine, de la morphologie des CG et de leurs sites de projection au cerveau. Le sous-type M1 est le mieux caractérisé, représentant 40 à 50 % des CGM totales. Ces cellules ont un fort niveau d'expression de mélanopsine et projettent principalement vers les NSC et les noyaux olivaires prétectaux (NOP). Le sous-type M2 exprime nettement moins de mélanopsine, il est positionné plus profondément dans la rétine et montre un *pattern* d'innervation distinct. Les rôles précis de chaque sous-population de CGM restent à déterminer, même si l'étude des cibles nerveuses et des expériences d'ablation sélective démontrent un rôle important des M1 dans la synchronisation de l'horloge circadienne et de la constriction pupillaire. Bien que le sous-type ne soit pas toujours connu, les CGM projettent aussi vers des structures impliquées dans la régulation du sommeil, dans la cognition et la mémoire, l'humeur (amygdale), et des structures impliquées dans la production de neurotransmetteurs (Raphé : 5HT, VTA : DA) (Hattar et al., 2006).
<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Figure 12 : architecture rétinienne et connectivité rétine-horloge circadienne</figcaption></figure>

Quand la lumière (flèche jaune) pénètre dans l'œil, elle traverse la rétine, structurée en couches cellulaires, pour atteindre les photorécepteurs « classiques », cônes et bâtonnets, qui envoient leurs signaux dans le sens inverse aux neurones intermédiaires (en bleu) et ensuite vers les cellules ganglionnaires (CG). La grande majorité des CG (en vert) intègre ces informations et les envoie vers le cortex visuel pour assurer la vision « formelle ». En revanche, les CGM (en rouge), en plus de recevoir des informations intra-rétiniennes, sont directement stimulées par la lumière. Elles envoient ces informations vers l'horloge circadienne localisée dans les NSC de l'hypothalamus.

### 3.3.1.1.2.3 Cellules ganglionnaires à mélanopsine et lumière bleue

Une particularité critique des CGM concerne leur sensibilité spectrale : elles sont fortement stimulées par la lumière bleue<fnref n="42" />, et présentent un pic de sensibilité aux environs de 480 nm, éloigné des trois types de cônes (communément appelés « bleu », « vert » ou « rouge » selon leur sensibilité spectrale, respectivement de 420, 534 et 564 nm) ou des bâtonnets (498 nm) (Bowmaker et Dartnall, 1980). La lumière du soleil contient un pourcentage important d'émissions de longueurs d'ondes courtes, surtout en raison du phénomène de diffusion de Rayleigh, par les particules suspendues dans l'atmosphère (Strutt, 1899). L'augmentation très importante de l'intensité lumineuse lors du lever du soleil, ainsi que les changements spectraux dominés par ces émissions de courtes longueurs d'ondes, expliquent la synchronisation de l'horloge circadienne avec l'heure solaire (Walmsley, 2015).

### 3.3.1.1.2.4 Conclusions

La lumière sert non seulement à voir le monde qui nous entoure, mais influence également une grande variété de processus non-visuels, tels que la synchronisation de l'horloge biologique circadienne, la constriction pupillaire, le sommeil, l'humeur, la cognition, la

<footnote n="42">⁴² Dans le contexte de ce rapport, le terme « lumière bleue » couvre deux aspects distincts. En ce qui concerne la lumière bleue et les rythmes circadiens, les longueurs d'ondes d'émissions se situe autour de ~480 ±20 nm, (vers le bleu turquoise). En ce qui concerne la lumière bleue et sest effets phototoxiques, les longueurs d'ondes d'émissions sont plus vers l'ultra-violet, autour de 410 nm.</footnote>
mémoire, la vigilance, etc. Beaucoup de ces processus sont réglés indirectement à travers la synchronisation de l'horloge centrale qui coordonne le sommeil, la vigilance, etc. Mais les dernières recherches indiquent que les CGM projettent également directement aux divers centres du cerveau impliqués dans l'humeur, la migraine, etc., qui peuvent être par conséquent affectés sans passer par une perturbation de l'horloge. L'ensemble de ces informations est vital pour anticiper les changements environnementaux à venir et adapter l'organisme en accord. Le niveau de la luminosité et la qualité spectrale sont mesurés par des neurones uniquement dédiés à cette fonction, les CGM (ou ipRGC). Ces derniers permettent de se positionner par rapport à l'heure de la journée, représentant ainsi une interface d'importance majeure entre l'environnement et l'organisme.

### 3.3.1.1.3 Horloge rétinienne endogène et processus physiologiques

Comme mentionné dans l'introduction générale, des horloges circadiennes périphériques existent dans tout le corps, et la rétine elle-même en contient au moins une (voire plusieurs). En fait, chez les mammifères, la rétine fut le premier tissu en dehors de l'hypothalamus à être clairement identifié comme étant capable de soutenir une activité rythmique autonome, puisqu'un explant rétinien montre une synthèse rythmique et régulière de la mélatonine en absence totale de contact avec d'autres tissus (Tosini et Menaker, 1996). La rétine modifie son fonctionnement tout au long de la journée, afin de pouvoir opérer dans les différentes conditions de luminosité ambiante. En conditions naturelles, il faut gérer deux extrêmes d'intensité lumineuse : en pleine nuit les yeux doivent être les plus sensibles afin d'être capables de détecter le moindre photon et d'utiliser cette information pour réagir, alors qu'en plein jour l'intensité ambiante est très élevée et permet une vision photopique, chromatique et détaillée. L'intensité lumineuse du jour est telle que la rétine est menacée d'atteintes photo-oxydatives, et elle met en place des mécanismes de protection pour limiter le stress oxydatif. La rétine ajuste sa sensibilité à travers des modifications moléculaires et cellulaires sous contrôle de l'horloge endogène. Par exemple, en phase nocturne, les bâtonnets et cônes s'entre-connectent entre eux *via* des jonctions communicantes, augmentant ainsi la sensibilité du système ; dans la journée, les photorécepteurs sont isolés les uns des autres (Ribelayga *et al.*, 2008). De même, l'affinité des canaux ioniques augmente la nuit, et la sensibilité visuelle est plus importante (Bassi et Powers, 1987 ; Ko *et al.*, 2001). Enormément de processus cruciaux de la physiologie visuelle sont sous contrôle d'une horloge endogène rétinienne : synthèse des pigments visuels, synthèse de mélatonine et de dopamine, phagocytose des photorécepteurs, synthèse de la mélanopsine (McMahon *et al.*, 2014) (cf. Figure 13Figure 13).

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 13 : liste partielle des fonctions oculaires contrôlées par l'horloge rétinienne</figcaption></figure>
Ces processus ne concernent pas seulement les photorécepteurs, mais tout type cellulaire de l'œil, y compris la chambre antérieure et la pression intra-oculaire. Modifié d'après McMahon et coll., 2014.

### 3.3.1.2 Mise en évidence de la synchronisation des rythmes circadiens par la lumière

#### 3.3.1.2.1 Introduction

Les données scientifiques disponibles permettent d'illustrer la perturbation du système circadien engendrée par une exposition à la lumière pendant la nuit, (ou « LAN » d'après l'expression anglaise « *Light At Night* ») et plusieurs articles indiquent que l'horloge circadienne est également perturbée par une exposition lumineuse insuffisante dans la journée. Smolensky et al. (2015) présentent un article de revue mettant en cause le double problème d'une exposition lumineuse trop faible de jour (absence des émissions bleu-violet (446-484 nm) qui synchronisent le système circadien, et des émissions UV-B (290-315 nm) qui stimulent la synthèse de vitamine D) et trop forte de nuit. L'insuffisance ou la carence en vitamine D peut s'expliquer chez les enfants et les adultes par une exposition inadéquate au soleil. Les études épidémiologiques antérieures ont porté sur l'exposition à trop peu d'UV-B ou à trop de lumière la nuit, respectivement, sans prendre en compte les deux à la fois. Bonmati-Carrion et al. (2014) ont également souligné le problème de ce déséquilibre et ses possibles implications pour la santé humaine. Martinez-Nicolas et al. (2013) stipulent que les sociétés modernes se caractérisent par un mode de vie 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, sans différences environnementales notables entre jour et nuit (lumière du jour faible, absence d'obscurité pendant la nuit, température ambiante constante, mode de vie sédentaire et collations fréquentes) et, par conséquent, un système circadien altéré par un processus connu sous le nom de chrono-disruption. Plusieurs travaux relient les perturbations du système circadien aux pathologies humaines (certains cancers, syndrome métabolique et troubles affectifs et cognitifs), mais peu de travaux suggèrent comment contrecarrer ces effets perturbateurs. Une approche logique est de renforcer le contraste entre jour et nuit. Dans l'étude de Martinez-Nicolas et ses collaborateurs, 131 jeunes sujets (66 H, 65 F âgés de 19 à 25 ans) étaient recrutés et leur température du poignet (TP), l'activité générale, la position du corps, l'exposition à la lumière, la température ambiante et le sommeil ont été enregistrés en conditions réelles pendant 1 semaine. Les sujets furent divisés en groupes de « contraste élevé » (CE) et « contraste faible » (CF) pour chaque variable et les effets sur la TP quantifiés. Il a été constaté que le groupe CE montre de meilleurs rythmes que le groupe CF pour chaque variable, sauf le sommeil. Les sujets soit CE soit CF pour la TP ont également montré des différences dans le mode de vie, les sujets CE avaient un début de phase nocturne légèrement avancé.

