que le délai entre le DLMO et l'endormissement est plus court chez les enfants (moyenne de 96,8 min chez les adultes, 40,1 min chez les enfants ; iii) une corrélation positive entre la température de couleur des sources lumineuses à domicile et le DLMO, aussi bien chez les adultes (r = 0,735, p < 0,01) que chez les enfants (r = 0,479, p < 0,05) ; iv) pas de corrélation entre l'intensité lumineuse et le DLMO, ni chez les adultes ni chez les enfants. Ainsi, selon cette étude, plus la proportion de lumière bleue avant le coucher (indiquée par la température de couleur) est élevée, plus la suppression de la mélatonine est importante. [Limitations : durée d'exposition à la lumière variable (relative à l'heure d'endormissement de chaque individu) ; ~50 % des participants écartés des analyses statistiques en raison d'un profil de mélatonine trop retardé ; d'autres facteurs potentiels non pris en compte].

### 3.3.2.5.4 Études chez l'adolescent reliant mélatonine, horloges circadiennes et lumière

Des résultats allant dans le même sens ont été obtenus dans deux études réalisées par Crowley et al. (2014, 2015), la première concernant les caractéristiques du sommeil et l'horloge circadienne chez deux groupes d'adolescents, « jeunes» (21 H, 17 F, âgés de 9-10 ans) et «âgés» (30 H, 26 F, âgés de 15-16 ans), et la deuxième comparant des cohortes d'enfants en début-milieu de puberté (déterminé par l'échelle de Tanner, tranche d'âge 9,1 - 14,7 ans ; n = 38) et en phase tardive-fin de puberté (tranche d'âge 11,5 - 15,9 ans ; n = 29). Dans le premier article (Crowley et al., 2014), les participants ont porté un actigraphe au poignet pendant au moins une semaine à la maison pour mesurer le temps de sommeil, et le DLMO a été mesuré au laboratoire. Les mesures montrent qu'avec l'âge, le début de sommeil est retardé, ainsi que le réveil et l'heure du DLMO. Dans la deuxième étude (Crowley et al., 2015), les différents groupes devaient respecter un rythme éveil-sommeil régulier pendant 10 jours avant le début de l'expérience. Les enfants et adolescents furent repartis en deux groupes, exposés à 1 heure de lumière de 15, 150 ou 500 lx à 23h00 (groupe de soirée), ou à 03h00 (groupe du matin). Le taux de mélatonine circulante était évalué dans la salive toutes les 30 minutes pendant l'état d'éveil, et pendant la nuit les participants ont été suivis par EEG, ECG, électro-oculographie et électromyographie. Les données montrent qu'une exposition à la lumière en soirée (23h00) provoque une suppression significative de la mélatonine dans tous les cas (sauf dans le groupe « post-pubère » à 15 lx), et que cette suppression est d'autant plus importante chez le groupe « pré-pubère» (p < 0,05). En revanche, une exposition à 03h00 n'a pas d'effet à 15 lx, alors que des expositions de 150 ou 500 lx suppriment la mélatonine autant dans les deux groupes. Donc, dans l'ensemble, ces études montrent une sensibilité à la lumière plus importante chez les jeunes adolescents, mais indique une relation plus complexe entre l'heure de sommeil et la désynchronisation circadienne chez les adolescents post-pubères. [Limitations : pas d'information sur la nature de la source de lumière ni la température de couleur, ni les valeurs d'exposition au niveau des yeux].

### 3.3.2.5.5 Conclusions

En conclusion, les différents articles soutiennent l'hypothèse selon laquelle les enfants et adolescents seraient plus sensibles aux effets de l'éclairage nocturne que les adultes, ceci potentiellement en raison de la transparence du cristallin laissant entrer plus de lumière. La transmission des rayonnements de longueur d'onde courte serait particulièrement importante, parce que le jaunissement progressif du cristallin en fonction de l'âge filtre ensuite plus efficacement cette gamme. Certaines études ont été réalisées en conditions réelles dans un contexte familial, et mettent en évidence un effet significatif de l'intensité et du spectre de l'éclairage sur les cycles d'éveil et de sommeil et la synchronisation de l'horloge circadienne. À l'heure actuelle, il n'existe pas d'informations claires concernant les systèmes à LED qui projettent des images sur le mur pendant la nuit, les veilleuses à LED qui sont bleues ainsi que les jouets de type lampes de poche à LED.
### 3.3.2.6 Effets chez les adultes

#### 3.3.2.6.1 Étude expérimentale chez le jeune adulte : éclairage domestique et sécrétion de mélatonine

Les analyses réalisées chez les personnes adultes retrouvent en grande partie les tendances observées chez les jeunes. Gooley et al. (2011) ont examiné les effets de l'éclairage typique de domicile sur la sécrétion de la mélatonine dans le cadre d'une étude expérimentale. Cent seize jeunes adultes (18 - 30 ans, genre non-spécifié) ont été recrutés pour l'étude, conduite en conditions contrôlées au laboratoire. Suite à un bilan de santé physique et mentale, les participants ont passé deux semaines à respecter un rythme d'éveil-sommeil de 16 h et 8 h respectivement. La source de lumière (plafonniers fluorescents), l'intensité (jusqu'à environ 200 lx au niveau de la cornée) et la température de couleur (4 100 K) furent toutes contrôlées. Les participants ont suivi un protocole selon lequel ils étaient exposés avant de se coucher soit à de la lumière faible (< 3 lx pendant 8 h), soit à de la lumière d'intensité de 200 lx pendant 8 h, comparable aux niveaux domestiques standards. La concentration plasmatique de mélatonine était mesurée par des prises de sang automatisées, toutes les 30 à 60 minutes. Les résultats montrent qu'une exposition de 20 lx retarde significativement le DLMO (> 1 h) chez 99 % des participants, et que la durée totale de sécrétion est amputée de 60 minutes. De plus, une exposition à 200 lx pendant le sommeil réduit la concentration de mélatonine de 50 %. En résumé, des conditions d'éclairage typiquement rencontrées à la maison peuvent affecter la sécrétion de la mélatonine et possiblement la régulation de l'horloge, ce qui pose la question des conséquences sur la santé à long terme.

#### 3.3.2.6.2 Étude expérimentale chez le jeune adulte : exposition forte à la lumière la nuit et paramètres glycémiques

Les effets aigus d'une exposition à la lumière la nuit ont été mis en évidence par Gimenez et al. (2017). Leur étude comprenait 17 participants jeunes adultes (moyenne d'âge 22,5 ans, 9 hommes, 8 femmes) qui ont été suivis pendant 11 h (de 18h00 à 05h00) en conditions d'intensité lumineuse basse (< 5 lx) ou forte (500 lx). La source lumineuse était une lampe fluorescente, dont les caractéristiques spectrales d'émission sont présentées dans l'article (trois pics principaux vers 430, 550 et 610 nm, chacun d'irradiance ~3,5 W/m²), et les intensités au niveau cornéen étaient mesurées dans le sens vertical (basse, 1,21 ± 0.13 lx ; forte 552,7 ± 16 lx) et horizontal (basse, 1,06 ± 0,06 lx ; forte, 305 ± 10,1 lx). Des prises de sang et de salive ont été obtenues avant, pendant et après l'exposition à la lumière, lors de laquelle (23h00) ils ont mangé un repas isocalorique, sans carbohydrates. Les échantillons ont été testés pour la présence d'insuline, de glucose, de mélatonine et d'acides gras. Les résultats montrent qu'avant le repas, les acides gras étaient significativement plus élevés en lumière basse qu'en lumière forte (p < 0,01). Après le repas, les taux de glucose et d'insuline étaient significativement plus élevés en lumière forte qu'en lumière basse (p = 0,02, p = 0,001, respectivement). Les niveaux de mélatonine salivaire étaient significativement plus élevés en lumière basse qu'en lumière forte (p = 0,005). L'exposition à la lumière forte pendant la nuit était associée à une augmentation significative du glucose plasmatique et de l'insuline, suggérant une intolérance au glucose et une insensibilité à l'insuline. Ces résultats peuvent expliquer certains des problèmes de santé signalés chez les travailleurs postés, et suggèrent que les déséquilibres métaboliques interviennent très rapidement lors d'un éclairage nocturne.

#### 3.3.2.6.3 Études expérimentales chez l'Homme : sensibilité de l'horloge circadienne à une exposition à la lumière la nuit courte mais intense

La sensibilité de l'horloge circadienne même lors d'expositions lumineuses de nuit de très courte durée a été mise en évidence par les travaux de Chang et al. (2012) et Rahmann et al. (2017a) (et de plus anciennes publications de Gronfier et al. (2004) et Rimmer et al. (2000)). Chang et al. ont montré que des participants (39 jeunes adultes, moyenne d'âge 22 ans, 23 hommes, 16 femmes) exposés à respectivement 12 minutes, 1 h, 2,5 h et 4 h de
lumière intense (éclairement lumineux de 8 000 à 9 000 lx mesuré au niveau de l'œil, plafonniers fluorescents de température de couleur 4 100 K) pendant la période d'obscurité, montraient tous un retard de phase de l'horloge circadienne, comme en témoigne le retard du DLMO. De plus, le rapport entre la durée et l'amplitude du décalage est non-linéaire, puisque si les données sont analysées sous la forme d'amplitude d'effet par rapport au temps d'exposition, l'exposition de 12 minutes est 5 fois plus efficace qu'une exposition de 4 h. Ces données ont été encore affinées par Rahmann et al., qui montrent qu'une exposition aussi courte que 15 secondes de lumière intense (comme avant, plafonniers fluorescents, éclairement lumineux de 9 500 lx, température de couleur de 4 100 K) est suffisante pour retarder l'horloge (paramètre mesuré : DLMO) chez des jeunes adultes volontaires (n = 26, moyenne d'âge 23,6 ans, 11 hommes, 15 femmes).

Plus surprenant encore, Najjar et al. (2016) ont montré que des flashs de 2 ms de lumière, lorsqu'ils sont présentés pendant 1 h au cours de la nuit avec une fréquence de 7,4 secondes, retardent l'horloge circadienne encore plus efficacement qu'une exposition à la lumière d'intensité équivalente pendant 1 heure. En résumé, ces résultats montrent qu'il est suffisant d'être exposé à une source lumineuse intense pendant la nuit pendant un petit laps de temps pour affecter l'horloge circadienne centrale.

### 3.3.2.6.4 Lumière à LED et dépendance spectrale de la désynchronisation circadienne

Rahmann et al. (2017b) ont également examiné la dépendance spectrale de la désynchronisation circadienne, en comparant les effets de la lumière fluorescente utilisée dans leurs études précédentes (température de couleur 4 100 K) et les effets d'une source LED sélectivement filtrée pour ne pas émettre entre 470 et 500 nm (qui correspond donc au pic mélanopique).

Les intensités utilisées furent d'environ 50 lx, estimées comme standard dans un contexte familial. Seize participants (moyenne d'âge 24,2 ans, 8 hommes, 8 femmes) ont été exposés à l'une ou l'autre des deux conditions lumineuses, à intensité de luminance égale (et pour les témoins à de la lumière faible, < 3 lx), pendant 8 h avant de se coucher, avec comme mesures effectuées le DLMO, un EEG et plusieurs caractéristiques du sommeil (« efficacité du sommeil » définie comme le temps passé actuellement endormi par rapport au temps total passé au lit, et le profil des ondes lentes comme un paramètre de la qualité du sommeil). Comme attendu, la suppression de la mélatonine fut moindre sous une lumière < 3 lx, et la source LED filtrée fut moins perturbatrice que la lumière de 4 100 K (24,6 ± 10,3 % comparé à 56,5 ± 4,9 % respectivement ; p < 0,01). De même, la concentration totale de mélatonine plasmatique quantifiée pendant la période expérimentale était significativement plus importante pour les personnes exposées à la source LED filtrée qu'à la lumière de 4 100 K (72,4 ± 19,9 pg/mL comparé à 41,4 ± 7,7 pg/mL ; p < 0,05). Bien que la somnolence subjective ne fut pas différente entre les deux groupes, la mesure objective de l'attention l'était (temps de réaction à un stimulus auditif, p < 0,05). Les corrélats de vigilance basés sur l'EEG ont corroboré la vigilance réduite en conditions d'éclairage avec LED, comme le montre une augmentation significative de la puissance spectrale en EEG dans les bandes delta-theta (0,5-8,0 Hz). Ce résultat est similaire à celui de deux études plus anciennes réalisées par le groupe de Cajochen (Cajochen et al. 2011, Chellappa et al. 2011), montrant d'une part que la température de couleur est similairement corrélée aux effets non visuels de la lumière sur la mélatonine, la somnolence et le bien être (plus d'effet avec 6 500 K que 2 700 et 3 000 K) (Chellappa et al. 2011), et d'autre part que la lumière émanant des écrans à LED, riches en longueurs d'ondes courtes, induit des réponses plus intenses des mêmes fonctions non visuelles par rapport à des écrans cathodiques (Cajochen et al. 2011).

### 3.3.2.6.5 Travail de nuit, sécrétion et cinétique de la mélatonine

Papantoniou et al. (2014) ont examiné deux cohortes de travailleurs, l'une de jour et l'autre de nuit, en conditions réelles de travail. Les participants (117 dont 75 de nuit, 42 de jour ; âgés de 22 à 64 ans, hommes et femmes) furent équipés d'appareils de mesure pour
quantifier l'exposition lumineuse au cours de la période de 24 h, des échantillons d'urine furent également collectés (analysés pour la concentration de 6-sulfatoxymélatonine (6-SM) le métabolite majeur de la mélatonine et un bon indicateur de la phase de l'horloge circadienne). Par ailleurs leurs caractéristiques sociales, professionnelles, de modes de vie et leurs chronotypes furent établies. Entre minuit et 05h00, les travailleurs de nuit étaient exposés à une intensité lumineuse médiane de 38 lx (variation de 15 à 246 lx), émise principalement par des lampes fluorescentes aériennes. En moyenne, les travailleurs de nuit montraient des taux nocturnes de 6-SM inférieurs aux travailleurs de jour (10,9 vs 15,4 ng/mg de créatine, p < 0,05), et la différence était encore plus importante chez les personnes de chronotype matinal (6,4 ng) ; le pic de mélatonine était décalé de 3 h environ chez les travailleurs de nuit et il y avait une corrélation positive entre l'intensité lumineuse de l'environnement du lieu de travail et la suppression de mélatonine. En résumé, cette étude a évalué l'association du travail posté avec la sécrétion et la cinétique de la mélatonine, un mécanisme potentiellement impliqué dans le risque accru de cancer. Dans cette étude, le travail de nuit chronique est associé à des concentrations réduites et à un retard de phase de la 6-SM, par rapport aux travailleurs de jour.