#### 3.3.1.2.2 Exposition à la lumière naturelle, effet sur le cortisol, la mélatonine et sur le psychisme

L'objectif de l'étude de Harb et al. (2015) était d'évaluer les effets de l'exposition (ou de l'absence d'exposition) à la lumière naturelle sur le rythme de repos/activité, sur les niveaux de cortisol et de mélatonine et sur les effets psychologiques chez l'Homme dans des conditions naturelles. Les sujets ont été répartis en deux groupes selon leur espace de travail (10 employés dans un groupe « avec fenêtre » et 10 dans un groupe « sans fenêtre »). Tous les participants étaient des femmes et portaient un actimètre qui mesure l'activité et l'exposition à la lumière ambiante, pendant sept jours. Les concentrations de mélatonine et de cortisol ont été mesurées à partir de la salive, collectée à 08h00, 16h00 et 22h00. Les sujets ont répondu à un questionnaire pour déceler l'éventuelle présence de troubles psychiatriques mineurs ; l'échelle de Montgomery-Asberg (MA) a été utilisée pour mesurer les symptômes de la dépression et l'indice de Pittsburgh (PSQI) a été utilisé pour évaluer la qualité du sommeil. L'analyse de Rayleigh indique que les deux groupes présentent des activités et des pics du cycle lumière similaires. En ce qui concerne l'exposition à la lumière, le niveau d'exposition moyen à la lumière était significativement plus élevé (p = 0,023) dans le groupe « avec fenêtre » (191,04 ± 133,36) que dans le groupe
« sans fenêtre » (73,8 ± 42,05). De même, le groupe « avec fenêtre » a présenté la plus grande amplitude d'exposition à la lumière (298,07 ± 222,97). Les niveaux de cortisol étaient significativement différents entre les groupes à 22h00 (« sans fenêtre » 4,01 ± 0,91, « avec fenêtre » 3,10 ± 0,30, p = 0,008 ;). Les niveaux de mélatonine dans les groupes différaient à deux points horaires : 08h00 (p = 0,018) et 22h00 (p = 0,009). Le groupe « avec fenêtre » avait un niveau de mélatonine inférieur à 08h00 (3,54 ± 0,60) mais supérieur à 22h00 (24,74 ± 4,22) que le groupe « sans fenêtre » traduisant une bonne rythmicité. Les niveaux supérieurs de cortisol étaient positivement corrélés avec les troubles psychiatriques mineurs et les symptômes dépressifs à 22h00. Le niveau de mélatonine inférieur à 22h00 était corrélé avec les symptômes dépressifs et la mauvaise qualité du sommeil (PSQI). L'étude montre d'une part que plus l'exposition à la lumière naturelle est importante, plus les rythmes de sécrétion des hormones cortisol et mélatonine sont marqués et correspondent aux cycles métaboliques ; et d'autre part il existe une corrélation entre une exposition à la lumière naturelle réduite en journée et des niveaux plus élevés du cortisol et des niveaux inférieurs de mélatonine la nuit, ceux-ci à leur tour étant liés aux symptômes dépressifs et à une mauvaise qualité du sommeil. [Limites : peu de sujets, pas d'hommes inclus dans l'analyse, les taux de cortisol ne sont pas très différents entre les 2 groupes].

### 3.3.1.2.3 Employés de bureau, exposition à la lumière artificielle, effet sur l'humeur, sur le sommeil et l'efficacité circadienne

Selon l'article de Figueiro et al. (2017a), dans les sociétés industrialisées, les gens passent plus de 90 % de leurs temps d'éveil à l'intérieur, mais la lumière dans l'environnement construit n'est pas conçue pour stimuler les rythmes circadiens. Ils ont donc utilisé un dispositif étalonné pour mesurer la « lumière efficace pour le système circadien » (LESC), afin de récolter les expositions à la lumière des employés de bureau et les relier à leur sommeil et à leur humeur. La recherche a été menée dans 5 bâtiments gérés par l'Administration des Services Généraux des États-Unis, et cette étude a recruté 109 participants (40H, 69F), dont 81 (27H, 54F, âge non rapporté) ont participé l'hiver et l'été. Ils ont recueilli des mesures subjectives de l'humeur et du sommeil, et des mesures objectives de l'efficacité circadienne, la lumière et les rythmes d'activité pendant 7 jours consécutifs. Par rapport aux employés de bureau recevant de faibles niveaux de LESC le matin, ceux qui reçoivent des niveaux élevés le matin ont une latence réduite du sommeil (surtout en hiver), l'entrainement circadien augmenté et une augmentation de la qualité du sommeil. Les niveaux élevés de LESC pendant toute la journée sont également associés à une diminution de la dépression (selon une questionnaire validée, le « Center for Epidemiologic Studies Depression Scale » où les participants répondent à 20 questions concernant leur humeur dans la semaine écoulée) et une augmentation de la qualité du sommeil. En conclusion, cette étude souligne l'importance de l'exposition diurne à des intensités lumineuses importantes pour la santé et la qualité du sommeil.

### 3.3.1.2.4 Effet stimulateur de la lumière bleue en début de journée

Deux études par Gabel et al. (2013, 2015) ont exploré les effets d'une exposition à la lumière enrichie en bleu lors du réveil matinal sur la performance durant la même journée. Les deux travaux ont comparé les effets, par rapport à une lumière de faible intensité (< 8 lx), d'une exposition soit à la lumière polychromatique simulant l'aurore matinale (augmentation graduelle d'intensité de 0 à 250 lux sur 50 minutes), soit à la lumière bleue monochromatique (470 nm, 100 lx). Dans les deux études, les participants (17 hommes âge moyen 23,1 ± 0,8 ans) étaient en légère restriction de sommeil (6 h) pendant deux nuits successives. Les participants devaient effectuer plusieurs tâches cognitives toutes les 2 h, ainsi que remplir un questionnaire chaque heure afin d'évaluer leur humeur. La panoplie des tests cognitifs (plus importante pour l'article publié en 2015) fut conçue pour donner des informations sur les performances mnésiques et éxecutives. En parallèle, des échantillons de salive étaient collectés toutes les 30 minutes pendant les 4 heures suivant le réveil, et toutes les heures ensuite jusqu'au moment de s'endormir. Dans les deux cas, les données montrent que la lumière « aurore » améliore le bien-être subjectif, l'humeur et les performances cognitives,
sans avoir un impact significatif sur la phase circadienne (mesurée en tant que profils de sécrétion de mélatonine et de cortisolcot). En revanche, bien que la lumière bleue ait eu elle aussi un effet stimulateur sur la performance cognitive, mais moins important que l'aurore artificielle, elle exercait des effets plus importants sur le profil temporel de sécrétion de la mélatonine (Gabel et al., 2013). Les deux paradigmes lumineux étaient sans effet sur le ressenti subjectif de la somnolence ou de la motivation. Ainsi, l'exposition à une « aurore artificielle » constituerait une stratégie potentielle pour améliorer certains paramètres subjectifs et objectifs en cas de restriction légère de sommeil.

Pour explorer les effets stimulateurs possibles d'une exposition à la lumière bleue le matin, Munch et al. (2016) ont recruté 18 jeunes adultes (12 femmes, 6 hommes, moyenne d'âge 23,2 ans) en bonne santé. Utilisant un design expérimental de type cross-over et individuel, suite à 5 journées à domicile servant de référence aux paramètres d'endormissement (vérifiés par le port d'un actimètre), les participants sont restés au laboratoire pendant 3 jours où ils furent exposés à plusieurs conditions d'éclairage : le matin, de 08h00 à 11h00 soit à de la lumière « contrôle » (40 lx, 2 600 K de lumière blanche chaude provenant des ampoules à incandescence), soit à de la lumière enrichie en bleue, choisie pour être proche de la lumière naturelle (LED blanche polychrome brillante, 750 lx au niveau des yeux, 3 537 K). Et de nouveau le soir, une heure avant de se coucher, ils ont été exposés pendant 30 min à de la lumière blanche polychromatique faible (DL; < 7 lx; 2 700 K) ; de la lumière brillante enrichie en bleu (BL; 6 500 K; 500 lx) ; ou de la lumière orange (OL, 1 500 K, 100 lx) dans un ordre aléatoire. Les paramètres enregistrés furent la qualité et la quantité de sommeil, la somnolence et la vigilance, ainsi que des mesures salivaires de la concentration de mélatonine. Les effets des expositions à la lumière ont été analysés selon trois aspects principaux : (1) les effets aigus le matin et le soir, (2) les effets à plus longue durée (sur 3 jours consécutifs), et (3) les effets du matin / du soir directement affectés par les expositions à la lumière des soirées / matins précédents. Par rapport à la lumière contrôle, l'exposition matinale à l'éclairage enrichi en bleu diminue significativement la sensation de somnolence, aussi bien le matin même (F1, 290 = 16,53 ; *p* < 0,0001) que sur les 3 jours de l'expérience (F2, 278 = 3,23 ; *p* = 0,04). En ce qui concerne la performance cognitive (mesure de la vigilance), la lumière enrichie en bleu augmente l'éveil (réduit le temps de réaction). Pour l'éclairage du soir, la condition BL réduit la somnolence comparée aux deux autres conditions (DL et OL). Il y avait des répercussions distinctes des conditions de lumière du matin sur la somnolence subjective du soir : pendant l'exposition DL le soir, les participants se sentaient significativement moins somnolents, et avaient des temps de réaction significativement plus rapides lorsqu'ils avaient été exposés à la lumière bleue le même matin comparé au contrôle (F1, 16 = 5,66 ; *p* = 0,03). Sans surprise, la condition BL du soir avait un effet de suppression sur la mélatonine comparée à la situation en DL. Un résultat qui interpelle concerne l'amplitude des changements de phase circadienne induits par différentes combinaisons de 3 conditions d'éclairage le soir et les 2 conditions du matin : ces changements de phase étaient significativement plus faibles quand les sujets étaient exposés à la lumière matinale enrichie en bleu. Ce résultat est potentiellement d'intérêt parce qu'il suggère qu'une exposition adéquate à la lumière riche en bleu le matin est capable de « corriger » des désynchronisations circadiennes provoquées par l'éclairage du soir. Les auteurs parlent d'un effet « stabilisateur » sur le système circadien. [Limitations : difficile de dire si les effets sont dus au spectre de la lumière ou à son intensité, non-corrigée entre les différents essais].

### 3.3.1.2.5 Effet stimulateur de la lumière rouge en journée

Plusieurs études ont montré que l'exposition à une lumière rouge pendant l'après-midi augmente la vigilance alors que les niveaux de mélatonine circulante sont au plus bas (Sahin et Figueiro, 2013). Cependant, ni cette étude ni les précédentes n'ont pleinement élucidé les mécanismes physiologiques associés. Le circuit des CGM n'est probablement pas impliqué, du moins pas directement. Mais l'excitation des cônes rouges pourrait néanmoins activer une voie qui converge vers les CGM. De même, la nature photo-chimique bi-stable de la mélanopsine indique qu'elle pourrait être sensibilisée par des émissions rouges (Mure et al.
2009). Il est possible que l'effet stimulateur de la lumière rouge soit lié à un réseau cérébral qui a une sensibilité spectrale différente de celui qui est lié à la suppression de la mélatonine, par exemple *via* des projections des CGM vers les structures cérébrales impliquées dans l'éveil (*locus coeruleus*, neurones à orexine) en les activant, ou *via* des projections vers des structures impliquées dans le sommeil (VLPO) en l'inhibant.