Le rapport entre travail de nuit, exposition lumineuse et santé humaine est repris par un article de revue de Touitou et al. (2017a), qui fait le point sur les publications portant sur le cancer (surtout du sein et de prostate), les problèmes du sommeil, les pathologies cardiovasculaires, le diabète, l'obésité, les problèmes cognitifs et la dégénérescence maculaire liée à l'âge. Cette dernière catégorie est très spéculative, renvoyant le lecteur sur des études de phototoxicité (voir la section 3.5.3). De même, une étude de Haim et Zubidat (2015) propose un mécanisme moléculaire potentiel qui pourrait relier mélatonine et susceptibilité aux cancers par le biais des modifications épi-génétiques. Ils notent que le fait que ces modifications soient réversibles souligne l'importance d'un diagnostic précoce afin d'intervenir le plus rapidement possible en amont de la maladie.

### 3.3.2.6.6 Conclusions

Suffisamment d'études rigoureuses chez l'Homme ont été conduites pour établir des liens forts entre d'une part l'intensité lumineuse et/ou la dépendance spectrale, et d'autre part la cinétique de sécrétion de la mélatonine et sa concentration plasmatique.

### 3.3.2.7 Effets chez les personnes âgées

#### 3.3.2.7.1 Spécificités des personnes âgées en rapport avec l'exposition lumineuse

De nombreuses études ont adressé l'importance de l'éclairage artificiel pour le bien-être et la santé des personnes âgées. Sachant que le vieillissement du cristallin diminue la transmission lumineuse à l'intérieur de l'œil (une personne de 60 ans a une transmission des longueurs d'onde courtes réduite de prêt de 50 % par rapport à une personne de 20 ans, Najjar et al. 2016), certains auteurs avancent le fait que cela pourrait impacter négativement l'horloge circadienne. Toutefois, les études très contrôlées sur le sujet ne sont pas consensuelles. Si Duffy et al. (2007) montrent que l'effet de la lumière sur la synchronisation du système circadien chez le sujet âgé est réduit par rapport au sujet jeune entre 50 et 1 000 lx, Sletten et al. (2009) ne trouvent pas que les sujets âgés sont moins sensibles au décalage de phase en réponse à un stimulus lumineux à 460 nm, et Danault et al. (2012) observent une sensibilité du réflexe pupillaire équivalente entre les adultes jeunes ou âgés à la lumière bleue ou verte. Plus récemment, Najjar et al. (2014) montrent que, même si la transmittance du cristallin est effectivement réduite chez les sujets âgés, leur réponse circadienne à la lumière (quantifiée via la suppression de mélatonine) n'est pas différente des jeunes. En revanche, une étude récente de Gabel et al. montre que la température de couleur de l'éclairage (et notamment la proportion des longueurs d'onde courtes) exerce des effets différentiels sur la physiologie circadienne chez les individus jeunes et âgés (Gabel et al., 2017). Dans leur analyse, un groupe de jeunes adultes (n = 26, dont 15 H, 11 F, moyenne d'âge 26 ans) fut comparé à un groupe de personnes âgées (n = 12, dont 9 H, 3 F, moyenne d'âge 63,6 ans) au regard de leur réactivité dans le cadre d'un test d'éveil
prolongé. Les participants sont restés éveillés pendant 40 heures, et la concentration de mélatonine et de cortisol plasmatique, ainsi que la somnolence, la température de la peau et l'activité locomotrice étaient mesurées toutes les heures. Les deux groupes ont été exposés à trois conditions d'éclairage différentes : soit de la lumière d'intensité faible (« DL », 8 lx), soit de la lumière blanche d'intensité modérée (« WL », 250 lx, température de couleur 2 800 K), soit de la lumière enrichie en bleu (« BL », 250 lx, température de couleur 9 000 K). Dans les deux groupes, les conditions WL et BL ont augmenté l'état d'éveil par rapport au DL. Par contre, la sécrétion de mélatonine en début de soirée était inhibée uniquement chez les participants jeunes (WL et BL). Les niveaux de cortisol étaient augmentés et les niveaux d'activité diminuaient chez les plus âgés comparés aux jeunes, seulement sous BL (p = 0,0003). Comparativement aux jeunes, la température de la peau était plus basse chez les participants plus âgés sous toutes les conditions d'éclairage.

Ainsi, l'hypothèse selon laquelle les sujets âgés sont moins sensibles à la lumière, en ce qui concerne leur système circadien, n'est pas soutenue par ces études, en dépit de cristallins oxydés qui induisent une diminution de la quantité de lumière bleue qui pénètre dans les yeux. Il en ressort que selon le protocole expérimental employé ou le paramètre examiné, des effets différentiels sur le réseau circadien des adultes jeunes ou âgés peuvent être ou non mis en évidence. Des hypothèses pour expliquer cette contradiction apparente mettent en avant une adaptation du système circadien chez les personnes âgées, par exemple un remaniement de la morphologie des iRGCs ou une augmentation de l'expression de la mélanopsine (Najjar et al., 2014 ; Eliasieh et al., 2007).

Malgré ces incertitudes sur la sensibilité plus ou moins importante des personnes âgées aux effets de la lumière sur la synchronisation de l'horloge circadienne, Ellis et al. (2013) émettent l'hypothèse que la mise en œuvre d'un système d'éclairage spécifiquement conçu pour synchroniser les rythmes circadiens dans une population âgée (et sénile) permettrait d'atténuer les symptômes de démence et ainsi améliorer la qualité de vie des résidents et des soignants.

Kim et al. (2014) proposent qu'une diminution de la réactivité aux stimuli lumineux pourrait expliquer la phase circadienne avancée chez les personnes âgées. Les auteurs prédisent que les personnes âgées auraient des réponses circadiennes amoindries à des intensités lumineuses faibles ou modérées, mais pas à des intensités élevées. Ils ont donc comparé les réponses (changement de phase) à une exposition à 2 h de lumière blanche chez deux groupes d'adultes jeunes (moyenne d'âge 25,1 ± 4,1 ans, 8 hommes, 21 femmes) et âgés (moyenne d'âge 66,5 ± 6 ans, 5 hommes, 11 femmes), en bonne santé. Ils ont participé à deux séjours de 4 et 3 jours au laboratoire, et les sujets ont été assignés au hasard à l'un des trois points de temps différents, 8 h avant (-8), 3 h avant (-3) ou 3 h après (+3) la température minimale du corps (TMCmin), mesurée pendant une nuit de référence. Pour chaque condition, les sujets ont été exposés dans un ordre aléatoire à 2 h de lumière par des séquences de deux intensités (2 000 lx et 8 000 lx). Les changements de phase ont été analysés en fonction du point médian de la concentration de mélatonine mesurée les soirs avant et après l'exposition à la lumière. Les sujets plus âgés avaient une plus petite amplitude du rythme de la mélatonine par rapport aux sujets plus jeunes, mais il n'y avait aucune corrélation entre l'âge du groupe et l'amplitude de la réponse ou la direction des changements de phase en réponse à 2 h de lumière à 2 000 lx ou 8 000 lx. Ces résultats indiquent que l'âge n'affecte pas de manière significative la réponse aiguë au changement de phase à la lumière à large spectre et à intensité modérée ou élevée, en accord avec les résultats que nous mentionnions au début de cette section.

### 3.3.2.7.2 Exposition de personnes âgées la nuit à la lumière et effet sur la pression artérielle

Obayashi et al. (Obayashi et al., 2014) ont réalisé une analyse transversale sur 528 personnes âgées (247 H, 281 F, âge moyen : 72,8 ans) à domicile. Ils ont mesuré l'intensité lumineuse de la chambre à coucher à intervalles de 1 minute sur deux nuits consécutives, qui leur a permis de définir : 1) l'intensité lumineuse moyenne pendant la période passée au
lit, 2) la durée d'intensité lumineuse supérieure à 10 lx, et 3) la durée d'intensité lumineuse supérieure à 100 lx, pendant le temps passé au lit. Ces données ont également permis d'identifier différents groupes séparés par des seuils d'exposition de 3, 5 et 10 lx. En parallèle, la pression artérielle (PA) ambulatoire fut mesurée pendant la nuit, tout comme l'excrétion urinaire (taux de mélatonine) et l'état d'éveil-sommeil (actigraphie). La comparaison des moyennes ajustées par analyse de covariance montre que le groupe des personnes les plus exposées la nuit (> 5 lx, n = 109) a une PA systolique et diastolique nocturne (systolique : 120,8 contre 116,5 mm Hg, p < 0,01 ; diastolique : 70,1 contre 67,1 mm Hg, p < 0,01) nettement plus élevée par rapport au groupe des personnes peu exposées la nuit (< 5 lx, n = 419), indépendamment des facteurs de confusion potentiels pendant la nuit, de l'excrétion de la mélatonine et de la qualité du sommeil actigraphique. Les auteurs ont observé des associations cohérentes entre d'une part la lumière et d'autre part la PA nocturne à différents seuils d'intensité lumineuse (3 et 10 lx). En conclusion, l'étude montre que l'exposition à la lumière la nuit à la maison est significativement associée à une augmentation de 4,3 mm Hg de la PA nocturne chez les personnes âgées, indépendamment de l'excrétion urinaire de mélatonine pendant la nuit. Les auteurs indiquent que cette augmentation de la PA est associée à une augmentation de la mortalité totale de 6,1 %, ce qui correspond à environ 10 000 décès excédentaires annuels chez les personnes âgées japonaises.

### 3.3.2.7.3 Sécrétion de mélatonine chez les personnes âgées en fonction du genre

La même équipe a également abordé la question de la sécrétion de mélatonine en fonction du genre chez les personnes âgées (Obayashi et al. 2015). Ils ont mené une étude transversale sur 528 personnes âgées (247 hommes, moyenne d'âge 73,8 ans ; 281 femmes, moyenne d'âge 72 ans), mesurant la concentration de 6-SM (6-sulphatoxymélatonine) urinaire pendant la nuit et l'intensité de la lumière ambiante. L'étude ne montre pas de relation entre lumière ambiante et taux de mélatonine la nuit, ni chez les hommes ni chez les femmes. En revanche, les taux de 6-SM étaient significativement plus faibles chez les femmes que chez les hommes (p < 0,01), indépendamment de l'âge et de l'exposition à la lumière nocturne. En conclusion, les femmes âgées sécrètent nettement moins de mélatonine que les hommes âgés, ce qui pourrait être un facteur impliqué dans plusieurs maladies associées à la mélatonine chez les personnes âgées.

### 3.3.2.7.4 Exposition de personnes âgées à la lumière la nuit et dépression

Dans une troisième étude, Obayashi et al. (Obayashi et al., 2017) ont suivi la santé mentale d'une population âgée (n = 863, âge moyen 71,5 ans) pendant 4 ans. Au début de l'étude, aucun des participants ne montrait des symptômes dépressifs (selon une grille subjective de dépression chez les personnes âgées), alors qu'à la fin, 73 se signalaient comme affectés par la dépression. Si le niveau d'éclairage pendant la nuit (< ou > 5 lx) était pris en compte, le taux de symptômes dépressifs était significativement associé avec le groupe > 5 lx. Et ceci fut toujours significatif quand plusieurs paramètres confondants (tabagisme, alcoolémie, poids, statut socio-économique, santé métabolique) étaient exclus de l'analyse.

### 3.3.2.7.5 Qualité spectrale de la lumière et bienfaits neurologiques chez des patients atteints d'Alzheimer

Trois articles de l'équipe de Figueiro (Figueiro et al. 2015, 2016, 2017) s'interrogent sur le rapport entre intensité et qualité spectrale de la lumière et bienfaits neurologiques. Celui de Figueiro et al. (2015) examine les effets d'une installation lumineuse à la maison de soins pour les personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer (n = 35) et leurs soignants (n = 34), conçue pour augmenter la quantité de lumière artificielle, surtout dans la gamme mélanopique, pendant la journée (du moment d'éveil jusqu'à 18h00). Les participants ont porté des dosimètres pour mesurer la quantité de lumière au niveau des yeux et le pattern d'éveil-sommeil ; ils ont aussi répondu à des questionnaires sur la dépression et la qualité du sommeil. Les auteurs calculent le « stimulus circadien », à partir des valeurs enregistrées par les dosimètres, et montrent que ce stimulus augmente significativement lorsque
l'installation est opérationnelle, aussi bien pour les personnes malades que les soignants. De même, l'amplitude des rythmes d'activité motrice était augmentée par rapport aux jours sans utilisation de l'installation. Un autre système permettant d'augmenter l'exposition à la lumière des sujets âgés utilisait une table lumineuse, exploitant le fait que les personnes âgées passent beaucoup de leur temps assises autour d'une table (Figueiro et al. 2016). Les caractéristiques lumineuses des tables sont détaillées dans l'étude, et l'intensité de l'éclairage au niveau des yeux se situe entre 1 200 et 2 800 lx. Par rapport à une semaine de référence (sans table lumineuse), le pourcentage de « sommeil » et l'efficacité de l'entrainement de leur activité motrice étaient considérablement augmentés et les scores d'agitation et de dépression étaient considérablement diminués au cours des quatre semaines d'intervention. L'article de Figueiro et al. (2017) est une revue qui regroupe les données concernant l'influence de la lumière et le soin des personnes âgées et démentes. Ils insistent sur l'importance de marquer les périodes de jour et de nuit par une forte différence d'intensité lumineuse (voir la section), afin de stimuler l'horloge circadienne de façon optimale. [Limites de l'étude : cette étude n'a examiné que 6 patients et n'a pas mesuré de marqueurs objectifs du système circadien].

### 3.3.2.7.6 Lumière bleue et bienfaits potentiels chez les personnes séniles

Une étude de Sloane et al. évalue les possibles bienfaits d'un éclairage spécifique sur les personnes séniles et sur l'impact de l'âge. Sloane et al. (2015) ont comparé les effets d'un éclairage enrichi en bleu-blanc (composé de lumières plafonnières fluorescentes à 13 000 K, et de lampes LED avec un pic d'émission à 470 nm) par rapport à un éclairage contrôle « jaune-rouge » (composé de lumières plafonnières fluorescentes à 2 700 K et de lampes LED rouge de pic d'émission à 638 nm), pendant six semaines chez 34 participants (dont 17 personnes diagnostiquées comme souffrant de la maladie d'Alzheimer (6 H, 11 F, âgées de 65 à 80 ans), et leurs 17 soignants (4 H, 13 F, âgés de 18 à 60 ans). D'après les auteurs, la source lumineuse bleu-blanc devait stimuler le système circadien plus de 5 fois plus que la source de lumière jaune-rouge au même niveau de lumière (400 lx au niveau de la cornée), et la boîte à lumière LED bleue devait stimuler le système circadien plus de 1 000 fois plus que la LED rouge au même niveau de lumière (100 lx) au niveau de la cornée. Toutefois, les résultats de l'étude ne montrent pas d'effets des différentes lumières sur la qualité du sommeil, évaluée soit subjectivement (questionnaire) soit objectivement (actigraphie) chez les personnes malades. En revanche, l'étude montre que ces paramètres furent améliorés chez les soignants. Les auteurs suggèrent que soit des périodes plus longues, soit des intensités plus fortes, devraient être testées pour étudier leur efficacité potentielle. Il faut noter que cette étude ne comportait pas de condition contrôle sans lumière, et qu'elle ne permet pas d'exclure un effet différent des 2 lumières. Tout récemment, Hopkins et al. (2017) ont étudié les effets d'un environnement enrichi en lumière bleue sur le bien-être des patients souffrant de la maladie d'Alzheimer. Les espaces communaux de 7 maisons de soins ont été modifiés par l'installation de lumières fluorescentes enrichies en bleue (température de couleur 17 000 K, intensité 900 lx). Les participants (80 personnes, moyenne d'âge 86 ans, 69 femmes) ont été exposés à ces conditions lumineuses pendant 4 semaines (pendant les périodes d'utilisation des espaces communs), et les effets ont été comparés àceux en conditions standards (température de couleur 4 000 K, intensité de 200 lx) pour une même durée. Les paramètres étudiés furent la qualité du sommeil et l'état de l'humeur (par évaluation subjective, questionnaires), des tâches de psychomotricité et de vigilance, mesurés par le port d'actimètres et de luminancemètre. Comparée aux conditions contrôles (4 000 K), la lumière enrichie en bleue provoquait une avance de phase du rythme éveil/sommeil (p < 0.05), augmentait l'activité locomotrice aussi bien le jour que la nuit, et diminuait l'anxiété subjective et la qualité du sommeil. Il y avait donc des effets « bénéfiques » (augmentation d'activité de jour, diminution de l'anxiété) mais aussi néfastes (augmentation d'activité de nuit, baisse de qualité du sommeil).
#### 3.3.2.7.7 Conclusions

Les études réalisées soit en situation réelle domestique, soit en milieu hospitalier, mettent en évidence des effets nets de la lumière la nuit sur des paramètres tels que la suppression de la mélatonine, la pression sanguine et le sommeil. Ces observations sont à considérer indépendemment de la question de la sensibilité du système circadien chez les personnes âgées. Dans l'ensemble, les données sont solides et apportent des conclusions bien fondées.

### 3.3.3 Évaluation de l'effet de la lumière bleue sur les rythmes circadiens

#### 3.3.3.1 Écrans à LED et rythmes circadiens

La population générale étant de plus en plus sujette au visionnement d'écrans (téléviseurs, téléphones portables, tablettes...), de nombreuses études se sont intéressées aux effets liés à une exposition aux rayonnements de longueurs d'ondes courtes émis par ces écrans d'appareils connectés. Le laboratoire de Cajochen a été particulièrement actif dans le domaine, avec plusieurs études rigoureuses concernant la capacité de la lumière bleue à stimuler l'activation de l'horloge centrale aux heures de nuit par simple observation d'un écran d'ordinateur. L'exposition le soir aux écrans (téléviseurs, ordinateurs, téléphones portables) qui utilisent majoritairement les LED est de plus en plus importante.

##### 3.3.3.1.1 Écran à LED vs Écran CCFL, vigilance et suppression de mélatonine

Comme il avait été montré par le passé que la lumière bleue est un puissant signal de suppression de la libération nocturne de la mélatonine (Brainard et al., 2001, Thapan et al. 2001, Najjar et al. 2014), les chercheurs ont voulu savoir si la lumière émise par les écrans à LED, enrichie en émissions de longueurs d'ondes courtes, pouvait plus impacter l'horloge que la lumière émise par des écrans non-LED (« CCFL », lampe à cathode froid fluorescent). Ces études ont été conduites en mesurant la suppression de la mélatonine et l'augmentation de l'état de l'éveil. Il fut demandé à la cohorte examinée (13 jeunes hommes de 19 à 35 ans volontaires pour l'étude, critères d'inclusion : être en bonne santé générale, avoir une bonne qualité de sommeil sans être un chronotype extrême, et absence de problème oculaire) de respecter des critères stricts de cycle éveil / sommeil. Les conditions expérimentales furent rigoureusement contrôlées, de sorte que la seule source de lumière dans la pièce était les écrans, de taille et définition identiques, soit constitués de LEDs blanches froides (couleur de température 6 953 K), soit de CCFL (couleur de température 4 775 K), émettant ainsi ~3 fois moins de lumière à 454-474 nm en matière d'irradiance (0,241 W/sr.m²), ou 2,1 x 10¹³ photons/cm².sec pour les LED blanches froides, irradiance de 0,099 W/sr.m² (0,7 x 10¹³ photons/cm².sec) pour les CCFL. Les personnes devaient regarder les écrans pendant 5 heures en fin de soirée, et chaque volontaire était son propre contrôle (regardant tantôt un écran LED, tantôt un écran CCFL à 7 jours d'intervalle). Une batterie de tests – somnolence subjective, mouvements oculaires, traces électro-encéphalographiques, vigilance, mémoire - montrait que la personne était plus éveillée suite au visionnement d'écran LED par rapport au même visionnement d'un écran CCFL. Inversement, le visionnement d'un écran LED comparé à un écran CCFL provoquait un retard de sécrétion de mélatonine de ~30 minutes (Cajochen et al., 2011).

##### 3.3.3.1.2 Comparaison des effets sur la somnolence, la mélatonine et la phase du système circadien entre une lecture sur papier et une lecture sur écran à LED

Chang et al. (2015) ont comparé les effets de la lecture nocturne d'un livre électronique (« eBook ») (dont l'écran émet de la lumière) avec celle du même contenu mais imprimé sur papier (qui réfléchit la lumière ambiante), sur la somnolence, la sécrétion de mélatonine, la phase du système circadien, la latence d'endormissement et la vigilance matinale. Les eBooks utilisés possédaient des écrans à LED. Douze jeunes adultes en bonne santé
(moyenne d'âge 24,92 ± 2,87 ans, 6 hommes, 6 femmes) ont complété un protocole d'hospitalisation de 14 jours. Il fallait soit lire sur une liseuse à LED dans une pièce sombre, soit lire un livre imprimé dans la même pièce avec une lumière tamisée pendant environ 4 h avant le coucher, et ce pendant cinq soirées consécutives. Tous les participants ont complété les deux conditions de lecture, mais en ordre aléatoire. Les chercheurs ont comparé les effets sur la suppression de la mélatonine, et la qualité subjective et objective du sommeil, aussi bien immédiatement après la lecture que le lendemain. Analysée la 5ème nuit, la lecture sur eBook réduit la mélatonine circulante de 55 % par rapport au niveau normal, alors que la lecture d'un livre imprimé est sans effet (p < 0,001). De plus, la lecture sur un eBook retarde l'endormissement d'environ 10 minutes et diminue la durée du sommeil et la quantité de sommeil paradoxal. Enfin, la lecture sur eBook augmente la vigilance juste après lecture, par rapport à un livre imprimé, mais ce rapport est inversé le lendemain, la personne ayant lu un livre « normal » se signalant comme plus alerte, plus rapidement, par rapport au lecteur d'un eBook (vigilance matinale diminuée). Les détails de l'émission spectrale de l'eBook fut une irradiance totale de 1,03 × 10⁻¹ W/m² comparée à 3,23 × 10⁻³ pour le livre imprimé (plus de 30 fois supérieur) et un pic d'émission vers 452 nm (donc enrichie en lumière bleue) comparé à 612 nm pour le livre imprimé (lumière émise par les plafonniers et réfléchie par le livre imprimé), mesuré à une distance d'environ 38 cm.

Une étude analogue a été réalisée par Gronli et al. (2015), dans laquelle les caractéristiques du sommeil de 16 étudiants (moyenne d'âge 25,1 ± 2,9 ans ; 4 H, 12 F) ont été suivies à domicile en lisant soit une tablette tactile soit un livre pendant 30 minutes avant de dormir. L'éclairement lumineux était plus élevée avec la tablette qu'avec le livre (58,3 ± 6,9 vs 26,7 ± 8,0 lx, p < 0,001). Par rapport à la lecture d'un livre, la lecture d'une histoire sur une tablette diminue la somnolence subjective (augmente l'état d'éveil) avant l'endormissement, et après l'endormissement elle retarde la dynamique de l'EEG de l'activité des ondes lentes d'environ 30 minutes, et elle diminue l'activité totale des ondes lentes (c'est-à-dire elle perturbe transitoirement la qualité du sommeil). En revanche, il n'y avait pas de différence dans la latence de début de sommeil, ou le temps passé dans les différentes étapes du sommeil.

En revanche, une étude récente (Rangtell et al., 2016) a démontré qu'une exposition à une illumination forte dans la journée (569 lx pendant 6,5 h correspondant à ~14-20h00), préalable à la lecture en soirée, soit d'un livre conventionnel, soit d'un livre électronique, bloque les effets stimulateurs de l'écran. Dans leur analyse, 14 participants (dont 6 femmes) ont lu le même texte, en conditions contrôlées de laboratoire, en forme papier ou via un eBook. Les paramètres de poids, de santé physique et mentale, le comportement alimentaire, le tabagisme, les voyages trans-méridiens, ainsi que leurs profils de sommeil, furent tous analysés. Exposés à la lumière « forte » (venant d'une lampe plafonnière, de température de couleur 3 149 K, avec un pic d'émission à 611 nm et un petit pic à 490 nm) pendant 6,5 h durant l'après-midi et le début de soirée, ils lisaient les livres entre 21h et 23h00, avant de se coucher. Pendant les 2 h de lecture, la lampe plafonnière était éteinte et l'éclairage fourni soit par une petite lampe de chevet (livre en papier) soit par la tablette elle-même. Les niveaux d'éclairement dans les deux cas furent mesurés au niveau des yeux : éclairement lumineux moyen de 67,3 ± 49,9 lx, température de couleur 2 674 K pour le livre en papier et 102,1 ± 41,4 lx, température de couleur 7 718 K pour la tablette (P = 0,045, Wilcoxon). Des échantillons de salive furent prélevés pour doser la mélatonine et les caractéristiques du sommeil furent enregistrées par polysomnographie. Une semaine plus tard, l'expérience fut répétée mais en inversant le support de lecture (ie. cross-over design). Malgré les émissions enrichies en bleu émanant de la tablette, l'exposition préalable pendant la journée à une illumination intense bloquait les effets sur la suppression de la mélatonine et la qualité et quantité du sommeil. Ces données soulignent l'importance d'une exposition à la lumière dans la journée suffisamment intense pour bien synchroniser l'horloge circadienne, qui semble ainsi moins susceptible à des facteurs perturbateurs.
### 3.3.3.1.3 Conclusions

Les études regroupées sous cette rubrique jouissent d'une plus grande reproductibilité en conditions expérimentales (intensité et qualité spectrale des émissions des écrans sont plus simples à contrôler que dans d'autres situations), permettant des mesures fiables des critères physiologiques. De même cette catégorie contient le plus d'informations actuellement disponibles concernant les lampes à LED.

## 3.3.3.2 Études portant sur des LED et utilisant des moyens de filtrage de la lumière bleue

Les articles publiés se divisent en deux groupes : l'un impliquant un filtrage de la lumière bleue au niveau de l'écran ou *via* des lunettes, et l'autre par des approches plus générales, avec une modulation du spectre bleu incorporée directement dans le dispositif d'éclairage.

### 3.3.3.2.1 Comparaison de la suppression de la mélatonine entre une vision directe d'un écran, une vision avec des lunettes filtrantes et une vision avec des lunettes équipées de LED bleue.

Chez un groupe de jeunes adultes (n = 21, sexe non-spécifié, moyenne d'âge 28 ± 9,9 ans), Figueiro *et al.* (Figueiro *et al.*, 2011) mettent en évidence une suppression de la mélatonine mesurée dans la salive après visionnement d'écrans ou tablettes à travers des lunettes équipées d'émetteurs de lumière bleue (470 nm, 40 lx (40 mW/cm²) au niveau de la cornée), alors que le port de lunettes filtrant les rayonnements de courte longueur d'onde (teintées en orange, sans émission < 525 nm), ou le visionnement sans lunettes, n'a pas d'effet significatif sur les taux de mélatonine.

Wood *et al.* (Wood *et al.*, 2013) ont réalisé une étude sur les effets de l'utilisation des tablettes sur la suppression de la mélatonine sur un groupe de jeunes adultes (n = 13, sexe non-spécifié, moyenne d'âge 18,9 ± 5,2 ans). Il était demandé aux personnes de visionner les tablettes selon trois conditions : i) tablette seule sans lunettes, en position d'intensité d'écran maximale, ii) tablette après avoir mis les lunettes émettant 40 lx de lumière bleue, iii) tablette avec lunettes filtrant les émissions en dessous de 525 nm, comme décrit ci-dessus. Ils ont mis en évidence une relation « dose-réponse » entre l'intensité lumineuse et la suppression de la mélatonine, de sorte que le port de lunettes supplémentées en lumière bleue supprime la mélatonine après 1 ou 2 heures d'observation, la tablette seule sans lunettes après 2 heures mais pas 1 heure d'observation, et les lunettes filtrantes ni à 1 ni à 2 heures d'observation. Les auteurs proposent que ces données permettent aux fabricants de fixer des limites d'émission à ne pas dépasser.