#### 3.3.1.2.6 Effet bénéfique pour les travailleurs de nuit de dormir pendant la journée sous un éclairage intense

Il apparaît logique de penser qu'il serait recommandé aux travailleurs de nuit de dormir après leur travail, pendant la journée, dans un environnement sombre. Cependant, il a été montré que rester dans un environnement sombre pendant la journée réduit la sécrétion de mélatonine le soir suivant, et retarde son apparition (Takasu et al., 2006). Et parce qu'un facteur de risque pour la santé pourrait être la suppression de la mélatonine nocturne, dormir à l'obscurité dans la journée pourrait être déconseillé. En réalité, l'exposition à la lumière vive diurne après le travail de nuit est importante pour bien stimuler l'horloge circadienne et maintenir la synthèse de la mélatonine la nuit suivante à des niveaux élevés. Le but de l'étude de Nagashima et al. (2017) était d'évaluer l'effet de l'exposition à la lumière intense durant le sommeil de jour sur la sécrétion nocturne de mélatonine après un travail de nuit simulé. Douze sujets masculins en bonne santé, de moyenne d'âge 24,8 ± 4,6 ans, ont participé à des séances de trois jours dans deux conditions expérimentales différentes : lumière intense (> 3 000 lx, mesuré au niveau des yeux) ou de faible luminosité (< 50 lx), dans un ordre aléatoire. Le premier jour, les sujets sont entrés dans la salle d'expérimentation à 16h00 et des échantillons de salive ont été prélevés toutes les heures entre 18h00 et 00h00 dans des conditions de faible luminosité. Entre 00h00 et 08h00, ils ont participé à des tâches simulant le travail de nuit. À 10h00 le lendemain matin, ils ont dormi pendant 6 heures dans des conditions de lumière soit intense, soit tamisée. Pour la condition de lumière faible, toutes les sources de lumière dans la pièce d'expérimentation étaient éteintes et la fenêtre obscurée. En condition de lumière intense, la pièce était ouverte à la lumière naturelle (à travers une fenêtre ouverte), supplémentée par deux lampes placées de chaque coté du lit. Le soir, des échantillons de salive ont été prélevés comme le premier jour. Les échantillons de salive ont été analysés pour la concentration de mélatonine. Les temps d'activité et de sommeil ont été enregistrés par un actimètre au poignet porté pendant toute l'expérience. Les profils temporels de la concentration de mélatonine ont été comparés entre les deux conditions par des mesures répétées à trois voies ANOVA (lumière, jour et heure de la journée). Le changement du « *dim light melatonin onset* »<fnref n="43" /> (DLMO) entre le premier et le deuxième jour, et les paramètres du sommeil diurne et nocturne après le travail de nuit simulé ont été comparés entre les deux conditions de lumière en utilisant des tests t appariés. Les résultats ANOVA ont indiqué une interaction significative (condition de lumière et 3 jours) (p = 0,006). Des tests statistiques *post hoc*<fnref n="44" /> ont indiqué que dans la condition de faible luminosité, la concentration de mélatonine était significativement plus faible le deuxième jour que la veille (p = 0,046) ; en revanche, dans la condition de lumière intense, il n'y avait pas de différence significative dans la concentration de mélatonine entre les deux jours (p = 0,560). Il y avait une différence significative de DLMO entre les conditions (p = 0,015) : le sommeil a été avancé de 11,1 ± 17,4 min dans des conditions de forte luminosité, mais retardé de 7,2 ± 13,6 min après avoir dormi dans des conditions de faible luminosité. Aucune différence significative n'a été trouvée dans aucun paramètre de

<footnote n="43">⁴³ Le *dim light melatonin onset*, en français « le début de sécrétion de la mélatonine dans des conditions de luminosité faible », est considéré comme le marqueur le plus fiable de la phase circadienne chez l'Homme (Pandi-Perumal et al., 2007).</footnote>

<footnote n="44">⁴⁴ Les tests post-hoc, ou « a posteriori » ne présupposent pas l'existence d'une hypothèse expérimentale préalablement définie.</footnote>
sommeil. L'étude montre que dormir dans des conditions de forte luminosité après le travail de nuit maintient à des niveaux normaux la sécrétion de mélatonine le soir suivant, et suggère dans un sens plus large qu'une exposition à la lumière intense dans la journée stimule l'horloge circadienne et synchronise les processus métaboliques de l'organisme.

#### 3.3.1.2.7 Effet de l'intensité de l'exposition lumineuse sur le bien-être de patients atteints de démence

Plusieurs études concernant l'importance d'un niveau lumineux suffisant pendant le jour ont été réalisées dans des situations cliniques. Munch et al. (2017) ont testé l'impact d'un système d'éclairage dynamique par rapport à celui de l'éclairage conventionnel sur les effets tels que l'émotion, le comportement agité, la qualité de vie, la sécrétion de la mélatonine et les cycles circadiens de repos-activité chez les patients atteints de démence. En comparaison, un groupe de patients témoins du même âge a été exposé à des éclairages conventionnels. La cohorte de patients (n = 89) était partagée en deux groupes, uniquement en fonction de la moyenne de leur exposition individuelle quotidienne à la lumière. Les patients ayant une moyenne plus élevée d'exposition lumineuse (417 lx) ont montré significativement plus de plaisir quotidien que les patients avec une exposition lumineuse inférieure. De plus, ils avaient une meilleure qualité de vie, ont passé moins de temps au lit, se sont couchés plus tard et ont commencé leurs épisodes de sommeil plus tard, bien que les deux groupes ne diffèrent pas en fonction de l'âge, de la gravité de la déficience cognitive et de la mobilité. L'étude a démontré que les hommes étaient plus agités, avaient un sommeil plus court avec plus d'épisodes de réveil, et une stabilité circadienne diminuée par rapport aux femmes. En particulier, les faibles expositions quotidiennes à la lumière prédisaient significativement les amplitudes circadiennes plus faibles des cycles repos-activité chez les hommes, mais pas chez les femmes. Cela peut indiquer une susceptibilité spécifique du sexe aux expositions quotidiennes à la lumière en ce qui concerne la régulation de l'activité éveil-repos chez les patients déments âgés. En résumé, ces résultats indiquent qu'une exposition à la lumière forte durant la journée peut avoir des effets bénéfiques en situation de maladie mentale grave.

Wahnschaffe et al. (2017) ont suivi un groupe de patients atteints de démence (n = 20, 1 H, 19 F, moyenne d'âge 83,8 ± 8,8 ans) pendant 3 ans, afin de déterminer s'il y avait des corrélations entre les conditions météorologiques (durée du jour, niveau d'ensoleillement) et le comportement. Il y avait une interaction significative entre l'activité nocturne (agitation) et la durée du jour et le niveau de nébulosité (F1, 1174 = 4.39 ; p = 0,036). L'activité nocturne fut plus importante quand les jours furent courts et nuageux que pendant les jours longs et clairs. De même, ce paramètre fut plus important pour des jours courts et nuageux comparés aux jours longs et nuageux (p = 0,032). Une fois de plus, ces résultats soulignent l'importance d'un signal lumineux suffisamment fort dans la journée, et les auteurs préconisent le recours à l'illumination artificielle supplémentaire durant des périodes nuageuses et hivernales.

#### 3.3.1.2.8 Exposition à la lumière de patients en soins intensifs, effets sur la sécrétion de la mélatonine

Fan et al. (2017) ont examiné la lumière ambiante dans l'environnement d'une unité de soins intensifs, pour identifier les profils d'exposition à la lumière pertinents pour la régulation circadienne. Un moniteur de lumière a été apposé sur le lit des sujets au niveau des yeux, enregistrant continuellement l'illumination pendant au moins 24 h par sujet. Des échantillons de sang ont été prélevés chaque heure pour doser la mélatonine plasmatique. Des bilans vitaux et des évaluations neurologiques ont été effectués. L'intensité lumineuse était enregistrée toutes les 30 secondes auprès de 17 sujets (6 H, 11 F, moyenne d'âge 62 ans). L'intensité lumineuse était maximale en fin de matinée, en moyenne de 64,1 (19,7-138,7) lx. Il n'y avait pas de corrélation entre l'amplitude de la mélatonine et l'exposition de jour, de nuit ou de lumière totale (coefficients de corrélation de Spearman). En conclusion, l'exposition à la lumière environnementale des patients dans cette unité de soins intensifs est systématiquement faible et suit un schéma diurne. Aucun effet de l'exposition nocturne à la
lumière n'a été observé sur la sécrétion de la mélatonine. L'insuffisance d'une exposition journalière à la lumière peut contribuer à générer des rythmes circadiens anormaux, facteur potentiellement aggravant pour la maladie.

### 3.3.1.2.9 Exposition à la lumière de patients en cardiologie, effets sur le sommeil et le bilan médical

Gimenez et al. (2017) ont mené un essai clinique contrôlé chez 196 patients en cardiologie (moyenne d'âge de 66,5 ± 13,1 ans), afin d'étudier la façon dont l'éclairage affecte le sommeil, le bilan médical et l'humeur lors des hospitalisations. Les patients ont été affectés soit à une chambre éclairée de façon standard, soit à une salle avec un système d'éclairage dynamique - cycle sombre avec faible éclairage nocturne et 2 h de lumière forte (1 750 lx) pendant la journée. Les mesures incluaient l'actigraphie et des questionnaires évaluant la vigilance, la qualité du sommeil, l'anxiété, la dépression et une appréciation de l'éclairage. La durée moyenne de l'hospitalisation était de 5 jours dans les deux groupes. Les scores subjectifs sur le sommeil, la vigilance, l'anxiété et la dépression n'étaient pas différents entre les deux. L'évaluation subjective de l'éclairage était meilleure pour les chambres dynamiques que celles à éclairage standard, tant chez les patients (p < 0,001) que le personnel (p < 0,005). La durée du sommeil des patients était améliorée de 5,9 min (p = 0,03) par jour d'hospitalisation dans les salles dynamiques comparées à aux salles avec éclairage standard. Après 5 jours d'hospitalisation, la durée du sommeil dans les salles d'éclairage dynamique avait augmenté de 29 min, soit environ 7,3 % de plus par rapport aux chambres avec éclairage standard. Selon les auteurs, un système d'éclairage de luminosité nocturne réduite et une illumination forte de jour pourrait donc améliorer certains aspects comme le sommeil chez les patients hospitalisés.