### 3.3.3.2.2 Obtention d'une courbe réponse de suppression de mélatonine par stimulation à la lumière à LED bleue

West *et al.* (West *et al.*, 2011) ont construit une courbe dose-réponse pour la suppression de la mélatonine plasmatique chez les sujets sains (8 sujets, 5 H, 3 F, moyenne d'âge de 23,9 ± 0,5 ans) exposés à une gamme d'intensités de lumière LED bleue. Les participants devaient visionner un panneau d'éclairage entre 2h00 et 3h30. Des échantillons de sang ont été prélevés avant et après exposition à la lumière et la concentration de la mélatonine a été mesurée. Les résultats montrent que l'augmentation de l'intensité de la lumière bleue entraîne une augmentation de la suppression de la mélatonine plasmatique chez les sujets sains (p < 0,0001). Une comparaison de la suppression moyenne de la mélatonine avec 40 µW/cm² de lumière fluorescente blanche à 4 000 K, actuellement utilisée dans la plupart des appareils d'éclairage général, suggère que la lumière bleue est plus forte que la lumière fluorescente blanche pour supprimer la mélatonine. De plus, lorsque les pupilles sont exposées à une lumière fluorescente de 40 µW/cm², leur diamètre n'était pas significativement différent comparé aux intensités des LED les plus faibles (de 0,1, 0,5 et 2,0 µW/cm²), mais fut nettement plus petit comparé aux expositions aux rayonnements de 10 à 600 µW/cm². La constriction pupillaire est fortement influencée par les CGM, (Lucas *et al.*, 2003), et la mesure de ce paramètre donne une indication précise de l'activation du système
circadien [Limitations : faible nombre de participants].

### 3.3.3.2.3 Port de lunettes filtrantes en soirée devant des écrans à LED et sommeil

Van Der Lely et al. (Van Der Lely et al., 2015) ont étudié si l'utilisation de lunettes filtrant la lumière bleue pendant la soirée, alors que le sujet était assis devant un écran à LED d'ordinateur, favorise les mécanismes d'initiation du sommeil aux niveaux subjectif, cognitif et physiologique. Avant d'être examiner (treize volontaires de sexe masculin en bonne santé, âgés de 15 à 17 ans), les personnes étaient suivies pendant deux semaines au cours desquelles le cycle de veille/sommeil, l'exposition à la lumière du soir et l'utilisation de l'écran multimédia ont été surveillés. Des lunettes filtrantes ou des verres clairs (pour définir une situation de contrôle) ont été portés pendant une semaine pour visionner des écrans à LED en soirée. La mélatonine salivaire, la somnolence subjective et la vigilance ont été régulièrement dosées, et le sommeil qui a suivi a été enregistré par polysomnographie. En comparaison avec les verres transparents, l'utilisation des filtres a considérablement atténué la suppression de la mélatonine induite par les LED le soir et a atténué la vigilance subjective avant le coucher. Les stades du sommeil et les mesures comportementales recueillies le matin suivant n'ont pas été modifiés. Donc les verres filtrants peuvent être utiles chez les adolescents afin de contrecarrer les effets induits par l'exposition à la lumière à travers des écrans à LED, et donc potentiellement réduire les effets négatifs que l'éclairage moderne impose à la physiologie circadienne le soir. Pour les deux modèles de lunettes utilisés dans cette étude, les spectres de transmission sont connus avec précision, et il faut souligner qu'en plus de bloquer les rayonnements de courte longueur d'onde, les lunettes bleues diminuent également la transmission lumineuse, de l'ordre de 30 % comparées aux lunettes claires (92 %). [Limitations : les auteurs soulignent eux-mêmes les deux limitations majeures de ces analyses, notamment la différence de transmission lumineuse entre les deux paires de lunettes, et la petite taille de la cohorte].

Des travaux réalisés par Oh et al. (Oh et al., 2015) et Heo et al. (Heo et al., 2017) ont concerné les effets des rayonnements bleus émis par les smartphones sur le système circadien. L'exposition à la lumière bleue émise par les écrans des smartphones diminue la mélatonine circulante de nuit, de façon d'autant plus importante en fonction du modèle de téléphone et de l'éclairage de la pièce. Les auteurs suggèrent une méthode pour contrecarrer ces effets négatifs en altérant le pourcentage de lumière bleue émise.

### 3.3.3.2.4 Filtrage des émissions bleues de l'éclairage de nuit et rythmes circadiens

Regente et al. (Regente et al., 2017) ont recruté 24 étudiants en médecine (15 hommes, 9 femmes, âge moyen 22,6 ans) pour participer à une étude de travail de nuit simulé en conditions d'éclairage soit très faible, servant de contrôle (< 3 lx), soit de lumière forte (317 lx, température de couleur 1 870 K) mais dont les émissions de courtes longueurs d'ondes (< 520 nm) étaient filtrées. Le groupe a respecté un cycle régulier jour-nuit pendant la semaine avant de commencer l'expérience, leur sommeil étant enregistré par polysomnographie. Le sommeil de la veille était considéré comme ligne de base, et les participants ont effectué du travail de nuit pendant 9 h, en commençant vers minuit. Lors de cette période, des mesures subjectives et objectives de vigilance et de somnolence furent collectées toutes les heures. Au milieu de l'expérience, le confort visuel subjectif fut noté. Les tâches à accomplir pour simuler le travail de nuit comprenaient de la lecture et de la conversation, et l'obligation d'enregistrer eux-mêmes les mesures électroencéphalographiques par ordinateur à chaque heure. Les participants ont effectué le travail dans les deux conditions lumineuses (cross-over design). Par ailleurs, la quantité et la qualité du sommeil dans la journée suivant le travail de nuit étaient également enregistrées. Les résultats montrent que les états de vigilance et de somnolence, la suppression de la mélatonine et le sommeil du lendemain ne sont pas différents entre un éclairage faible et un éclairage fort avec filtrage des émissions bleues (voire une légère amélioration de la vigilance en deuxième partie de nuit). En résumé, si le composé bleu de l'éclairage est filtré, cette illumination ne décale pas l'horloge circadienne et n'a pas d'incidence négative pour une seule nuit de travail.
### 3.3.3.2.5 Éclairages de modules à LED variables selon l'heure de la journée

Oh et al. (Oh et al., 2014) ont comparé les propriétés d'un éclairage artificiel du commerce, à savoir des LED blanches à quatre modules (constituées de LED rouges, ambrées, vertes et bleues), à la lumière du jour. Ces LED, dites « intelligentes » par les auteurs, ont des effets moindres sur la suppression et la sécrétion de la mélatonine, parce que la composante bleue peut être sélectivement filtrée aux heures précises par programmation. De plus, elles donnent une haute qualité de couleur pour la perception et la reproduction des couleurs, et une efficacité élevée en ce qui concerne les économies d'énergie pour le marché de l'éclairage LED. Bues et al. (Bues et al., 2012) vont plus loin en proposant un système d'éclairage à LED composé d'unités indépendantes de chaque couleur primaire, y compris deux sources de lumière bleue à 420 et 464 nm. En matière de perception, ce mélange est supposé donner l'impression visuelle d'une illumination blanche. Les auteurs proposent qu'un tel dispositif fournisse suffisamment de lumière « mélanopique » (à 464 nm) durant la journée, nécessaire à l'activation de l'horloge, puis à l'arrivée de la soirée, cette émission pourrait être sélectivement remplacée par de la lumière bleue à 420 nm (qui correspond au pic de sensibilité des cônes sensibles aux longueurs d'ondes courtes), entretenant ainsi la perception d'une émission globale blanche. [Limitations : cet article reste théorique par rapport à l'efficacité d'alterner entre les deux émissions spectrales de bleu].

### 3.3.3.2.6 Adaptation du système circadien à un environnement lumineux altéré

Gimenez et al. (2014) ont fait porter aux participants (à partir de 50 recrutés initialement, seulement 15 ont participé à l'étude : moyenne d'âge 23,5 ans, 7 hommes 8 femmes) des lunettes filtrant environ 50 % des émissions spectrales entre 450 et 550 nm. Elles étaient portées en continu pendant deux semaines, et durant ce temps les volontaires étaient libres de leurs mouvements. Afin de tester l'efficacité filtrante des lunettes, des participants les ont portées dans un test parallèle uniquement pendant l'exposition à la lumière forte (voir dessous). Ils se rendaient au laboratoire aux 15ème et 16ème jours pour quantifier l'amplitude et le profil de sécrétion de la mélatonine (DLMO), mesurer la suppression de mélatonine suite à une exposition à la lumière intense (~600 lx, pics d'émission spectrale à 430, 550 et 610 nm), ainsi que différents paramètres liés au sommeil. Les résultats montrent que, comme attendu, porter des lunettes filtrantes seulement au moment de l'exposition forte réduit la suppression de mélatonine de façon significative par rapport aux témoins (lumière faible). Mais de façon inattendue, les participants ayant porté les lunettes pendant deux semaines ne présentaient aucune différence en matière d'amplitude, de cinétique de DLMO ou de suppression de la mélatonine, par rapport aux témoins. De même, les paramètres mesurant la qualité du sommeil furent peu changés entre les groupes.

D'autres études indiquent également que le système circadien est capable de s'adapter aux conditions lumineuses précédentes. Hébert et al. (2002) ont montré que le potentiel de suppression de la sécrétion de mélatonine par une exposition durant la nuit à la lumière blanche (500 lx pendant 3 heures) était significativement plus élevée chez les personnes précédemment exposées à la lumière de faible intensité (< 200 lx) pendant la journée par rapport à celles exposées à la lumière de forte intensité (5 000 lx). Des résultats allant dans le même sens – qu'une exposition initiale à la lumière de faible intensité augmente la suppression nocturne de mélatonine par une exposition secondaire - ont été obtenus par Smith et al. (2004) et Jasser et al. (2006). Chang et al. (2011) ont analysé aussi bien la suppression nocturne de la mélatonine que la magnitude du retard de phase induit par une exposition à la lumière durant la nuit (étude réalisée chez 17 jeunes personnes, 10 hommes et 7 femmes, en bonne santé, moyenne d'âge 23,8 ans ; intensité lumineuse de 90-150 lx (maximum de 0,48 W.m⁻²)), et ceci suite à des expositions pendant les 3 jours précédents soit à de la lumière de faible intensité (1-3 lx, maximum de 0,01 W.m⁻²), soit d'intensité modérée (90-150 lx). Ils ont trouvé que l'exposition initiale à la lumière faible augmentait l'effet de suppression de la mélatonine et du retard de phase, induite par l'exposition nocturne de 68 % et 62 % respectivement par rapport au groupe exposé à la lumière modérée. La même équipe a étendu ces observations aux effets sur l'attention et l'état de
vigilance, utilisant le même protocole expérimental (Chang et al., 2013). Là aussi, une
exposition lumineuse précédant celle à la lumière de faible intensité augmente
significativement un effet stimulant de la lumière nocturne, par rapport à la même exposition
effectuée suite à des expositions en conditions de lumière d'intensité modérée.

Ces observations montrent qu'une adaptation du système circadien aux conditions lumineuses rencontrées précédemment (soit l'intensité, soit la composition spectrale) s'opère, elles mettent notamment en avant une sensibilité augmentée par une exposition en amont à des conditions lumineuses de faible intensité. Ces données suggèrent que la modification spectrale du régime lumineux aurait de moins en moins d'effet avec le temps.
[Limitations : fort désistement des participants dû essentiellement à l'inconfort des lunettes, difficultés d'interprétation].

3.3.3.2.7 Conclusions

L'enjeu sociétal de trouver des conditions optimales pour limiter l'exposition lumineuse ou exploiter les effets d'une exposition lumineuse en soirée a donné lieu à plusieurs pistes potentielles : le port de lunettes filtrantes ou l'installation des systèmes électroniques pour régler le contenu de la lumière en émission bleue en fonction de l'heure de la journée. Plus de recul est nécessaire pour juger laquelle(s) de ces approches sera/seront la plus efficace, mais la compréhension du mécanisme en jeu (activation du réseau circadien par les émissions de courtes longueurs d'onde) alimente activement les recherches.

3.3.4 Conclusions sur la lumière artificielle, les LED et les rythmes circadiens

3.3.4.1 Rappels synthétiques

Homme et rythmes circadiens

L'Homme est une créature diurne, et sa physiologie générale est adaptée afin d'être éveillé et pleinement actif le jour, et au repos la nuit. Les fonctions corporelles sont étroitement liées à ce cycle alternatif, comme les états de sommeil-réveil, et lors des cycles jour / nuit normaux chaque processus est optimisé pour survenir au moment approprié : pendant l'éveil la vigilance et les performances physiques et cognitives sont optimales, alors que pendant la phase de sommeil la température corporelle et la fréquence cardiaque sont en baisse (McGinnis & Young, 2016) et la concentration circulante de la mélatonine (neurohormone qui prépare l'organisme pour le sommeil, et qui agit également comme un anti-oxydatif puissant) est élevée. La coordination de ce répertoire complexe est contrôlée par une horloge circadienne centrale, elle-même synchronisée au cycle jour / nuit par des connections neurales spécifiques entre rétine et cerveau. Pour la fonction optimale de l'horloge, une différence marquée dans l'intensité et la qualité spectrale de la lumière entre le jour et la nuit est essentielle. Le mode de vie dans les pays industrialisés perturbe grandement cette alternance, avec une nette diminution d'exposition pendant la journée (de par l'activité sédentaire à l'intérieur) et l'éclairage excessif en soirée (de par l'illumination artificielle). Plusieurs conclusions ou tendances peuvent être établies sur la base des connaissances scientifiques rassemblées par ce travail d'expertise.

Les cellules ganglionnaires à mélanopsine (CGM), qui constituent le conduit unique pour véhiculer les informations lumineuses de la rétine vers l'horloge circadienne, sont extrêmement sensibles aux longueurs d'onde courtes (entre 450 et 500 nm), longueurs d'onde correspondant à la région bleue-turquoise du spectre. Dans le monde naturel, ces fréquences sont dominantes durant la journée et fortement présentes dans les rayonnements solaires, mais complètement absentes la nuit.

Dérégulation potentielle de l'horloge circadienne

Toute source de lumière en dehors des heures normales de la journée constitue un signal aberrant potentiel pour l'horloge circadienne, qui peut être désynchronisée de son rythme
naturel et provoquer ainsi des perturbations métaboliques, hormonales et physiologiques. Un tel signal peut aussi comporter des effets négatifs sur les autres fonctions non-visuelles de la lumière, par exemple en stimulant l'éveil et en inhibant l'endormissement en début de soirée. La part bleue de ces émissions est capitale, mais d'autres longueurs d'onde peuvent aussi influencer les CGM à travers leurs contacts synaptiques au sein de la rétine. Les LED de couleur blanc froid (température de couleur > 4 000 K) sont particulièrement impliquées en raison de leur spectre d'émission riche en longueurs d'onde courtes (~460 nm), mais toute source de lumière (fluorescente, halogène, fluocompacte...) qui émet dans ces gammes est concernée.

## Aspects dose-réponse

Les études scientifiques disponibles montrent que la valeur seuil pour que la lumière bleue puisse affecter l'horloge circadienne (témoignée par la suppression de la sécrétion nocturne de la mélatonine) est très basse, aux alentours de 10-40 lx (Cajochen et al., 2011 ; Chellappa et al., 2011 ; Green et al., 2017 ; Rahmann et al., 2017a ; Yoshimura et al., 2017) voire en dessous (Prayag et al. 2017). D'autre part, l'impact de la lumière sur l'horloge est non-linéaire, de sorte que des expositions aussi brèves que 15 secondes à intensité forte (9 500 lx, Rahmann et al., 2017b), ou même de 2 millisecondes (Najjar et al., 2016), y compris les yeux fermés et durant le sommeil (Zeitzer et al. 2011) peuvent la décaler. Il est important de souligner que ces valeurs d'exposition lumineuse sont présentes dans les habitations, où le niveau d'éclairage du soir avoisine ces intensités, voire peut être plus intense (~150 lx), et où plus la lumière a une température de couleur élevée (i.e. plus il y a du spectre bleu) plus son impact est négatif sur le sommeil (Higuchi et al., 2014, 2016 ; Gimenez et al., 2017 ; Touitou et al., 2017).

## Enfants et adolescents

Ces effets de retardement de l'heure de coucher, dus à la suppression de la mélatonine ou à l'activation de fonctions non-visuelles, sont encore plus marqués chez les enfants et les jeunes adolescents. Un facteur évident est la transparence du cristallin, plus importante chez les jeunes et qui laisse traverser plus de lumière que chez les adultes (> 20 ans), à émission égale. En plus de l'utilisation très répandue des appareils à écran LED chez les adolescents, les changements psychologiques, hormonaux et circadiens qui interviennent à cet âge (allongement de la période endogène), sont probablement aussi impliqués.

## Développement in-utero

Des travaux expérimentaux chez l'animal mettent en évidence un effet de l'éclairage de nuit sur la relation mère-fœtus, qui est prolongé au-delà de la naissance pour affecter la descendance même une fois arrivée à l'âge adulte. Or, la mélatonine circulante de la mère traverse facilement la paroi utérine pour entrer dans la circulation embryonnaire, où elle est impliquée dans la mise en place du système circadien en voie de développement. Des expériences réalisées chez les rats montrent qu'une diminution de la mélatonine chez la mère, due à l'exposition lumineuse de nuit, aurait des conséquences à de nombreux niveaux : taille du fœtus, difficulté d'accouchement, anxiété et problèmes mentaux (Okatani et al., 2001 ; Nagai et al., 2008 ; Richter et al., 2009 ; Mendez et al., 2012 ; Vilches et al., 2012). En extrapolant vers l'Homme, les perturbations circadiennes engendrées par l'éclairage moderne pourraient impacter négativement le développement *in utero*. Étant donné les impacts potentiels négatifs 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 sont compatibles avec les observations chez les adolescents humains.

De même, ces effets maternels mis en évidence chez l'animal influencent l'homéostasie métabolique des descendants, les prédisposant ainsi à des problèmes tels que le diabète et l'obésité (Varcoe et al., 2011). À l'heure actuelle, on ignore si les mêmes effets sont retrouvés chez l'Homme.
## Personnes âgées

À l'autre extrémité de la vie, les personnes âgées semblent aussi très perturbées, mais pour des raisons opposées : leurs cristallins étant relativement opacifiés, le passage lumineux est réduit par rapport aux jeunes adultes, et pourrait être même en dessous du niveaux lumineux nécessaire pour faire fonctionner correctement l'horloge circadienne. Même si cela ne semble pas être le cas chez le sujet sain (Najjar et al. 2014), les patients atteints de cataracte pourraient être à risque. Le niveau de luminosité dans les maisons de retraite et de soins semble insuffisant dans la journée pour remplacer les rayonnements solaires, et des études menées en conditions réelles montrent que l'exposition à des éclairages plus intenses dans la journée améliore la qualité du sommeil, l'humeur et les émotions des séniors et surtout ceux en état de déclin mental et de déficience cognitive (Obayashi et al., 2014 ; Figueiro et al., 2014, 2015, 2016, Riemersma et van Someren, 2009).

## Filtres à lumière bleue

Des solutions pour éviter les effets stimulateurs de la lumière bleue le soir sont déjà proposées : filtres incorporés aux écrans en soirée (Oh et al., 2014) ou filtres s'adaptant aux lunettes (Figueiro et al., 2011 ; Van der Lely, 2015), systèmes d'éclairage programmables qui contrôlent la quantité de lumière mélanopique (activant l'horloge circadienne) aux différentes heures du jour et de la nuit (Bues et al., 2012 ; Heo et al., 2016 ; Oh et al., 2015). À noter, une étude qui suggère qu'à force d'utiliser de telles approches, le réseau circadien pourrait s'adapter et devenir insensible à un filtrage optique des longueurs d'ondes courtes (Gimenez et al., 2014).

## Importance du contraste lumineux marqué entre le jour et la nuit

La synchronisation de l'horloge circadienne endogène avec l'heure solaire a évolué dans un cycle incessant d'alternance jour-nuit depuis l'apparition de la vie sur Terre, et les multiples composés de ce système complexe sont parfaitement adaptés à cette alternance. La synchronisation efficace de l'horloge circadienne centrale dépend d'une intensité de lumière importante durant la journée, et de l'obscurité pendant la nuit ; alors que le mode de vie du monde industriel tend de plus en plus vers une journée passée à l'intérieur (accompagnée par une baisse d'intensité lumineuse) et une soirée et une nuit exposées à de multiples sources d'éclairage au domicile, sur le lieu de travail et à l'extérieur (Smolensky et al., 2015 ; Martinez-Nicolas et al., 2013). Plusieurs articles portent sur l'importance de rétablir ces alternances marquées, aussi bien en situation quotidienne (à domicile, au bureau : Figueiro et al., 2017a ; Harb et al., 2015) qu'à l'hôpital en soins intensifs (Munch et al., 2017 ; Gimenez et al., 2017).

## Effets long terme et court terme

Alors que les effets à long terme peuvent être considérés comme « néfastes » dans leur ensemble (perturbation du sommeil engendrant des problèmes de fatigue, effets de la suppression de la mélatonine sur la santé physique et mentale, désynchronisation circadienne, etc.), à court terme, la stimulation de l'attention la nuit par la lumière bleue pourrait avoir un intérêt dans un contexte où la vigilance de nuit est capitale pour réduire le risque d'accidents, tels que pour l'utilisation de machines ou le transport routier (Chellappa et al., 2011 ; Sasseville & Hébert, 2010 ; Taillard et al., 2012). Figueiro et al., (2015) suggèrent que l'utilisation de la lumière rouge serait avantageuse de ce point de vue, parce qu'elle stimule la vigilance sans supprimer la mélatonine.

Ce travail d'expertise s'est concentré sur les effets de l'éclairage le soir ou la nuit (pas seulement à LED, bien que cette technologie se généralise) sur l'horloge circadienne, et à travers elle sur la santé physique et mentale à plus ou moins longue échéance. Mais un aspect jusqu'ici complètement négligé concerne la santé visuelle : la rétine contient une horloge circadienne propre à elle, et cette horloge est tout aussi affectée que l'horloge centrale par l'éclairage de nuit. Nous savons, par des études sur des modèles animaux, que la physiologie rétinienne est très altérée par la lumière blanche la nuit, mais nous ne savons pas encore si ces chamboulements sont également présents chez l'Homme et s'ils peuvent
provoquer des problèmes de vue des années plus tard. La phototoxicité (voir la section 3.5.1.5) est elle-même un processus pathologique dépendant de l'horloge rétinienne, et les études expérimentales montrent qu'elle est plus dommageable la nuit.

### 3.3.4.2 Évaluation du niveau de preuve

* Éléments de preuve chez l'Homme

Les données scientifiques évoquées dans cette section permettent de conclure que les éléments de preuve chez l'Homme sont suffisants quant à l'effet d'une exposition à la lumière riche en lumière bleue en soirée ou la nuit sur la perturbation des rythmes circadiens. Compte tenu de ce niveau de preuve chez l'Homme, il n'y a pas lieu de considérer le niveau de preuve chez l'animal.

* Classement

Compte tenu des éléments de preuve suffisants chez l'Homme, la perturbation des rythmes circadiens par l'exposition à une lumière riche en lumière bleue en soirée ou la nuit est avérée.

La perturbation des rythmes circadiens peut contribuer à la survenue de nombreux effets sanitaires : perturbation de la qualité et de la durée du sommeil, troubles métaboliques, cancer, obésité, pathologies cardiovasculaires, effets sur la santé psychique, ... Cependant, le lien direct entre l'exposition à la lumière riche en lumière bleue la nuit et ces effets sanitaires, bien que fortement suspecté, n'a pas encore été établi à ce jour chez l'Homme.

## 3.4 Effets des LED sur le sommeil et la cognition

### 3.4.1 Introduction

Les travaux scientifiques étudiant l'impact direct des LED sur le sommeil et la cognition sont peu nombreux. Néanmoins, il existe aujourd'hui de nombreux arguments dans la littérature scientifique qui plaident en faveur d'un impact physiologique étendu de la lumière, en particulier sur la régulation veille-sommeil (Cajochen et al., 2005 ; Munch et al., 2006). Il existe de plus d'arguments épidémiologiques forts qui montrent que la surexposition lumineuse au cours de la journée (en particulier en soirée) modifie les habitudes de sommeil, en particulier pour les populations vulnérables telles que les enfants et adolescents (Keller et al., 2017).

En raison de l'interdépendance entre le sommeil et les fonctions cognitives, il est naturel d'envisager l'impact de la lumière sur la cognition. Comme pour tous les phénomènes biologiques, le comportement de sommeil est sensible au milieu dans lequel nous évoluons. Il est admis que la lumière est le synchronisateur le plus puissant du cycle veille-sommeil (Lewy et al, 1980 ; Boivin et al, 1996).

Au cours des 3 dernières décennies, le développement de l'éclairage nocturne a modifié les conditions de vie et de travail. Cette extension temporelle de l'utilisation de la lumière artificielle est couplée à la généralisation de l'utilisation de systèmes d'éclairage à basse consommation d'énergie. Il est de plus important de tenir compte de l'utilisation croissante de nouveaux outils de communication comportant des écrans éclairés (tablettes, ordinateurs, téléphones mobiles, etc.)

Ainsi, l'impact des LED sur la qualité et la durée du sommeil devient une question importante lorsque l'on sait que le spectre de certaines de ces diodes a la particularité d'être riche en
lumière bleue, dont on a déjà signalé l'influence sur le système circadien humain (voir la section 3.3).

La lumière bleue recouvre deux gammes de longueurs d'onde : les courtes (bleu - violet) qui sont dangereuses car phototoxiques, alors que les plus longues (bleu - turquoise) influencent nos fonctions homéostatiques et peut-être cognitives, car elles sont captées par les cellules à mélanopsine. La lumière a donc un impact sur le rythme veille-sommeil non seulement en perturbant le système circadien mais également en affectant la régulation homéostasique du sommeil. Ces perturbations modifient à la longue la qualité et la durée du sommeil, impactant ainsi les besoins de sommeil. Les répercussions sur le fonctionnement diurne (cognition et vigilance) en sont le corollaire.

### 3.4.1.1 Besoin de sommeil et santé

Le sommeil occupe environ le tiers de notre vie, il est indispensable à la récupération de la fatigue physique et mentale accumulées dans la journée. Il est essentiel à la préservation des capacités cognitives et motrices, à l'ajustement de nombreuses sécrétions hormonales ainsi qu'à la restauration du système immunitaire ou encore au repos du système cardiovasculaire.

De nombreux travaux ont montré le rôle fondamental du sommeil sur la santé physique et mentale des individus à tous les âges de la vie (Giordanella et al., 2005). Il n'est pourtant pas simple de définir le besoin de sommeil. En 2015, la fondation nationale du sommeil américaine (National Sleep Foundation) a publié des recommandations issues de l'analyse de plus de 300 publications scientifiques par un panel de 18 experts (M. Hirshkowitz et al., 2015). Ces besoins en sommeil varient d'un individu à l'autre et pour un même sujet en fonction de son âge. L'âge est un facteur modulateur déterminant (cf. Tableau 2).

<table><caption>Tableau 2 : besoin de sommeil en fonction de tranches d'âge</caption><thead><tr><td></td><td>Tranche d'âge</td><td>Besoins</td></tr></thead><tbody><tr><td>Nouveau-nés</td><td>0-3 mois</td><td>14 à 17 h</td></tr><tr><td>Nourrissons</td><td>4-11 mois</td><td>12 à 15 h</td></tr><tr><td>Bébés</td><td>1 à 2 ans</td><td>11 à 14 h</td></tr><tr><td>Jeunes enfants</td><td>3 à 5 ans</td><td>10 à 13 h</td></tr><tr><td>Enfants</td><td>6 à 13 ans</td><td>9 à 11 h</td></tr><tr><td>Adolescents</td><td>14 à 17 ans</td><td>8 à 10 h</td></tr><tr><td>Jeunes adultes</td><td>18 à 25 ans</td><td>7 à 9 h</td></tr><tr><td>Adultes</td><td>26 à 64 ans</td><td>7 à 9 h</td></tr><tr><td>Seniors</td><td>65 +</td><td>7 à 8 h</td></tr></tbody></table>

Source : (National Sleep Foundation, 2015)

Le sommeil est considéré aujourd'hui comme un facteur de protection de l'état de santé. À l'inverse, la réduction de la durée quotidienne de sommeil ainsi que les perturbations de la qualité du sommeil ont des conséquences négatives en matière de santé ainsi que sur le fonctionnement social et professionnel (accidents de la route et accidents du travail liés à la somnolence, absentéisme) (Leger et al., 2002 ; Leger et al., 2006 ; Godet Cayré et al., 2006).

La durée moyenne du sommeil des français se situe autour de 7 heures par jour (Beck et al., 2006). Cette durée ne correspond pas nécessairement aux besoins de sommeil. En effet, certains individus (les longs dormeurs) peuvent avoir besoin de 9 heures de sommeil, là où
les courts dormeurs peuvent se contenter de 5 heures par nuit. Il est possible de fixer les
besoins physiologiques, c'est-à-dire en matière de norme prophylactique pour un adulte
entre 7 et 8 heures par jour au cours de la semaine et de 8 à 9 heures les jours de repos.