### 3.3.1.2.10 Effets bénéfiques de l'exposition d'organes d'animaux à la lumière bleue lors de transplantation

Une étude expérimentale a établi un lien causal entre l'exposition à la lumière bleue et l'état physiologique des organes lors d'actes de chirurgie chez l'animal (Du Yuan et al., 2016). Des souris ont été exposées soit à de la lumière blanche (400 lx), soit à de la lumière bleue (442 nm, 1 400 lx) soit à de la lumière rouge (617 nm, 1 400 lx) pendant 24 h avant l'ischémie-reperfusion du foie (une procédure chirurgicale utilisée dans les cas de résection hépatique ou de transplantation). Les auteurs montrent que seule l'exposition à la lumière bleue induit une protection significative contre la nécrose et la rupture cellulaire. De même, dans un autre modèle de pathologie, l'exposition à la lumière bleue diminue spécifiquement les dommages aux reins, témoignés par une baisse de cystatine C dans le sérum et une réduction de la nécrose des tubules rénaux. Ces effets passent par une voie visuelle intacte, puisque des souches de souris dont le nerf optique est atrophié ne montrent pas les effets. Les auteurs n'ont pas observé de changements ni dans la concentration de mélatonine ni dans celle des corticoïdes (nota bene : l'absence d'effet de la lumière bleue sur la mélatonine s'explique par le fait que la grande majorité des souches de souris de laboratoire a une mutation dans l'enzyme de synthèse de la mélatonine, qui fait qu'elles ont un niveau faible constitutif et invariant). Les auteurs ont montré que l'effet passe par le système nerveux sympathique, parce que l'inhibition pharmacologique des récepteurs adrénergiques bloque la protection. Ils suggèrent qu'un axe rétine-cerveau-système sympathique régule l'inflammation et l'invasion des organes par des cellules immunes. Si une voie analogue existe chez l'Homme, cette découverte ouvre une toute nouvelle application de la lumière bleue en chirurgie.

### 3.3.1.2.11 Conclusions

Bien que les études examinées au sein de ce chapitre soient assez hétérogènes en matière de design expérimental (observations en situation réelle ou proche de la nature, en milieu hospitalier, organes isolés, etc.), les résultats sont assez concordants sur l'importance d'une exposition suffisante à la lumière pendant la journée pour améliorer le bien-être, voire la santé, aussi bien chez des participants sains que chez des personnes malades. Les études
indiquent que les conditions de vie contemporaines conduisent souvent à une uniformisation de l'exposition lumineuse – pas assez dans la journée en raison du travail à l'intérieur, et trop le soir en raison des éclairages domestiques – alors que nos horloges biologiques ont besoin de signaux forts pour différencier le jour de la nuit et ce afin de fonctionner correctement. Certaines études indiquent même qu'une exposition à la lumière forte en journée pourrait réduire les effets négatifs d'une exposition lumineuse en soirée (Munch et al., 2016 ; Figueiro et al., 2017b ; Nagashima et al., 2017). Ces observations renvoient également à l'augmentation de la myopie dans les pays développés, où l'insuffisance de l'exposition lumineuse pendant la journée est suspectée comme élément fondamental (cf. chapitre sur la phototoxicité).

### 3.3.1.3 Les effets stimulateurs de l'éclairage de nuit sur la vigilance

#### 3.3.1.3.1 Introduction

Les données scientifiques suggèrent que l'exposition à la lumière la nuit est probablement liée à des problèmes de santé tels que le cancer, le diabète, le stress cardio-vasculaire, la fertilité. Ce sont des conséquences à long terme, résultant des déséquilibres hormonaux et métaboliques engendrés par la désynchronisation de l'horloge circadienne. En revanche, la capacité de la lumière à diminuer la somnolence pendant la nuit est une approche souvent jugée intéressante pour réduire les accidents industriels et routiers de nuit. Le recours au travail de nuit est présent dans de nombreux secteurs d'activité (industrie, médical, militaire et sécuritaire, agro-alimentaire, transport interurbain, etc.). On estime que 20 à 30 % des personnes actives travaillent pendant la nuit, au moins à temps partiel. Les problèmes majeurs imposés par ces conditions de travail sont, à court terme, la fatigue et le manque de vigilance, entraînant des accidents et une productivité réduite. Aux États-Unis les dommages liés aux accidents causés par une vigilance réduite liée à la somnolence sur la route et sur le lieu de travail sont estimés à 93 milliards de dollars par an (Culpepper, 2010). Une attention réduite est la troisième cause d'accidents de la route après la vitesse excessive et l'alcoolémie. Près de 20 % de toutes les blessures graves causées par les accidents de la circulation dans la population générale sont associées à une attention réduite, indépendamment des effets de l'alcool et des drogues. Toujours aux USA, plus de 30 millions de véhicules commerciaux et 80 millions de passagers sont utilisés chaque jour, avec environ 5 millions d'accidents chaque année, environ 40 000 impliquant des pertes de vie. Alors que seulement 10 % du trafic routier total se fait de nuit, cette même période concerne 50 % des accidents mortels. De même, 11 millions de personnes travaillent la nuit et sont sujettes à une vigilance réduite, ce qui entraîne, selon certains auteurs, 60 % d'accidents de plus par rapport à un travailleur de jour équivalent (Rajaratnam et al., 2013). On a estimé que, au moins une fois par semaine, entre 32 % et 36 % des travailleurs de nuit (enquête réalisée auprès de 687 infirmières à Massachusetts, USA) se sont endormis pendant la période de travail de nuit (Gold et al., 1992). Dans la même étude, comparé aux travail de jour, le travail de nuit augmentait le risque de s'endormir au volant de la voiture au cours du trajet domicile-lieu de travail d'un facteur 3-4, et augmentait le risque d'avoir un accident sur place de 2-3 fois.

L'optimisation de la vigilance à court terme est donc une question critique dans la société contemporaine.

#### 3.3.1.3.2 Lumière bleue, suppression de la mélatonine et augmentation de la vigilance

Une des voies par lesquelles la lumière peut stimuler la vigilance et la performance de nuit est via sa capacité à supprimer la mélatonine, qui marque la nuit et signale la période de sommeil chez les espèces diurnes telles que l'Homme, ou bien via un effet sur d'autres structures non visuelles impliquées dans la veille (en les activant) et le sommeil (en les inhibant). Comme les nombreux articles présentés dans ce rapport le montrent, les longueurs d'ondes courtes (bleu), proches de 460-480 nm, sont les plus efficaces pour supprimer la mélatonine nocturne et affecter d'autres fonctions non visuelles (réflexe pupillaire, humeur, cognition, ...). Les études ont également montré que la lumière bleue,
même à intensité modérée (< 100 lx à la cornée), peut également augmenter la vigilance de nuit. Bien entendu, cette suppression de la mélatonine peut elle-même être une manifestation d'un décalage de l'horloge circadienne, et celle-ci influence également l'état de vigilance, la température corporelle, la fréquence cardiaque et la performance mentale et physique, qui sont normalement basses pendant la nuit. Il est donc logique que des efforts aient été fournis pour étudier comment la lumière pourrait stimuler la vigilance de nuit (Boivin & James, 2005; Sasseville & Hébert, 2010).

Chellappa et al. (2011) ont comparé les effets de la lumière fluorescente de deux températures de couleur différentes, 2 500 K et 6 500 K, et de la lumière d'une lampe à incandescence (3 000 K), sur la performance cognitive et exécutive de 16 participants (hommes de moyenne d'âge 24,3 ans). La luminance a été réglée pour avoir une intensité d'environ 40 lx au niveau cornéen, et l'exposition a duré 2 h en fin de soirée. La lumière à 6 500 K est enrichie en longueurs d'onde courtes de 420 à 520 nm. Pour déterminer l'état de vigilance, les investigateurs ont fait appel à des paramètres subjectifs de somnolence (réponses au « Karolinska Sleepiness Scale »), de bien-être (rapporté par un « visual analogue scale ») et de confort visuel (estimé selon un « mental effort rating scale), ainsi qu'à des tests expérimentaux de vigilance psychomotrice, visuelle et exécutive. Enfin, des échantillons salivaires ont été collectés pour quantifier la concentration de la mélatonine. Les résultats montrent que la lumière à 6 500 K entraîne une plus grande suppression de la mélatonine (et diminution de la somnolence, p < 0,01), ainsi qu'une vigilance subjective, un sentiment de bien-être et de confort visuel accru (p < 0,04). En ce qui concerne la performance cognitive, la lumière à 6 500 K a conduit à des temps de réaction plus courts pour les tâches associées à une attention soutenue (psychomotricité, visuelle : p < 0,04), mais pas pour les tâches associées à des fonctions exécutives. Il y avait une corrélation négative forte entre l'état de vigilance et la concentration de mélatonine circulante, mais pas de démonstration que les deux soient causalement liés.

Motamedzadeh et al. (2017) ont examiné les effets d'un éclairage enrichi en bleu sur la vigilance et la performance des contrôleurs de nuit dans l'industrie pétrochimique. Les participants (n = 30 hommes, âge moyen 30,2 ans, de bonne santé et habitués au travail de nuit) étaient suivis pendant une semaine soit en condition standard d'illumination (4 000 K), soit sous deux régimes de lumière bleue augmentée, à 6 500 K ou 17 000 K. L'intensité au niveau des yeux pour les trois conditions était très similaire, environ 500 lx. Au bout d'une semaine, ils furent analysés par rapport à la somnolence subjective (Karolinska Sleepiness Scale) et la performance (Conners Continuous Performance Test II). La mélatonine fut dosée dans des échantillons de salive. Les données montrent une diminution significative de la somnolence et du niveau de la mélatonine circulante, ainsi que du nombre d'erreurs commises et du temps de réaction. En résumé, il y a un effet net de stimulation de la vigilance en présence de lumière enrichie en bleue.