3.4.1.2 Facteurs influençant le sommeil

3.4.1.2.1 Facteurs environnementaux

À côté des effets de la lumière, on connaît bien les effets sur le sommeil de la température
ambiante, du bruit, des facteurs nutritionnels ainsi que des facteurs psychosociaux (stress).
L'addition de ces facteurs environnementaux peut avoir un effet cumulatif conduisant à une
perturbation de la durée et de la qualité du sommeil. De plus, la susceptibilité à
l'environnement est modulée par certains facteurs, notamment génétiques.

3.4.1.2.2 Les facteurs héréditaires

Génétique du sommeil normal

À ce jour, il n'a pas été mis en évidence de gènes pouvant expliquer la durée ou la structure du sommeil. En effet, d'un point de vue phénotypique, le sommeil est une fonction complexe et élaborée, impliquant de nombreux paramètres (facteurs comportementaux, aspects électroencéphalographique (EEG), circadien, sensibilité à la privation de sommeil). L'architecture d'un sommeil est sous l'influence de plusieurs gènes et plusieurs arguments cliniques et épidémiologiques en attestent. Les études de concordances sur les paires de jumeaux ont ainsi montré que les caractéristiques spectrales du signal EEG (puissance) étaient identiques pour les paires de jumeaux monozygotes en comparaison avec des jumeaux dizygotes (Andretic et al., 2008).

Génétique de l'horloge biologique

Les rythmes circadiens sont en revanche très bien connus d'un point de vue génétique. Notamment les travaux sur la *Drosophila melanogaster* ont permis d'identifier une série de gènes (*clock*) dont l'analogie avec d'autres espèces mammifères et l'Homme a été rapidement confirmée. Aujourd'hui, on identifie plusieurs familles de gènes impliqués dans l'horloge biologique : les gènes *clock* codant les protéines *clock*, *period* 1, 2, 3 ( PER1, PER2, PER3) cryptochrome 1 et 2 (CRY 1 et CRY2) ( Parish JM,2013).

Génétique et sommeil pathologique

La plupart des maladies du sommeil ont une origine génétique, cependant la mise en évidence des gènes impliqués est complexe. À titre d'exemple, dans le cas de formes familiales de syndrome des jambes sans repos, les études de liens génétiques ont mis en évidence l'implication des *loci*45 RSL1 situés sur le bras court du chromosome 12 et RSL2 sur le bras court du chromosome 14. Les études d'associations génomiques ont permis de retrouver dans cette maladie un certain nombre de variants génétiques (BTBD9, MAP2K5, etc.). Certaines pathologies, comme l'insomnie fatale familiale, sont clairement associées à une mutation sur le gène codant la synthèse de la protéine prion (PRNP) sur la position 178.

Dans le syndrome d'apnées-hypopnées au cours du sommeil, le polymorphisme génétique du gène codant la synthèse d'enzyme de conversion de l'angiotensine serait impliqué chez certains patients apnéiques développant une hypertension.

<footnote n="45">45 Un *locus* (pluriel *loci*) est l'emplacement d'un gène sur un chromosome</footnote>
## 3.4.2 Physiologie et organisation du sommeil

### 3.4.2.1 Architecture du sommeil

Le sommeil est organisé de façon cyclique. Un cycle de sommeil dure environ de 1h30 à 2 heures. Une nuit de sommeil est caractérisée par une succession de 4 à 5 cycles de sommeil. La structure du sommeil est appréhendée par l'examen polysomnographique (cf. Figure 19) qui permet de définir les différents stades de sommeil.

<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>Figure 19 : dispositif d'enregistrement polysomnographique</figcaption></figure>

Polysomnographie : dispositif d'enregistrement permettant d'analyser plusieurs signaux (électroencéphalogramme, tonus musculaire mentonnier, respiration nasale, thoracique et abdominale, électrocardiogramme, saturation en oxygène).

Les stades de sommeil sont déterminés selon une classification des aspects des signaux EEG (électroencéphalogramme), l'EOG (électrooculogramme) et l'EMG (electromyogramme) actualisée en 2007 par l'AASM (*American Academy of Sleep Medicine*), qui a publié de nouvelles règles de codage du sommeil (Iber et al., 2007).

Il existe trois états de conscience qui constituent le rythme veille-sommeil : la veille, le sommeil lent (léger et profond) et le sommeil paradoxal. Le codage se fait par période de 30 secondes consécutives (encore appelées époques) et permet de définir ainsi chaque stade de sommeil (voir Figure 20).

L'organisation interne du sommeil est stable quelle que soit l'heure d'endormissement et pour tous les sujets d'un âge donné. Chez l'adulte, ce profil -ou hypnogramme- est stable pour un même individu. Il commence par une phase de sommeil lent léger (stades 1 et 2), puis apparaît le sommeil à ondes lentes qui correspondent au sommeil lent profond (stade 3). Ce dernier, qui est caractérisé par un ralentissement des fonctions cérébrales et une restauration de l'énergie (cérébrale). Il se prolonge pendant environ 60 à 90 minutes. Après le stade de sommeil lent profond survient le sommeil paradoxal qui dure une dizaine de minutes, et qui correspond au contraire à une hyperactivité du cerveau. La fin de la phase de sommeil paradoxal définit la fin du premier cycle du sommeil de la nuit. Un deuxième, troisième et quatrième cycle suivent, comportant chacun d'abord du sommeil lent puis du sommeil paradoxal (cf. Figure 20).
<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>Figure 20 : hypnogramme d'un adulte jeune comportant 5 cycles de sommeil sur une nuit</figcaption></figure>

L'alternance du sommeil lent et du sommeil paradoxal dépend de l'activation de nombreux réseaux neuronaux qui impliquent une multitude de neuromédiateurs comme l'acétylcholine et le glutamate, la sérotonine, la noradrénaline, l'histamine et l'hypocrétine (ou orexine).

Toute perturbation du fonctionnement de ces réseaux neuronaux aura des répercussions, sur la qualité et la durée du sommeil et sur certains troubles spécifiques du sommeil lent et/ou du sommeil paradoxal (Scammell et al., 2017).

### 3.4.2.2 Régulation du sommeil

Depuis les travaux d'Alexander Borbely (1986), les expériences de privation du sommeil montrent l'existence d'une régulation homéostasique. Ce mécanisme permet un retour à l'équilibre et se manifeste par une augmentation de la somnolence proportionnelle à la durée de l'éveil qui constitue une pression de sommeil. Cette pression de sommeil est caractérisée par un rebond d'efficacité du sommeil compensatoire. Ce rebond est à la fois quantitatif et qualitatif (augmentation du pourcentage en ondes lentes, et par une réduction des phases de transition du sommeil) (Borbely, 2016).
<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>Figure 21 : principaux processus de régulation du sommeil : homéostatique, circadien et ultradien</figcaption></figure>

Source : d'après Borbély, 2016

Trois composantes majeures régulent sommeil et vigilance :

* une composante homéostatique est liée à l'accumulation de la veille précédant le sommeil ;

* une composante circadienne évolue sur 24h ;

* une composante ultradienne explique la survenue du sommeil paradoxal à des moments définis du sommeil.

W : Wake (veille), S : sleep (sommeil), N : NREM = sommeil lent, R : REM = sommeil paradoxal, (Elbaz, 2016)

### 3.4.3 Sommeil et cognition : rôle de la privation de sommeil

Les effets de la privation de sommeil sur le fonctionnement cognitif commencent à être mieux connus. Nous savons ainsi qu'une privation aiguë de sommeil affecte les performances cognitives. Il existe un large consensus concernant l'impact de la privation de sommeil sur la vitesse de traitement de l'information, sur la vigilance et l'attention. En revanche, l'impact sur des fonctions cognitives complexes comme la perception, la mémoire ou les fonctions exécutives est discuté. Les études en IRM fonctionnelle ont retrouvé une activation du cortex préfrontal chez des sujets privés de sommeil sans montrer une atteinte franche des fonctions exécutives (Killgore et al. 2010, Maire et al., 2018).
### 3.4.4 Effets de la lumière sur le sommeil et la cognition : résultats de la recherche bibliographique

L'exposition à la lumière peut modifier le comportement de sommeil en induisant une privation de sommeil. Aux États-Unis, on estime que 50 à 70 millions d'individus souffrent des conséquences sanitaires (diabète, obésité, maladies cardiovasculaires et neurologiques) et accidentelles (accident de la route) des troubles du sommeil et de la dette de sommeil (Colten et al., 2006). De plus, les expositions lumineuses, notamment nocturnes, ont un impact sur le système circadien, la sécrétion de mélatonine et le sommeil (Czeisler, 2013).

En France, l'étude HBSC 2010 (Health Behaviour in School-aged Children) publiée par l'Inpes en septembre 2012 montre que les adolescents qui utilisent un ordinateur ont un temps de sommeil plus court (8 h 06 versus 8 h 50), tout comme ceux disposant d'un téléphone mobile équipé d'internet (7 h 59 versus 8 h 44) ou encore ceux regardant la télévision le soir dans leur chambre (8 h 16 versus 8 h 48). Or, les technologies à LED tendent à devenir les sources lumineuses prépondérantes pour ce type d'application à écran. Cette stimulation lumineuse couplée à une excitation intellectuelle entrainent à la fois un décalage des heures de sommeil et une réduction de sa durée (Godeau et al., 2012).

Une étude anglaise publiée par Public Health England (PHE) (Kevin Feston, 2013) indique qu'au-delà de 4 h / jour d'exposition aux écrans (tablette, télévision, jeux videos) les pré-adolescents pourraient souffrir de problèmes socio-affectifs, d'anxiété voire de dépression.

La question des effets directs des LED sur le sommeil et les fonctions cognitives est peu abordée dans la littérature scientifique. Les travaux existants abordent les effets directs des LED sur le rythme circadien et le sommeil (6 publications) ainsi que l'impact sur la cognition (2 publications, Park et al., 2013 ; Borragan et al., 2017), ou encore l'exploration des applications thérapeutiques des LED dans une utilisation peu classique (stimulation extra-oculaire) (Timonen et al., 2014; Naesaer et al., 2014 ; Naesaer et al., 2016).

#### 3.4.4.1 LED et sommeil

##### 3.4.4.1.1 Études portant sur l'utilisation d'une tablette à rétro-éclairage à LED

Les LED peuvent impacter le sommeil, notamment avec l'utilisation de tablettes ou de tout dispositif électronique disposant d'un rétro-éclairage à LED (ordinateur, téléphone mobile, écran de télévision). Wood et ses collaborateurs (Wood et al., 2013) ont étudié l'impact du retro-éclairage de tablettes sur la suppression de mélatonine en raison de leur émission lumineuse dans le spectre proche de la sensibilité de l'horloge biologique (voir la section 3.3 et la section 3.3.3.2.1, où cette étude est décrite). Les auteurs ont étudié 13 sujets adultes sains âgés de 18,9 ± 5,2 ans. Les sources lumineuses ont été testées dans 3 situations différentes :

* tablette avec des lunettes claires équipées de petites sources LED bleues délivrant 40 lx sur la cornée et $\lambda = 470$ nm, cette situation correspond à un témoin positif de l'expérience ;

* tablette avec lunettes teintées en orange filtrant les fréquences en dessous de 525 nm ;

* tablette sans filtre.
La Figure 22 présente les spectres effectifs des trois situations.

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>Fig. 1. Spectral transmittance of the orange-tinted glasses, the relative spectral power distribution (SPD) of a 470-nm (blue) LED, and the relative SPD of an iPad 1 (white screen, full brightness) used in the experiment.</figcaption></figure>

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

Durant les tests, les tablettes sont paramétrées en éclairage maximum. La suppression de mélatonine est significative à 1 h et 2 h d'exposition (t10 = 15, p < 0,001 et t111 = 16,1, p < 0,001) pour les tablettes avec lumière bleue. Le taux de suppression de la mélatonine est de 48 ± 4 %, proche du modèle de prédiction46 (46 %). Pour une exposition aux tablettes sans filtre, la suppression de mélatonine n'est pas significative après 1 heure d'exposition, mais elle le devient après 2 heures. La perception du sommeil est également modifiée avec une altération de la qualité du sommeil. Les auteurs concluent qu'une exposition aux écrans auto-éclairés des tablettes est susceptible d'entrainer non seulement des perturbations circadiennes mais également des troubles du sommeil. La durée d'utilisation avant le sommeil et la distance œil-écran sont des paramètres influents.

<footnote n="46">46 Le modèle de prédiction utilisé est celui proposé par Rea et ses collaborateurs (Rea et al., 2005, 2010, 2011).</footnote>
<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>Fig. 2. Mean ± SEM suppression values for the tablet-only and for the tablet with blue LEDs at 00:00 and at 01:00. Suppression after 1-h exposure to the tablet-only condition was not significantly different than zero; all other suppression values (marked with asterisks) were significantly greater than zero (p < 0.05). The orange-tinted glasses condition served as the "dark" control condition.</figcaption></figure>

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

Tablette LED bleues versus tablette utilisée sans filtre.

### 3.4.4.1.2 Études portant sur l'adolescent, son exposition lumineuse et les caractéristiques du sommeil

Un article de revue par Touitou et al. (2017) considère l'impact des appareils connectés (smartphones, portables, téléviseurs...) et leurs émissions lumineuses (enrichies en bleu de par l'utilisation des LED) sur la fragmentation du sommeil et ses conséquences (fatigue, somnolence dans la journée, difficultés scolaires) chez les adolescents. En résumé, à l'ère numérique, les enfants et les adolescents utilisent tous les jours, y compris la nuit, toutes sortes de consoles et d'écrans. Celles-ci montrent des effets néfastes sur le sommeil et la physiologie circadienne, affectant fortement les adolescents et représentant un facteur de risque pour la survenue de troubles sociaux et comportementaux (alcoolisme, échec scolaire,...). Les auteurs précisent que la lumière de nuit dans les espaces de vie devrait donc être réduite et contrôlée, afin de minimiser les effets néfastes associés à une telle exposition. Tout type de tablette (iPads, ordinateurs, smartphones, etc.) émettant de la lumière enrichie en bleu utilisée en soirée (voir le sous-chapitre 3.3.3.1) peut bloquer la sécrétion de la mélatonine si les intensités sont suffisamment fortes, et induire un retard de phase de l'horloge circadienne qui pourrait, à la longue, entraîner une perturbation de la structure du temps circadien. Les auteurs de cette revue avancent que ces perturbations initiées chez les jeunes peuvent se prolonger à l'âge adulte et sous-tendent le développement de problèmes de santé.

Cependant, d'autres études ont rapporté l'absence de corrélation entre l'exposition lumineuse en soirée et le sommeil. Hersch et al. (2015) ont évalué le rapport entre, d'une part la durée du sommeil et le taux de mélatonine matinale, et d'autre part les habitudes de loisir et l'environnement lumineux de 100 adolescents (moyenne d'âge 15,7 ans, 45 hommes, 55 femmes). Il n'y avait pas de corrélation entre la durée de sommeil, l'éclairage nocturne, ou l'utilisation d'écrans connectés, et le taux de mélatonine. [Limitations : certains paramètres subjectifs, la durée de sommeil est déterminée par les adolescents eux-mêmes].

### 3.4.4.1.3 Comparaison des effets sur le sommeil par rapport à la composition spectrale, l'intensité et la durée d'exposition d'écrans à LED

Green et al. (2017a) ont exploré les effets indépendants et combinés de deux aspects de l'éclairage d'écran, à savoir la longueur d'onde d'émission et l'intensité lumineuse, sur le
sommeil et les effets fonctionnels associés. Le design (« 2 × 2 » mesures répétées) comprenait deux variables indépendantes : intensité lumineuse de l'écran [faible (fl) versus forte (FI)) : 80 lx (35 mW/cm²) et 350 lx (160 mW/cm²) respectivement] et longueur d'onde [courte (SW) versus longue (LW) ; 460 et 620 nm respectivement]. Dix-neuf participants (11 femmes, 8 hommes, moyenne d'âge 24,3 ± 2,8 années) ont subi quatre conditions de lumière, fl / SW, FI / SW, FI / LW et FI / LW, en ordre aléatoire. Chaque exposition à la lumière a duré deux heures (21h00-23h00), ensuite des enregistrements par polysomnographie ont été effectués durant la nuit. Chaque nuit la température orale et des échantillons d'urine (pour l'analyse de la mélatonine) ont été recueillis à plusieurs points horaires. Chaque matin, les participants ont rempli des questionnaires et ont réalisé une tâche d'attention informatisée. Indépendamment de l'intensité lumineuse, l'éclairage SW (émissions enrichies en longueurs d'ondes courtes) a considérablement perturbé la continuité et l'architecture du sommeil, et a conduit à une plus grande somnolence diurne. La lumière SW a également modifié les rythmes biologiques, perturbant le déclin nocturne normal de la température corporelle et amortissant la sécrétion nocturne de la mélatonine. L'intensité de la lumière semblait affecter de façon indépendante le sommeil, mais dans une moindre mesure. L'intensité lumineuse et la longueur d'onde ont tous les deux affecté négativement la vigilance mesurée le lendemain matin.

La même équipe a réalisé une étude similaire, mais en analysant cette fois les effets de la durée d'exposition (soit une seule exposition, soit une exposition répétée durant 5 nuits) aux écrans émettant de la lumière de longueur d'onde courte (Green et al., 2017b). Comme précédemment, 19 participants (11 F, 8 H, âge moyen 28,1 ± 7,2 ans) ont été suivis pendant 6 nuits en trois conditions différentes par mesures répétées : par rapport à une nuit de référence (première nuit, aucune exposition à la lumière), les participants ont eu soit une exposition aiguë (deuxième nuit seule) soit une exposition « chronique » (troisième à sixième nuits). Les participants devaient regarder un écran d'ordinateur à LED de taille 22 pouces, positionné au niveau des yeux à une distance d'environ 60 cm. L'intensité lumineuse émise par l'écran était ajustée à 350 lx, et la longueur d'onde dominante était à 460 nm. Chaque exposition à la lumière a duré 2 heures (21h00-23h00). Un test poly-somnographique était effectué à la fin de chaque condition (nuits 1, 2 et 6), et des échantillons d'urine (pour l'analyse du métabolite de la mélatonine) étaient recueillis. Les températures corporelles (orales) ont été mesurées avant et après l'exposition. Chaque matin, les participants ont rempli des questionnaires et effectué un test d'attention informatisé. Les résultats montrent que les deux scénarios, illumination aiguë et chronique, perturbent la qualité et l'architecture du sommeil et conduit à une plus grande somnolence de jour, à des émotions négatives et à des difficultés d'attention. Les deux types d'exposition ont également modifié les rythmes circadiens, atténuant le déclin nocturne normal de la température corporelle et amortissant la sécrétion nocturne de mélatonine.

Compte tenu de l'utilisation généralisée des dispositifs électroniques, ces résultats suggèrent que l'exposition à la lumière de l'écran pendant la soirée exerce des effets négatifs sur le bien-être, le sommeil et la performance chez l'humain, même après une seule soirée d'exposition. La longueur d'onde semble avoir une influence plus importante que l'intensité de la lumière sur le sommeil et une large gamme de fonctions biologiques et comportementales.

#### 3.4.4.1.4 Distance de visionnement d'un smartphone à LED et effet sur le sommeil

Yoshimura et al. (2017) ont examiné le lien entre la distance de visionnement d'un smartphone et la magnitude des effets sur le sommeil. Vingt-trois étudiants infirmiers (4 H, 19 F, âge moyen 19,7 ± 3,1 ans) ont fait l'objet de l'étude, le statut subjectif du sommeil a été évalué à l'aide du « Pittsburgh Index », un questionnaire concernant le chronotype et utilisant l'échelle de somnolence Epworth a été rempli. Les auteurs ont mesuré la distance entre la tête et la main tenant un smartphone dans des positions assises et couchées ; la distance en position assise variait de 13,3 à 32,9 cm, et en position couchée de 9,9 à 21,3 cm ; les intensités de luminance correspondantes furent de 25,3 à 42,6 lx en position assise et de
50,5 à 80,4 lx en position allongée. Il y avait une corrélation positive entre la courte distance de vision dans la position couchée et un état de sommeil plus faible (R² = 0,27, p < 0,05), une efficacité de sommeil plus faible (R² = 0,35, p < 0,05) et une latence de sommeil plus longue (R² = 0,38, p < 0,05). Par conséquent, selon les auteurs, toute recommandation d'utilisation du smartphone en position de repos devait prendre en compte les distances de visionnement.

### 3.4.4.2 LED et cognition

Park et ses collaborateurs ont analysé l'effet spécifique de l'exposition lumineuse sur l'électroencéphalogramme (EEG) en prenant en compte deux paramètres : le niveau d'éclairement et la température de couleur. Trente-deux sujets sains ont réalisé des tests cognitifs sous différentes ambiances lumineuses de température de couleur 2 766 K versus 5 918 K et d'intensité lumineuse 300 Lx versus 600 lx. Ces auteurs trouvent une augmentation significative de la puissance alpha de l'EEG avec des températures de couleur chaudes. La mesure de la puissance alpha à l'EEG serait un marqueur de la perception du confort lumineux et peut-être de l'impact cognitif de la lumière polychromatique. Il nous faut néanmoins rappeler que les résultats principaux de cette étude portent sur l'EEG et la perception subjective plutôt que sur une évaluation précise des effets cognitifs (Park et al., 2013).

Borragan et al. ont comparé l'impact d'un traitement par une lumière « bright light » (lumière bleue, $\lambda$ = 460 nm) versus « dim light » (lumière rouge-orange, $\lambda$ = 600 nm) sur une population de 20 adultes sains non privés de sommeil. Leur étude consistait en un essai randomisé en cross over. Les auteurs ne montrent pas d'effet de la lumière sur les performances cognitives (mesure objective par le PVT), ni sur la vigilance (mesure subjective par l'échelle de Karolinska). En revanche, plusieurs travaux ont montré l'impact de la lumière bleue sur les performances cognitives (Lockley et al., 2006, Chellapa et al., 2011 ; Vandewalle et al., 2007).

### 3.4.5 Conclusion et évaluation du niveau de preuve

La plupart des travaux scientifiques disponibles montrent que la lumière bleue altère la régulation du sommeil par le biais des perturbations circadiennes (voir chapitre sur les ryhtmes circadiens). Les éléments de preuve chez l'Homme sont suffisants pour conclure à un effet avéré de l'exposition à une lumière riche en lumière bleue en soirée sur la latence d'endormissement, la durée et la qualité de sommeil.
## 3.5 Effets des LED sur l'œil

### 3.5.1 Rappels sur l'anatomie et la physiologie de l'œil humain

<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>Figure 24 : anatomie de l'œil humain - coupe transversale</figcaption></figure>

La paroi du globe oculaire est formée de trois tuniques (cf. Figure 24) avec, de l'extérieur vers l'intérieur : 1) la tunique fibreuse externe qui se compose de la sclère, ou sclérotique, en périphérie et de la cornée en avant, 2) la tunique uvéale ou uvée qui se compose de l'iris en avant et du corps ciliaire et de la choroïde en arrière et 3) la tunique nerveuse interne formée par la rétine qui reçoit les rayons lumineux. Ces tuniques enferment trois milieux transparents différents localisés au centre de l'œil, qui garantissent l'acheminement des rayons lumineux jusqu'à la rétine : 1) l'humeur aqueuse, un liquide transparent qui remplit l'espace entre la cornée et le cristallin, 2) le cristallin qui joue le rôle de lentille centrale et 3) le vitré, corps vitré ou humeur vitrée (60 % du volume oculaire) qui est une masse gélatineuse et transparente maintenant la rétine sur les parois de l'œil et contenant 99 % d'eau.

#### 3.5.1.1 La surface oculaire

La surface oculaire comprend les paupières, le film lacrymal et la surface cornéo-conjonctivale.

##### 3.5.1.1.1 Le film lacrymal

Le film lacrymal (cf. Figure 25) est une couche de 7 à 40 µm, formée d'une solution d'eau, de graisses et de mucus. On distingue 3 couches : la couche muqueuse qui adhère à la cornée, la couche aqueuse intermédiaire et la couche lipidique en contact avec l'air. Chaque couche du film lacrymal joue un rôle important dans la physiologie de la surface oculaire. La couche aqueuse apporte de l'eau et des protéines solubles à la cornée et maintient sa transparence, la couche muqueuse favorise l'étalement du film lacrymal et participe à la défense anti-infectieuse en particulier grâce à certains types de mucines. La couche lipidique superficielle est produite par les glandes palpérales de Meibomius, elle limite l'évaporation de la couche aqueuse et contribue donc au maintien de l'osmolarité des larmes. Hormis des fonctions de défense contre les micro-organismes et de maintien de l'homéostasie nutritive de la cornée, le film lacrymal est un composant du pouvoir réfractif de la cornée en lissant la surface épithéliale. Le film lacrymal contient également des enzymes anti-oxydantes qui pourraient protéger les cellules de la surface oculaire contre le stress oxydatif.
<figure><img src="image_32.png" /><figcaption>Figure 25 : film lacrymal normal</figcaption></figure>

### 3.5.1.1.2 La conjonctive

La conjonctive est divisée en trois régions : conjonctive palpébrale, fornix (culs-de-sac conjonctivaux) et conjonctive bulbaire (qui recouvre la sclère).

L'épithélium conjonctival comprend des cellules mucipares, responsables de la sécrétion du mucus dans le film lacrymal. Le chorion conjonctival comprend des glandes annexes séreuses et muqueuses qui participent à la sécrétion du film lacrymal. Des lymphocytes dispersés dans la conjonctive assurent la reconnaissance antigénique.

### 3.5.1.1.3 Le limbe

Le limbe qui forme la jonction cornéo-conjonctivale est une région riche en cellules souches, essentielles à la régénération de l'épithélium cornéen (Dziasko et al., 2015). Mais le limbe joue également un rôle important dans la défense immunitaire (Garfias et al., 2012) et contient des mélanocytes (Higa et al., 2005). Tout déficit en cellules souches limbiques conduit à une altération majeure de la structure et de la transparence cornéenne.

### 3.5.1.1.4 La cornée

La cornée humaine comprend cinq couches qui sont, de l'extérieur vers l'intérieur : l'épithélium, la couche de Bowman, le stroma cornéen, la membrane de Descemet et les cellules endothéliales. La membrane de Descemet correspond à la membrane basale des cellules endothéliales. La cornée est le tissu le plus riche en nerfs sensitifs, à partir des nerfs ciliaires antérieurs de la branche ophtalmique du nerf trijumeau. La cornée est un tissu résistant transparent avasculaire. Son indice de réfraction est de 1,377 et son spectre d'absorption situé dans les infrarouges lointains (> 800 nm - > 2 400 nm) et les ultraviolets (< 300 nm – 400 nm). Elle transmet les rayonnements visibles.

### 3.5.1.2 L'iris

L'iris pigmenté donne sa couleur à l'œil, son centre forme la pupille. Il se situe dans l'humeur aqueuse qui remplit l'espace entre la cornée et le cristallin. L'iris est innervé par des fibres du système nerveux qui activent les muscles dilatateurs et sphincters responsables de la dilatation et de la constriction pupillaire. Ces mécanismes réflexes règlent la quantité de lumière pénétrant dans l'œil. L'ouverture de l'iris dépend aussi de la longueur d'onde du rayonnement. Ainsi, pour un rayonnement UV, le diamètre de la pupille est de l'ordre de 1 mm, pour un rayonnement visible et proche infrarouge, le diamètre de celle-ci est d'environ 7 mm. Pour des longueurs d'onde plus grandes, l'ouverture de la pupille peut atteindre 11 mm.

### 3.5.1.3 Le cristallin

Le cristallin joue le rôle d'une lentille ronde transparente biconvexe. Il permet par son pouvoir d'accommodation de focaliser les rayons lumineux provenant de l'objet observé sur la rétine. De forme biconvexe, flexible et transparent, il est situé à l'intérieur du globe oculaire juste en arrière de l'iris. Le spectre d'absorption du cristallin se situe dans les ultraviolets proches et infrarouges lointains. Comme nous le verrons plus loin, le spectre d'absorption du cristallin
change avec l'âge, expliquant que le risque de sur-exposition de la rétine à la lumière bleue est accrue chez le jeune enfant.

### 3.5.1.4 La rétine

La rétine mature de mammifère est composée de deux tissus : la rétine neurale (RN) et l'épithélium pigmentaire rétinien (EPR). Au niveau macroscopique, deux régions se distinguent plus particulièrement sur la rétine visualisée au fond d'œil : la papille optique et la région maculaire. La papille optique correspond à la tête du nerf optique visible sous forme d'un disque d'où émergent les artères et veines rétiniennes.