Un autre article récent pointe le rôle prédominant de la lumière bleue et l'implication des ipRGCs dans la suppression de la mélatonine chez l'Homme. Ostrin et al. (2017) ont demandé aux participants (n = 21, sexe non-spécifié, moyenne d'âge 24,5 ans), de porter pendant deux semaines avant de se coucher des lunettes filtrant les émissions spectrales < 540 nm. Des mesures de l'activité locomotrice (par actimètre), de la qualité et de la quantité de sommeil, des concentrations de la mélatonine (salive), et surtout de l'enregistrement des réponses pupillaires (qui précise l'implication des ipRGCs), étaient effectuées avant et après la période expérimentale. Par rapport aux mesures effectuées avant l'expérience, le port des lunettes filtrantes augmente la qualité et la quantité du sommeil, et la concentration de mélatonine. Il y a également un ralentissement de la phase de re-dilatation pupillaire suite à un flash, interprété comme un décalage de phase de l'horloge circadienne.
### 3.3.1.3.3 Comparaison de l'effet de la lumière bleue, du café et d'un placébo sur la vigilance des routiers

Taillard et al. (2012) ont réalisé une étude croisée randomisée, en double aveugle et contrôlée par placebo, de 48 participants masculins en bonne santé (répartis en deux groupes de 24 chacun, « jeunes» âgés de 20-25 ans et «âgés» de 40 à 50 ans). Ils ont parcouru une distance de 400 km sur l'autoroute pendant la nuit, et ils ont reçu de façon aléatoire et consécutive soit une exposition à de la lumière bleue (GOLite, Philips, 468 nm, placée sur le tableau de bord ; luminance au niveau de l'œil d'environ 20 lx, intensité 7,4 µW/cm²) pendant la conduite, soit 200 mg de caféine, soit un placebo de caféine avant et pendant la pause. Les traitements ont été séparés d'au moins 1 semaine. Les données mesurées étaient le nombre de traversés inappropriées de la ligne médiane (TIL) et l'amplitude de l'écart de la position médiane latérale (PML). Huit participants (17 %) se plaignaient d'éblouissement suite à l'exposition lumineuse et ont été retirés de l'analyse. Les résultats des 40 participants restants montrent que l'utilisation de la lumière bleue réduisait significativement le nombre de passages de la ligne médiane - TIL (p < 0,05). Les TIL étaient plus faibles avec du café (12,51, p = 0,001) et la lumière bleue (14,58, p = 0,003) qu'avec le placebo (26,42). Des résultats similaires ont été trouvés pour le PML. Les traitements n'ont pas modifié la qualité, la quantité ou le timing de trois épisodes de sommeil nocturne subséquents. Les auteurs concluent que malgré l'inconfort engendré chez 17 % des participants, une exposition occasionnelle à la lumière bleue pourrait être utilisée pour combattre la somnolence nocturne au volant, quel que soit l'âge du conducteur. [Limitations : inconfort visuel chez une partie importante des participants, niveau de mélatonine non-mesuré, pas d'information concernant les femmes, risque d'altération de la vision des couleurs et du champ visuel non évalué].

### 3.3.1.3.4 Effets stimulateurs de la lumière rouge la nuit comparés à ceux de la lumière blanche

Certaines études indiquent qu'il est faisable de séparer l'effet stimulateur de la lumière de nuit sur la vigilance de ses effets sur la suppression du pic de mélatonine. L'équipe de Figueiro avait réalisé des études préliminaires (Figueiro et al. 2009, 2010) montrant que la lumière rouge (630 nm) était aussi efficace que la lumière bleue (430 nm) pour augmenter la vigilance sans pour autant affecter la sécrétion de la mélatonine. La même équipe a repris ces analyses pour les étendre, notamment pour voir si la lumière rouge pouvait aussi augmenter la performance (Figueiro et al. 2015). Ils ont recruté 17 jeunes adultes en bonne santé (moyenne d'âge 22,5 ans, 8 hommes, 9 femmes), qui ont effectué des tâches dans des conditions expérimentales contrôlées, soit sous une lumière blanche faible (< 5 lx au niveau cornéen), soit sous une lumière blanche modérée, soit sous une lumière rouge modérée. Les conditions d'éclairage rouge et blanc ont été calculées selon les niveaux d'irradiance : lumière blanche 361 ± 4 lx à la cornée (1,1 ± 0,01 W/m²) ; lumière rouge 213 ± 12 lx (1,1 ± 0,06 W/m²). Des enregistrements EEG étaient réalisés avant et pendant les tests, qui consistaient en trois tâches de mesure de l'attention, de la psychomotricité et du temps de réaction à un signal auditif. En parallèle, des mesures subjectives de somnolence et des échantillons salivaires pour doser la mélatonine furent collectés. En ce qui concerne les résultats, l'activité EEG des bandes alpha et alpha-theta était significativement plus basse après l'exposition à la lumière rouge par rapport à la lumière faible. En effet, de multiples études montrent qu'une augmentation dans la vigilance est corrélée avec une baisse de ces paramètres. De plus, les données suggèrent que la lumière rouge augmente la vigilance en début de soirée, alors que la lumière blanche n'est efficace que pendant la dernière partie de la nuit. Les temps de réaction étaient significativement plus courts avec la lumière blanche ou rouge par qu'avec la lumière faible (p < 0,05), mais seule une exposition à la lumière blanche réduisait le nombre d'erreurs. En résumé, la lumière rouge permettrait d'améliorer la rapidité des gestes mais non la précision. Les auteurs discutent ce résultat intrigant, évoquant la possibilité de différences motivationnelles provoquées par la couleur rouge. Globalement, la lumière blanche stimule la performance
plus que la lumière rouge, alors que la lumière rouge est sans effet sur la suppression de la mélatonine.

Sahin et Figueiro (2013) ont étendu ces observations concernant le rapport entre éclairage et stimulation de la vigilance nocturne, aux heures de l'après-midi où la vigilance est connue pour être diminuée (Mitler et ., 1988). Utilisant un protocole très similaire à celui de Figueiro et al. (2015), mais où les sujets (13 jeunes adultes, 8 H, 5 F, moyenne d'âge 20,5-21 ans) ont été exposés à trois situations (obscurité (<2 lux), lumière bleue (470 nm, 40 lux, 18,9 µW/cm²) ou lumière rouge 630 nm, 40 lux, 18,9 µW/cm²) pendant 48 minutes entre 14h30 et 15h30. Tout comme les enregistrements réalisés pendant la nuit (Figueiro et al., 2015), l'exposition à la lumière rouge dans l'après-midi augmente significativement la vigilance (mesurée par EEG). Par contre, une exposition à la lumière bleue n'avait pas d'effet significatif. Ces résultats montrent que la lumière peut aussi stimuler la vigilance au creux de la journée, sans pour autant diminuer la mélatonine, car dans la journée la mélatonine n'est pas sécrétée. Cette observation concernant la lumière rouge est intriguante parce qu'elle indique que la voie mélanopsinérgique n'est pas toujours nécessaire, et que d'autres circuits neuronaux doivent exister.

### 3.3.1.4 Conclusions

Les études citées ici, réalisées en conditions très contrôlées, indiquent qu'à court terme l'utilisation de la lumière – surtout enrichie en bleue mais aussi les émissions de longueur d'onde > 600 nm –stimule la vigilance pendant le travail de nuit et pourrait réduire ainsi le risque d'accident. Toujours est-il que les conditions optimales (intensité, durée, spectre) restent à définir, et qu'un tel traitement pourrait néanmoins être préjudiciable pour la santé s'il était utilisé trop souvent en raison notamment d'un effet accru de la photoxicité la nuit.

## 3.3.2 Lumière artificielle et rythmes circadiens

### 3.3.2.1 Considérations sur les spectres et l'intensité d'éclairages artificiels et leurs effets potentiels sur les rythmes circadiens

Comme indiqué précédemment, les CGM sont activées par la lumière bleue présente dans les rayonnements solaires, surtout en début de journée. Or, l'éclairage artificiel, en particulier émanant de LED ou de tubes fluorescents froids (aussi appelés « lumière du jour ») contient lui aussi des rayonnements de longeurs d'ondes courtes, qui peuvent altérer la synchronisation de l'horloge centrale, qui à son tour perturbe l'alignement des organes périphériques et in fine peut provoquer des troubles de santé à plus long terme. Ce composé bleu est assez faible pour des sources lumineuses telles que les lampes halogènes, fluorescentes chaudes ou incandescentes, mais peut être relativement important dans les lampes LED et fluorescentes de température de couleur élevée (cf. Figure 14 et Figure 15). Comme évoqué ci-dessus, (cf. § 3.3.1.1.2.3), les CGM sont très sensibles à la lumière bleue, et à travers leur stimulation tout le système circadien sera affecté. Ceci souligne la nécessaire considération particulière des effets induits par une exposition aux LED, spécialement en soirée ou de nuit, chez l'Homme, la faune et la flore. En ce qui concerne les liens entre les rythmes circadiens et la lumière artificielle, les données scientifiques disponibles portent sur trois aspects :

i) les effets sur la physiologie, le métabolisme et le comportement humain ;

ii) les effets sur la physiologie, le métabolisme et le comportement des animaux (traités dans le chapitre « LED et biodiversité ») ;

iii) les effets sur les rythmes biologiques oculaires et intra-rétiniens.
<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Figure 14 : spectres de lampes fluocompacte et halogène</figcaption></figure>

(source : CSTB)

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Figure 15 : spectre de lampes à LED froide (6 700 K) et chaude (2 700 K)</figcaption></figure>

(source : CSTB)

Les niveaux typiques d'éclairage nocturne dans les villes (~10 lx) sont, pour le système visuel photopique humain, au moins 10 fois supérieurs à ce que donne une nuit de pleine lune en environnement naturel (Falchi et al., 2011). Selon la source de ces illuminations, cela équivaut à > $10^{12}$ photons cm$^{-2}$.s$^{-1}$ (pour l'éclairage fluorescent ou à LED : Brown, 2016). Chez les animaux nocturnes, les réponses circadiennes observées sont généralement très marquées, en raison de la sensibilité accrue de leurs rétines à la lumière, adaptées à détecter de faibles niveaux de luminosité. L'intensité d'un éclairage, même paraissant relativement faible, est donc suffisante pour perturber de manière significative leurs rythmes biologiques. Les données expérimentales rapportent de tels effets chez la souris ainsi que chez les rongeurs diurnes et les oiseaux (Bedrosian et al., 2011, Da Silva et al., 2015, Fonken et al., 2013, 2012, 2010). Chez l'Homme, les études montrent que la sensibilité est aussi très élevée, puisque des effets sur l'horloge, la mélatonine, le sommeil et la vigilance sont observés avec des intensités lumineuses inférieures à 40 lx (Chang et al. 2014, Cajochen et al. 2010).

En ce qui concerne les effets d'une exposition la nuit à la lumière, les résultats de l'expertise de l'Anses de 2016 (Anses, 2016) mettent en évidence des effets sur la santé du travail posté incluant la nuit :
* effets avérés sur la somnolence, la qualité de sommeil et la réduction du temps de sommeil total et le syndrome métabolique ;

* effets probables pour le cancer, la santé psychique, les performances cognitives, l'obésité et la prise de poids, le diabète de type 2 et les maladies coronariennes (ischémie coronaire et infarctus du myocarde) ;

* et effets possibles sur les dyslipidémies, l'hypertension artérielle et l'accident vasculaire cérébral ischémique.

La lumière inhibe la sécrétion de la mélatonine par le biais d'un circuit poly-synaptique. La mise en évidence de ce circuit date des années 1970/80. Dans un cycle lumière-obscurité normal, sous contrôle de l'horloge circadienne, la mélatonine est peu ou pas sécrétée le jour ; en revanche elle est abondamment produite et libérée de nuit. Chez un sujet aveugle (absence des bâtonnets et cônes) mais capable de se synchroniser correctement par rapport aux cycles jour-nuit, une exposition à la lumière de longueur d'onde 460 nm (correspondant au pic de sensibilité des CGM) peut inhiber la sécrétion de la mélatonine, ce qui n'est pas le cas avec une lumière de 555 nm (Zaidi et al., 2007).

Falchi et al. (2011, 2016) ont rapporté que la composante bleue de la lumière artificielle modifie les processus naturels, interfère avec la production de la mélatonine et perturbe les rythmes circadiens.

L'exposition à des émissions de longueurs d'onde courtes provenant de sources lumineuses artificielles - une lampe LED enrichie en bleu, un rétro-éclairage pour les écrans à cristaux liquides (LCD) et à diodes électroluminescentes organiques (OLED) par exemple - lors de la soirée et la nuit est donc susceptible de perturber le bon déroulement des cycles circadiens et éventuellement de nuire à la santé humaine (Rimmer et al., 2000). Cette sensibilité importante aux émissions de longueurs d'onde courtes est due à la physiologie cellulaire distincte des CGM, qui ont évolué pour détecter ces gammes de rayonnement.

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>Figure 16 : rapport entre la lumière et la sécrétion de la mélatonine</figcaption></figure>

Schéma A : pendant la nuit, les CGM sont « silencieuses », le NSC n'est pas stimulé et n'envoie pas de signal inhibiteur au NPV. L'enchainement de l'activation de la voie se poursuit jusqu'à la GP et la libération constitutive de la mélatonine.

Schéma B : la stimulation lumineuse (naturelle ou artificielle) active les CGM et le NSC, qui inhibe le NPV et bloque la voie de stimulation de la GP. Les flèches indiquent soit l'activation soit l'inhibition/la
non-activation. Le schéma représente le cerveau du rat, mais les mêmes voies neuronales existent chez l'Homme.

Une dépendance croissante à l'utilisation de l'éclairage artificiel durant la journée est également à prendre en compte (~2 ordres de magnitude plus faible que la lumière du jour). Beaucoup d'entre nous pourraient ne plus recevoir de signaux quotidiens suffisamment forts (Wyse et al., 2014). La synchronisation efficace de l'horloge circadienne nécessite des entrées marquées et robustes – une intensité lumineuse élevée le jour et minime la nuit – et notre vie sociétale étalée sur 24 heures a tendance à atténuer le gradient de ces alternances. Un certain nombre d'études considèrent que ceci pourrait avoir un impact négatif sur la santé (Archer et Oster, 2015; Pan et al., 2011; West et Bechtold, 2015). À l'avenir, une meilleure compréhension du contrôle sensoriel de l'horloge circadienne et des fonctions non-visuelles, aussi bien chez les humains que chez les animaux et les plantes, sera nécessaire pour concevoir des environnements lumineux plus sains.

En ce qui concerne les études analysées, malgré l'introduction étendue assez récente de la technologie LED, de nombreux articles portant sur les effets biologiques de l'éclairage de nuit traite de sources lumineuses en général. Comme explicité ci-dessus, le groupe de travail a principalement ciblé les articles donnant des paramètres précis en ce qui concerne le spectre, la source lumineuse, l'intensité. Les études expérimentales portent uniquement sur des conséquences à court terme d'une exposition lumineuse, alors que les études épidémiologiques disponibles (cf. rapport d'expertise collective de l'Anses sur les effets sanitaires du travail de nuit) portent sur les effets à long terme, il est donc difficile d'établir un lien direct entre les deux.

### 3.3.2.2 Considérations sur les études analysées

En partant d'une recherche bibliographique utilisant les mots clés anglais comme « LED », « light at night », « artificial light », « health », « circadian rhythms », « melatonin » et « light exposure », effectuée sur les 7 dernières années (après la publication de l'expertise de l'Anses sur les effets des LED en 2010), un total de 463 articles publiés dans des journaux scientifiques a été recensé. La lecture de ces articles a permis d'écarter la majorité d'entre eux, jugés peu pertinents (les études exclues étaient les suivantes : études focalisées principalement sur l'exposition diurne ou aux rayons ultraviolets, liées aux effets d'une exposition à la lumière du matin pour traiter la dépression et la démence, liées aux travailleurs de nuit sans mention des conditions d'éclairage et études portant sur la pollution lumineuse avec une évaluation des émissions lumineuses sans prendre en compte les influences biologiques). D'autres articles jugés insuffisamment détaillés sur le plan méthodologique ont été rejetés (manque d'informations méthodologiques, effectifs trop limités). Au total plus de 100 articles abordant les effets de la lumière artificielle sur les rythmes circadiens et pour lesquels les détails expérimentaux étaient suffisamment explicites et précis ont été retenus pour analyse.

La Figure 17 montre l'évolution du nombre de publications dans ce domaine depuis l'an 2000, pris comme point de départ en raison de la découverte de la mélanopsine à cette période. Il faut noter que le nombre de publications a augmenté d'un facteur 2 à 3 depuis les années 2000, et que cette tendance va probablement continuer.

Il est cependant important de noter que les études sont souvent réalisées exclusivement chez les hommes (apparemment les mêmes individus dans certaines études), avec des effectifs toujours assez restreints (entre ~10 et 20), ou chez de jeunes adultes en très bonne santé. Ces limitations font que l'on manque d'informations étendues et solides concernant les réponses d'autres populations telles que les femmes, les enfants et les personnes âgées, les travailleurs de nuit, etc. Ces autres groupes pourraient bien avoir des réponses différentes, sachant notamment que la transmission oculaire de la lumière est plus élevée chez les enfants en raison du cristallin plus transparent (Turner et Mainster, 2017), que le reflexe pupillaire est plus sensible chez les jeunes (Higuchi 2014) et chez les femmes (Fan
et al., 2009), et que les sujets âgés ont une sensibilité à la lumière qui dépend de la durée de l'exposition (Najjar et al. 2014).

Cho et al. (2015) ont effectué un travail similaire, cherchant plusieurs bases de données bibliographiques afin de répertorier tous les articles concernant les risques potentiels de la lumière de nuit sur la santé humaine. Leur revue porte sur 85 articles sélectionnés à partir de 412 initialement consultés, et leurs analyses portent sur trois aspects récurrents : l'intensité lumineuse, les caractéristiques de l'exposition et les caractéristiques spectrales de la lumière. Leurs critères d'exclusion furent légèrement différents de ceux considérés dans la présente expertise car ils ont exclu les articles traitant de l'exposition à la lumière artificielle dans la journée. De même, ils n'ont pas pris en considération les analyses concernant les effets de la pollution lumineuse sur la faune et la flore (chapitre 7).

<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>Figure 17 : évolution du nombre d'articles scientifiques portant sur les rythmes circadiens</figcaption></figure>

Évolution du nombre d'articles scientifiques contenant les mots clés anglais (light at night OU dim light OU artificial light OU LED) ET (light pollution OU light exposure OU health) ET (LED OU artificial light OU light at night OU health), publiés dans des journaux internationaux à comité de lecture depuis 2000

Le nombre d'études prenant comme question centrale les effets de l'exposition à la lumière pendant la nuit, surtout la lumière de courte longueur d'onde, sur le fonctionnement de l'horloge circadienne a grandement augmenté depuis 2010 (Figure 17). Cette augmentation s'explique par les connaissances générales grandissantes par rapport à la lumière bleue et les rythmes biologiques et l'enjeu posé par l'introduction massive de l'éclairage LED dans le monde. De nombreux articles scientifiques portent sur les liens entre perturbation de la sécrétion nocturne de la mélatonine par l'éclairage artificiel et les mécanismes moléculaires impliqués dans la pathophysiologie de ces perturbations. Les travaux ont adressé principalement les effets sur le sommeil (traités dans ce rapport dans la section 3.4), le cancer et le métabolisme, et en moindre mesure la reproduction/fertilité. Ces aspects de santé publique, et les mécanismes associés, ont été traités récemment dans le cadre de l'expertise de l'Anses portant sur l'évaluation des risques sanitaires liés au travail de nuit, dont les résultats ont été publiés en juin 2016.

Cette section est structurée par tranches d'âge de la population concernée (fœtus, enfants, adolescents, adultes, personnes âgées) et uniquement sur les études expérimentales chez l'Homme ou l'animal faisant mention explicite des conditions et la nature de l'éclairage (sont donc exclues les publications sur le travail posté stricto sensu). Un découpage est donc proposé selon l'âge de la population en question – fœtus/nouveau-né, jeune
enfant/adolescent, adulte et personne âgée – parce que les effets observés et les éléments de preuve associés aux effets observés diffèrent.

### 3.3.2.3 Les effets de l'éclairage nocturne sur les rythmes biologiques oculaires

#### 3.3.2.3.1 Dérèglement de l'horloge rétinienne par la lumière le soir

Tout comme pour l'horloge centrale, l'évidence expérimentale montre que l'horloge rétinienne est vite déréglée par une exposition à la lumière durant la nuit : par rapport aux profils d'expression des gènes horloges en cycle normal jour/nuit, un seul cycle de 24 heures en lumière constante d'intensité modérée est suffisant pour perturber les rythmes (Bobu et al., 2013). À son tour, ce dérèglement de l'horloge va provoquer des perturbations de l'expression de nombreux gènes visuels cibles, tels que la rhodopsine, les opsines des cônes, la mélanopsine, l'aralkylamine-N-acétyltransférase (ou AA-NAT, l'enzyme nécessaire pour synthétiser la mélatonine) (Bobu et al., 2013).

La Figure 18 ci-dessous présente le processus de phagocytose des photorécepteurs et les effets de la lumière chez le rat. En condition standard (12 h de lumière et 12 h d'obscurité (L/O, rangée du haut), les gènes de la rhodopsine (colonne de gauche, A), de l'opsine des cônes (colonne du milieu, B) et de l'acétyl transférase (aa-nat) (l'enzyme responsable de la synthèse de la mélatonine) (colonne de droite, C) montrent des profils d'expression rythmiques sur 24 heures avec des pics situés au moment de l'allumage de la lumière (défini par convention comme « *heure zeitgeber 0* », ou ZT 0 (pour la rhodopsine et opsine des cônes) et ZT 20 (correspondant au milieu de la nuit) pour l'AA-NAT, respectivement). En condition d'obscurité constante (O/O, rangée du milieu), ces profils ne sont guère affectés, simplement légèrement estompés. Mais en condition de lumière constante (L/L, rangée du bas), les profils sont soient très désynchronisés (les pics d'expression pour la rhodopsine et l'opsine des cônes sont avancés d'environ 8 heures, vers le milieu de la nuit), soient peu rythmiques (AA-NAT) (Bobu et al., 2013). Par ailleurs, le processus normalement très rythmique de la phagocytose est totalement modifié (Bobu et Hicks, 2009 ; Mehdi et Hicks, 2010).

La phagocytose des segments externes des photorécepteurs est un processus physiologique universel, son rôle est de réparer les photorécepteurs à la suite de stress environnementaux. Les segments externes contiennent la machinerie moléculaire essentielle à la détection de la lumière et à sa traduction en signaux électriques, enclenchant ainsi le processus de la vision. Mais ils sont sujets à des agressions de type photo-oxydatif, par une exposition à la lumière elle-même (très énergétique), par une tension élevée en oxygène, ou un environnement lipidique qui favorise la propagation des endommagements moléculaires. Afin de limiter ces altérations, ils sont régénérés en permanence par un cycle de synthèse des membranes nouvelles en équilibre avec l'élimination des membranes anciennes. L'élimination des membranes des photorécepteurs est assurée par l'épithélium pigmentaire rétinien (EPR) apposé aux segments externes, qui internalise (« phagocytose ») les membranes endommagées (cf. Figure 18). Une fois internalisés, ces déchets membranaires sont digérés et les composés moléculaires sont pour la plupart recyclés. L'ampleur de ce processus n'est pas à sous-estimer : quelques 2 000 paquets de membranes sont phagocytés par cellule par jour, ce qui fait que chez une personne de 80 ans, chaque cellule de l'EPR (qui au contraire des photorécepteurs ne se renouvellent pas) aura traité environ 100 millions de déchets. Une partie de ces produits ne peut être métabolisée et s'accumule à l'intérieur de l'EPR. Ces résidus contribuent à la formation de la lipofuscine, des dépôts insolubles qui interfèrent avec le fonctionnement normal de l'EPR et qui sont photosensibilisants et impliqués dans la survenue de pathologies rétiniennes. La phagocytose est un processus éminemment circadien, avec un fort pic d'activité le matin dans toutes les espèces examinées. Mais après 24 heures en lumière constante il n'y a plus de synchronisation et l'activité de phagocytose est aléatoire toute au long de la journée, voir augmentée pour les cônes (Bobu et Hicks, 2009 ; Mehdi et Hicks, 2010).
<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>Figure 18 : phagocytose des photorécepteurs et effets de la lumière chez le rat</figcaption></figure>

**Schéma A** : schéma montrant comment chaque jour le bout du photorécepteur se détache pour être ensuite internalisé (« phagocyté ») par l'épithélium pigmentaire de la rétine (EPR) adjacente.

**Schéma B** : schéma montrant que ce processus est fortement rythmique. Si on réalise un prélèvement de tissu à 08h00 du matin (une heure après l'allumage des lumières), l'EPR est rempli de points fluorescents correspondant aux débris des photorécepteurs phagocytés (« phagosomes »). Une rétine prélevée à 20h00 (une heure après l'extinction des lumières) ne présente pratiquement plus de phagosome. Le cadre jaune dans la photo du bas montre la région observée par la microscopie à fluorescence au-dessus.

**Schéma C** : ce processus peut être quantifié en comptant les points fluorescents sur coupe histologique. En condition de lumière/obscurité standard (L/O, histogramme du haut) un grand pic d'activité est observé à ZT 1, correspondant à une heure après allumage, alors que sur le reste de la période de 24 heures on ne détecte que très peu de phagosomes. Or, en condition de lumière constante (L/L, histogramme du bas), l'activité est distribuée tout au long de la journée sans pic apparent. (Source : Bobu et Hicks, 2009, image modifée).

Un dernier point important concerne la susceptibilité à la phototoxicité (sujet traité dans la section 3.5) qui dépend également d'une horloge circadienne. Plusieurs études exposant des rats montrent qu'une exposition au stress lumineux à 01h00 du matin induit significativement plus de dégâts rétiniens (perte des photorécepteurs, diminution du contenu de la rhodopsine) que chez les groupes exposés à 09h00 ou à 16h00 (Organisciak et al., 2000 ; Vaughan et al., 2002, Organisciak et Vaughan, 2010). Ces analyses furent réalisées en conditions d'obscurité constante pendant 24 heures (absence totale de l'éclairage de la pièce), permettant de conclure que l'effet est piloté par une horloge circadienne. L'explication physiologique de cette vulnérabilité augmentée vient probablement de la modification cellulaire de la rétine pendant la période de nuit, lui permettant de détecter la lumière
normalement très faible à ce moment (cf. ci-dessus). Bien que l'extrapolation de ces résultats à l'Homme soit hasardeuse (utilisation de souche albinos, espèce nocturne, conditions expérimentales artificielles), un parallèle avec le travail de nuit en conditions d'éclairage soutenu peut être évoqué. Il est possible de d'interroger si, à force de travailler répétitivement pendant la nuit sous un éclairage fort (qui pourrait être rencontré en milieu hospitalier ou industriel, par exemple), les yeux ne sont pas régulièrement exposés à un moment où ils sont particulièrement vulnérables ; la santé rétinienne humaine pourrait être ainsi compromise. Une étude clinique dont les résultats vont dans ce sens montre bien un lien direct entre le travail de nuit et l'apparition de la choriorétinopathie séreuse centrale (Bousquet et al., 2016). Mais des analyses approfondies sur le plan ophtalmologique chez une population théoriquement à risque n'ont pas à ce jour été réalisées.

Pour récapituler, le dérèglement de l'horloge circadienne centrale au niveau du cerveau conduit à son tour à des perturbations au niveau des horloges périphériques d'organes telles que le pancréas (Lee et al., 2011) ou le foie (Lamia et al., 2008), qui peuvent provoquer des troubles métaboliques et physiologiques responsables à moyen ou long terme de maladies chroniques, telle que le diabète. Donc il est plausible que le dérèglement de l'horloge rétinienne par une exposition à la lumière en dehors des heures normalement éclairées conduise à des problèmes à long terme. Quelles pourraient être les conséquences pour la santé visuelle humaine ? En se basant sur des données expérimentales acquises sur des modèles (études animales), les yeux sont dans un état de sensibilité accrue pendant la nuit, et donc de fragilité augmentée, le stress engendré par l'exposition lumineuse à cette période pourrait donc être majoré en raison des effets perturbateurs sur l'horloge rétinienne.

### 3.3.2.3.2 Conclusions

Les études portant sur des liens possibles entre le moment de l'exposition à la lumière et le dérèglement de l'horloge circadienne endogène de la rétine sont limitées aux modèles animaux et réalisées en conditions artificielles. Mais la situation de la rétine, en première ligne pour être impactée par la lumière, les données issues des expériences chez l'animal, et la susceptibilité d'autres horloges circadiennes périphériques à la lumière renforcent l'hypothèse selon laquelle les effets de l'éclairage sur la santé visuelle seraient sous-estimés. Des investigations sur des corrélations possibles entre travail de nuit et état de la rétine mériteraient d'être réalisées.

### 3.3.2.4 Effets de l'environnement lumineux maternel sur le développement et la maturation des descendants : études chez l'animal

#### 3.3.2.4.1 Généralités

Plusieurs études expérimentales étudient les possibles liens entre l'exposition lumineuse de la mère et les effets sur leur progéniture, soit au court terme (aux stades embryonnaire et nouveau-né), soit au long terme (qui perdurent jusqu'à l'âge adulte atteinte). En condition de cycle jour-nuit normal, la glande pinéale maternelle produit de la mélatonine de façon circadienne, avec des taux plasmatiques élevés la nuit et de très faibles niveaux diurnes (Richter et al., 2004). La mélatonine a la capacité de traverser toutes les barrières physiologiques telles que le placenta. Chez plusieurs espèces, la glande pinéale fétale ne synthétise pas de mélatonine (Okatani et al., 1998), et l'embryon est uniquement exposé au rythme maternel de la mélatonine, nécessaire pour synchroniser les horloges périphériques présentes dans les organes foétaux telles que la glande surrénale (Mendez et al., 2012). L'exposition à la lumière la nuit supprime ou diminue le pic nocturne de la mélatonine maternelle, privant ainsi le fœtus d'un signal biologique important. En conséquence, il a été montré que la chronodisruption maternelle, et en particulier la suppression de la mélatonine, induit plusieurs effets négatifs sur le fœtus (retard de croissance, sécrétion hormonale réduite...) (Mendez et al., 2012).
### 3.3.2.4.2 Lien entre l'environnement lumineux de la mère et le développement cognitif et métabolique des descendants

Les considérations et arguments scientifiques qui suivent s'appuient en partie sur plusieurs études expérimentales menées chez les rats et les souris. Le travail de Vioculescu et al. (2015) concerne l'exposition de rates gestantes à une illumination constante (500 lx) pendant la nuit. Immédiatement après la naissance, les mâles furent identifiés et exposés à un cycle lumière-obscurité normal ; les analyses moléculaires (niveaux cérébraux de mélatonine ou sérotonine, concentration de radicaux libres) ont été effectuées soit chez les ratons, soit chez les rats de 60 jours. Le groupe de 60 jours a également subi une batterie de tests comportementaux pour mesurer l'état d'anxiété et la mémoire à court terme. Le groupe issu des mères ayant été exposées à la lumière de nuit montrait des signes d'anxiété (appréhension à traverser un espace ouvert, appréhension à entrer dans des couloirs illuminés, diminution de l'exploration) et une diminution des capacités mnésiques. Ce même groupe montrait un déficit dans le contenu cérébral en mélatonine et en sérotonine, et une augmentation du taux des radicaux libres, par rapport aux rats de 60 jours dont les mères étaient élevées en cycle jour-nuit standard. En résumé, cette étude montre que l'environnement lumineux de la mère (exposition à un éclairage de nuit) a des répercussions négatives à long terme sur le développement cognitif des descendants. [Limitations : pas de contrôle de la mélatonine chez la mère, pas d'information spectrale ni de valeurs de luminance au niveau oculaire. Pertinence d'un modèle animal nocturne par rapport à l'Homme].

Les travaux de Varcoe et al. (2011) portent sur les conséquences métaboliques chez les descendants de rates soumises à des cycles de lumière-obscurité inversés, tantôt éclairées le jour, tantôt la nuit (modèle animal du travail posté). La progéniture montrait de multiples perturbations métaboliques, y compris une obésité (+29 % à 3 mois), de l'hyperinsulémie (+83-110 % à 12 mois), de l'hyperleptinémie (+99 % à 3 mois) et une intolérance au glucose (+18 % à 12 mois), caractéristiques d'un syndrome métabolique et d'un diabète de type 2. De plus, certains paramètres mesurés étaient différents entre mâles et femelles, indiquant un effet spécifique selon le genre. [Limitations : pas d'information concernant l'exposition lumineuse de la mère – ni l'intensité, ni le spectre ni de valeurs de luminance au niveau oculaire. La pertinence d'un modèle animal nocturne par rapport à l'Homme n'est pas évidente].

### 3.3.2.4.3 Les effets négatifs de l'environnement lumineux de la mère sur ses descendants à l'âge adulte

Le travail de Vilches et al. (2014) va plus loin dans l'identification des anomalies neurales chez les descendants des rates soumises à un stress lumineux. Ils ont comparé les changements moléculaires au niveau de l'hippocampe (structure neurale cruciale pour la mémoire et l'apprentissage) des petits dont la mère a subi une exposition nocturne à la lumière (« mère-LAN ») et des petits dont la mère était élevée en conditions jour-nuit normales (« mère-JN »). D'une part, les différents éléments de l'horloge circadienne ainsi que plusieurs gènes contrôlés par l'horloge des petits d'une mère-JN montraient des rythmes d'expression normaux, alors que les mêmes gènes chez des ratons issus d'une mère-LAN étaient sans rythmicité. D'autre part, à l'âge adulte les descendants de mère-LAN n'avaient aucun profil rythmique ni de mélatonine ni de corticoïdes. Et enfin, l'expression génique de l'hippocampe fut réduite, et ces animaux faisaient preuve d'une mémoire spatiale déficitaire.

Mendez et al. (2012) ont utilisé un protocole expérimental similaire (exposition de la mère à la lumière pendant la nuit) pour examiner la croissance intra-utérine du fœtus (significativement réduite par rapport aux contrôles : $1,696 \pm 0,13$ g venant d'une mère-JN, $1,376 \pm 0,05$ venant d'une mère-LAN, $p < 0,05$), le profil d'expression des gènes circadiens de la glande surrénale embryonnaire (tous modifiés par rapport aux contrôles, soit aplatis soit décalés), et la réponse des glandes surrérales aux hormones (significativement altérée chez les petits dérivés d'une mère-LAN). Les mêmes auteurs montrent que la progéniture des mères-LAN recevant une injection de mélatonine lors de la nuit subjective est normale
par rapport à ces différentes mesures. [Limitations : pas d'information concernant l'exposition lumineuse de la mère – ni l'intensité, ni le spectre ni de valeurs de luminance au niveau oculaire. Pertinence d'un modèle animal nocturne par rapport à l'Homme]. Une étude récente chez la souris, réalisée par Smarr et al. (2017), a utilisé une approche modifiée pour distinguer les effets dus à la gestation per se des effets post-nataux (altérations possibles des interactions mère-portée), en utilisant des souris porteuses soient élevées en cycle jour-nuit normal, soient exposées à la lumière la nuit. Le niveau d'éclairage utilisé était d'environ 400 lx pendant toute la nuit durant la deuxième moitié de la période de gestation. Ils ont ainsi déterminé que les effets post-nataux concernent une diminution de la masse corporelle à l'âge adulte, des interactions sociales réduites et un état d'hyperactivité. Ces effets sont liés à un comportement maternel altéré. Les effets strictement in utero ont exacerbé les problèmes sociaux. En résumé, la perturbation circadienne chronique pendant la gestation affecte le comportement maternel et le phénotype comportemental de la progéniture à l'âge adulte, indépendamment du stress post-natal.

Une étude récente de Cissé et al. (2017) examine les effets immuns chez les portées issues des hamsters des deux sexes soumis à un éclairage de nuit faible (5 lx), par rapport aux nuits totalement obscures. Les hamsters furent traités ainsi pendant 9 semaines, puis accouplés ensemble dans les conditions de nuit totale. De même, les portées étaient nées et élevées sans lumière de nuit. Or, le système immun des petits était altéré par rapport aux animaux témoins selon plusieurs paramètres (« hypersensibilité retardée », présence d'anticorps circulants, expression des récepteurs endocriniens au niveau de la rate). Les auteurs avancent que ces effets qui perdurent à travers les générations sont dus aux modifications épigénétiques induites par une exposition à la lumière la nuit. [Limitations : pas d'information concernant l'exposition lumineuse de la mère – ni le spectre ni de valeurs de luminance au niveau oculaire. Pertinence des modèles animaux nocturnes par rapport à l'Homme].

#### 3.3.2.4.4 Conclusions

En conclusion, les données expérimentales chez l'animal semblent indiquer que l'exposition lumineuse de la mère influence le devenir de ses descendants, sur les plans métaboliques et cognitifs. Ces effets peuvent être ressentis à la naissance (descendants en sous poids, difficultés d'accouchement), mais perdurent jusqu'à l'âge adulte (déficiences cognitives, problèmes métaboliques). Cependant l'extrapolation vers l'Homme reste délicate en raison de l'utilisation des espèces nocturnes et des conditions expérimentales souvent extrêmes. Néanmoins, en extrapolant à l'Homme, les perturbations circadiennes pourraient être très répandues dans la société actuelle, si elles sont induites par l'éclairage moderne, où elles pourraient impacter négativement le développement de l'embryon (in utero). Dans ce contexte, en 2004, 12,6 % des femmes âgées de plus de 16 ans aux États-Unis étaient des travailleuses postées, et donc susceptibles d'être exposées à la lumière la nuit. Étant donné les impacts négatifs potentiels sur la santé reproductive féminine, la perturbation circadienne pourrait représenter une menace environnementale pour les femmes et leurs enfants.

Les résultats comportementaux d'hyperactivité et d'évitement social chez les animaux sont compatibles avec les observations chez les adolescents humains : la perturbation du sommeil chez les adolescents est associée au désordre de l'hyperactivité de l'attention et aux troubles du spectre autistique, les deux étant à la hausse au cours des dernières années, tout comme le diabète et le surpoids. Ces résultats soutiennent l'hypothèse selon laquelle une perturbation circadienne accrue au début de la vie pourrait jouer un rôle important sur le devenir physique et mental.

### 3.3.2.5 Effets chez les jeunes (enfant, adolescent)

#### 3.3.2.5.1 Généralités

Les études concernant la désynchronisation de l'horloge circadienne par la lumière la nuit réalisées chez les jeunes sont controversées en raison d'un manque de rigueur
procédurale : utilisation d'échantillons de sang recueillis uniquement au cours de la journée ou de la nuit, absence des caractéristiques temporelles de la sécrétion de mélatonine, manque de contrôle de la durée et de l'intensité réelles de l'exposition à la lumière, utilisation de caractéristiques cliniques floues pour définir la puberté, différentes tailles d'échantillons, horaires de sommeil-réveil non contrôlés. Néanmoins, certaines analyses sont concluantes.

### 3.3.2.5.2 Étude chez l'enfant, mesure du rapport entre l'intensité lumineuse et la sécrétion de mélatonine, comparaison avec des adultes

Higuchi et al. (2014) ont mené une étude sur 33 enfants (moyenne d'âge 9,2 ± 1,5 ans) et 29 adultes (leurs parents, moyenne d'âge 41,6 ± 4,7 ans), en deux temps. La première expérience, en conditions contrôlées de laboratoire impliquait 13 enfants (5 hommes, 8 femmes) et 13 adultes (3 hommes, 10 femmes). Lors d'une première soirée en salle expérimentale, les participants ont été exposés à une lumière faible (< 30 lx au niveau des yeux) ainsi qu'à une lumière plus forte (580 lx) pendant environ 3 à 5 heures avant de se coucher, et des mesures de diamètre pupillaire et de concentration de mélatonine dans la salive ont été réalisées. Les conditions furent similaires lors de la deuxième séance, les participants étaient exposés à une lumière faible (30 lx au niveau des yeux) puis à des conditions lumineuses réelles, proches de celles que l'on peut retrouver à la maison (mesurées comme étant 140 ± 82,7 lx). Les résultats de la première expérience montraient que les enfants et les adultes furent tous affectés par la lumière de 580 lx, avec une suppression de 88,2 % de la mélatonine chez les enfants, et de 46,3 % chez les adultes. La différence entre les deux groupes était significative, p < 0,01, bien que le nombre de participants fut très limité (n = 5 et 6 respectivement) car certaines personnes n'avait pas commencé à être sécrétée de mélatonine au moment des tests. La deuxième expérience a confirmé ces résultats, dans le sens où les enfants furent plus sensibles que les adultes à l'intensité lumineuse. En effet, à domicile, les enfants avaient une diminution significative de sécrétion de la mélatonine (n = 15, p < 0,05) qui n'étaient pas retrouvée chez les adultes (n = 11).

Akacem et al. (2016) ont examiné une cohorte de très jeunes enfants, de moyenne d'âge 4,7 ± 0,2 ans (n = 21, 12 garçons, 9 filles), en conditions réelles, dans un contexte familial en soirée pendant les heures précédant le coucher. Afin de suivre leur activité, les enfants portaient un actimètre (capteur de mouvement) au poignet et un photomètre pendentif afin de mesurer objectivement l'exposition lumineuse de chaque habitation (en moyenne 710 lx), la préparation au sommeil, et le « DLMO » (début de sécrétion de mélatonine dans des conditions de luminosité faible). Les mesures ont été prises à la 5ème journée, et ont mis en évidence une faible corrélation positive entre l'éclairage et un DLMO plus tardif, mais seulement si l'heure de coucher était également prise en compte (r = 0,46, p < 0,02). Ces données mettent donc en évidence que l'intensité de l'éclairage en soirée est un des facteurs capable d'influencer l'endormissement des petits enfants. [Limitations : pas d'information sur la température de couleur, beaucoup de variabilité dans l'intensité, manque de précision d'un photomètre en pendentif pour évaluer l'intensité lumineuse au niveau oculaire].

### 3.3.2.5.3 Étude chez l'enfant de la suppression de mélatonine et du DLMO en fonction de la température de couleur, comparaison avec les adultes

Une deuxième étude de la même équipe a regardé le lien potentiel entre la température de couleur de l'éclairage domestique et la suppression de la mélatonine chez l'enfant (Higuchi et al., 2016). Dans une cohorte de 20 enfants (7 H, 13 F, moyenne d'âge 9,7 ans) et de 17 adultes (3 H, 14 F, moyenne d'âge 41,9 ans), les auteurs ont examiné l'heure de début de la sécrétion de la mélatonine (dim light melatonin onset, ou DLMO, marqueur fiable de l'horloge circadienne, Lewy et al., 1999) à la maison, en conditions de faible éclairage (< 30 lx) ou d'éclairage normal (couleur de température 3 812,3 ± 1 041,5 K et 4 019,6 ± 925,7 K pour adultes et enfants respectivement). Malgré des variations inter-individuelles importantes dans les deux groupes, les auteurs ont mis en évidence : i) un DLMO avancé d'une heure chez les enfants (DLMO moyen adulte – 21h50 ; DLMO moyen enfant – 20h55) ; ii) le fait