La région maculaire qui nous procure l'acuité visuelle du fait de la haute densité de photorécepteurs de type cône, présente une zone avasculaire en son centre. La zone la plus centrale, la fovea, ne contient que des cônes et des cellules gliales. La macula contient dans ses couches superficielles des pigments xanthophylles jaunes qui absorbent les rayonnements optiques bleus.

#### 3.5.1.4.1 Les bâtonnets

Les photorécepteurs sont responsables de la vision nocturne. Ils sont exclus de la zone très centrale de la rétine (fovéa) et demeurent par contre à très haute densité dans la partie périphérique, mais il serait impropre de leur attribuer la vision périphérique. Ces bâtonnets ont une très grande sensibilité, à tel point que des études suggèrent qu'ils pourraient faire la détection d'un unique photon. Dans la vie quotidienne, leur gamme de sensibilité est comprise entre $10^{-6}$ et $1 \text{ cd/m}^2$, ce qui correspond à la lumière de la pénombre et/ou du clair de lune.

#### 3.5.1.4.2 Les cônes

Les cônes sont très nombreux dans la partie très centrale de la rétine, la macula et sont les seuls photorécepteurs de la fovea. Cependant, bien que leur densité décroisse en périphérie, ils restent présents jusque dans la très grande périphérie, et peuvent notamment détecter le mouvement d'objets arrivant dans le champ visuel. Les cônes assurent la vision diurne. Leur sensibilité s'étend dans une gamme de luminance de $10^{-3}$ à $108 \text{ cd/m}^2$.

#### 3.5.1.4.3 La photo transduction

Les photorécepteurs, cônes et bâtonnets, transforment les photons en une activité électrique au niveau de leurs segments externes. Le pigment visuel est constitué d'une protéine, la rhodopsine pour les bâtonnets, les iodopsines pour les cônes et d'un chromophore, le 11-cis-rétinal. L'absorption d'un photon par le pigment visuel induit la transformation du 11-cis-rétinal en trans-retinal, produisant un changement conformationnel de la protéine dont la structure confère au pigment visuel sa sensibilité spectrale spécifique. Le changement de conformation du pigment visuel induit une cascade de réactions enzymatiques très consommatrices en énergie, qui assurent la transformation de l'énergie du photon en un signal électrique.

#### 3.5.1.4.4 Les cellules de l'épithélium pigmentaire (EPR)

Elles assurent de multiples fonctions : renouvellement du pigment visuel et cycle des rétinoïdes, digestion des segments externes des photorécepteurs, barrière hémato-retinienne externe, assurant les transports de nutriments et d'oxygène de la choroïde aux photorécepteurs, maintien de l'attachement de la neuro-rétine, absorption des photons par la mélanine contenue dans les mélanosomes permettant de limiter leur réflexion postérieure. Les cellules de l'EPR contiennent aussi des granules de lipofuscine qui s'accumulent avec l'âge, se combinent avec la mélanine (mélanolipofuscine) et peuvent induire des lésions phototoxiques par la génération de radicaux libres.
### 3.5.1.5 Contrôle rétinien du rythme circadien et de l'ouverture pupillaire

Un troisième système de photoréception est constitué d'une fraction de cellules ganglionnaires (cf. section 3.3) qui expriment la mélanopsine avec un pic de sensibilité à la lumière vers 482 nm chez le primate (Provencio et al., 2000 ; Provencio et al., 2002 ; Hattar et al., 2002 ; Dacey et al., 2005 ; Hannibal et Fahrenkrug; 2004 ; Gamlin et al.; 2007). La mélanopsine intervient non seulement dans la régulation des rythmes circadiens, mais aussi dans le contrôle du réflexe pupillaire stabilisé. Chez l'Homme, le calcul de l'éclairement énergétique rétinien requis pour une contraction pupillaire est en accord avec un pic de sensibilité entre 480 et 485 nm, vers 482 nm (Gamlin et al., 2007). Ces résultats confirment des mesures plus anciennes qui avaient évalué le maximum de contraction pupillaire proche de 490 nm (Bouma, 1962). En 2009, Mure et al. (Mure et al., 2009) ont montré que la mélanopsine possédait un système de photo-régénération indépendant de l'épithélium rétinien pigmentaire subissant une tranformation en méta-mélanopsine sensible à une longueur d'onde différente. Bien que la présence de mélanopsine ne soit pas indispensable pour la genèse de rythmes circadiens, son absence diminue les réponses de 40 % (Panda et al., 2002 ; Ruby et al., 2002). Les effets de la lumière sur les rythmes circadiens montrent un pic vers 480 nm (Hattar et al., 2002) identique à celui de la réponse à la lumière des cellules ganglionnaires rétiniennes isolées exprimant la mélanopsine (Berson et al., 2002).

## 3.5.2 Rayonnements optiques et tissus oculaires

### 3.5.2.1 Exposition des tissus oculaires aux rayonnements optiques

<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>Figure 26 : spectre des rayonnements optiques et sensibilité des milieux oculaires</figcaption></figure>

L'œil humain est capable de percevoir les rayonnements électromagnétiques (cf. Figure 26) compris entre 400 et 700 nm. On appelle cette région le « spectre visible ». La cornée absorbe la majorité des rayonnements en dessous de 295 nm, ce qui inclut les UVC, plus de 90 % des UVB et 35 à 40 % des UVA. Le cristallin absorbe les UVA et UVB qui ont traversé la cornée ainsi que les longueurs d'onde courtes et les infrarouges. De façon physiologique, le cristallin exerce en effet un rôle de filtre naturel par absorption des rayonnements de longueur d'onde inférieure à 400 nm.
<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>Figure 27 : transmission de la lumière par le cristallin en fonction de l'âge</figcaption></figure>

Cependant, la transmittance du cristallin est dépendante de l'âge (cf. Figure 27) et avant l'âge de 8 ans, le cristallin laisse passer plus de 80 % des longueurs d'ondes comprises entre 380 et 500 nm. À partir de 25 ans, le filtre cristallinien absorbe environ 80 % des ondes de longueur d'onde inférieure à 400 nm, mais laisse passer plus de 50 % des ondes comprises entre 400 et 500 nm. Ce n'est que lorsque le cristallin est cataracté (après 80 ans) que seul 20 % de ces ondes est transmises, expliquant que la vision des couleurs se modifie avec l'âge (Artigas et al., 2012). Ainsi, de façon physiologique, au fur et à mesure que la lipofuscine s'accumule dans les cellules de l'épithélium pigmentaire de la rétine et accroit la toxicité potentielle de la lumière bleue (Ach et al., 2015 ; Olchawa et al., 2017 ; van der Burght et al., 2013), la modification du cristallin absorbe d'avantage les rayonnements bleus (Behar-Cohen et al., 2011).

### 3.5.2.2 Mécanismes des lésions résultant de l'interaction des rayonnements optiques avec les tissus oculaires

Le rapport d'expertise publié par l'Anses en 2010 (Anses, 2010) a résumé de façon détaillée les mécanismes d'interaction des rayonnements lumineux visibles et non visibles avec les tissus oculaires. Nous rappellerons donc ici uniquement les grands principes et invitons à se rapporter à ce rapport pour plus de précisions.

Toute onde électromagnétique se caractérise par sa longueur d'onde et son énergie.

$$E = h c / \lambda$$

$$\lambda v = c$$

Un photon transporte une énergie proportionnelle à sa fréquence (1) $h = 6,626 \times 10^{-34} \text{J.s}$ (constante de Planck), E énergie en Joules (J) ou electron-volts (eV), c vitesse de la lumière. La longueur d'onde $\lambda$ et la fréquence $v$ sont reliées par l'équation (2)

Les rayonnements optiques absorbés par les systèmes biologiques sont susceptibles d'induire des dommages photo-thermiques (libération de chaleur) ou photochimiques (excitation d'un chromophore qui conduit à la production d'espèces réactives de l'oxygène). Les espèces réactives de l'oxygène induisent des lésions cellulaires en altérant :

* les lipides membranaires par péroxdydation lipidique et formation d'acide malondialdéhyde, composé à haut pouvoir mutagène et conduisant à la perte de l'intégrité membranaire ;

* les protéines cellulaires de structures et de fonctions en particulier enzymatiques ;
* les acides nucléiques, favorisant l'oncogenèse et réduisant les capacités mitotiques des cellules.

Les espèces réactives de l'oxygène sont aussi impliquées dans les mécanismes de sénescence (Shaw et al., 2016). Les rayonnements UV (UVA 315-400 nm, UVB 280-315 nm et UVC 100-280 nm) sont les plus énergétiques et photochimiquement les plus actifs, absorbés par les cycles aromatiques des acides nucléiques de l'ADN, ils induisent mutagénèse et mort cellulaire.

Les tissus oculaires, et en particulier la rétine, contiennent de nombreux photo-sensibilisants excitables (cf. Tableau 3) par les rayonnements optiques visibles et infra-rouges (Algvere et al., 2006 ; Boulton et al., 2001 ; Glickman, 2002). Des pigments spécifiques sont présents dans les photorécepteurs de la rétine, dans la couche des fibres nerveuses sous la forme du pigment maculaire (xanthine et zeaxanthine) qui joue un rôle de filtre à la lumière bleue (400-500 nm) et dans les cellules de l'épithélium pigmentaire de la rétine qui contient de la mélanine, mais aussi des chromophores différents selon l'âge (en particulier la lipofuscine qui augmente avec l'âge et intervient dans les réactions photodynamiques et la toxicité de la lumière bleue (338-542 nm)).

Malgré la présence de pigments capables d'absorber les rayonnements optiques, des réactions photochimiques et photodynamiques toxiques peuvent survenir par exposition à la lumière, variables selon la longueur d'onde, l'énergie des rayonnements et les molécules avec lesquelles les rayonnements optiques interagissent.

<table><caption>Tableau 3 : mécanismes d'interaction des rayonnements avec les tissus oculaires</caption><thead><tr><th>Tissu / molécule</th><th>Longueur d'onde (nm)</th><th>Mécanisme d'interaction</th></tr></thead><tbody><tr><td>Cornée</td><td>&lt; 300 et &gt; 800</td><td>Absorption / dissipation chaleur</td></tr><tr><td>Iris</td><td>Mélanine : 300-700</td><td>Absorption / dissipation chaleur</td></tr><tr><td>Cristallin</td><td>Pic à 365 à 8 ans<br>Pic à 450 à 65 ans</td><td>Absorption / dissipation chaleur</td></tr><tr><td>Rétine</td><td>400-700<br>Rhodopsine : pic à 507<br>Cônes courtes longueurs d'onde :<br>pic à 450<br>Cônes longueurs d'onde moyenne :<br>pic à 530<br>Cônes grandes longueurs d'onde :<br>pic à 580</td><td>Dommage photochimique type I :<br>max à 507 nm<br>Type II : max 430-460 nm</td></tr><tr><td>EPR</td><td>Mélanine : 400-700</td><td>Absorption / dissipation chaleur<br>Dommage photochimique</td></tr><tr><td>Lipofuscine</td><td>355-450<br>A2E : pic à 430-440</td><td>Effets photodynamiques</td></tr><tr><td>Pigments<br>maculaires</td><td>Luteine : pic à 446<br>Xanthine : pic à 455<br>Zeaxanthine : pic à 480</td><td>Absorption / dissipation chaleur</td></tr></tbody></table>

source : Behar-Cohen et al., 2011.

### 3.5.3 Pathologies oculaires et rayonnements optiques

Les tissus oculaires peuvent subir des lésions consécutives à une exposition excessive à des rayonnements optiques. Les lésions dépendent de la longueur d'onde et de l'intensité énergétique du rayonnement. La surface oculaire est exposée à la totalité du spectre solaire et les tissus, à des rayonnements qui dépendent de l'absorption par les structures de la surface oculaire traversées successivement jusqu'aux couches profondes de la rétine. Chaque tissu présente un seuil de résistance qui dépend de ses capacités intrinsèques de résistance au stress photique et en particulier de ses défenses anti-oxydantes.

#### 3.5.3.1 Surface oculaire
Des lésions aiguës peuvent toucher l'épithélium cornéen exposé au rayonnement ultraviolet induisant des kératites douloureuses, mais sans conséquences à long terme du fait des capacités de prolifération de l'épithélium qui retrouve son intégrité en quelques jours. De véritables brûlures thermiques de la cornée peuvent cependant apparaître avec des longueurs d'onde de 1,4 µm à 1 mm. L'exposition aiguë de la conjonctive aux UV induit également des conjonctivites et des lésions de la surface conjonctivale réversibles. Si l'exposition solaire est chronique, des lésions permanentes telles que des ptérygions et des mélanoses conjonctivales peuvent survenir (Roh and Weiter, 1994).

### 3.5.3.2 Cataracte

Le cristallin absorbe les UVA et UVB ainsi que les courtes longueurs d'onde dans le spectre visible. Les études épidémiologiques ont montré que le risque de cataracte est directement lié au degré d'exposition aux ultraviolets en milieux naturel ou professionnel. Des taux d'ultraviolets faibles cumulés sont cataractogènes, qu'ils soient ou non cumulés à d'autres risques environnementaux ou endogènes (Balasubramanian, 2000 ; Löfgren, 2017 ; Yam and Kwok, 2014).

Les UVB sont particulièrement cataractogènes. Des expériences sur le rat ont montré un effet cataractogène linéaire avec la dose d'exposition à 300 nm (cf. Figure 28). Chez le lapin, le pic de cataracte est également observé à 300 nm. Des travaux récents ont montré un effet cataractogène cumulatif de la dose d'exposition quotidienne à des UV à 300 nm (Söderberg et al., 2016).

<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>Figure 28 : doses seuil en fonction du nombre de jour d'exposition à des UV de 300 nm</figcaption></figure>

Source : Galichanin et al., 2014

La lumière bleue peut induire des lésions cristalliniennes par effet photodynamique du fait de l'activation de produits accumulés dans le cristallin et dont l'illumination produit des radicaux libres oxygénés. Une étude récente sur des cellules cristalliniennes humaines en culture montre que l'exposition à des LED blanches (750, 1 500 et 2 500 lx), de différentes températures de couleur (2 954, 5 624 et 7 378 K), induit la production de radicaux libres, un arrêt de prolifération et une apoptose d'autant plus importante que la température de couleur est élevée (Xie et al., 2014).

Les rayonnements dans l'infrarouge (de 800 à 3 000 nm) sont également susceptibles d'induire des cataractes immédiates ou retardées (Yu et al., 2015b ; Yu et al., 2015a ; Söderberg et al., 2016). Les dommages immédiats seraient essentiellement de nature thermique alors que les effets retardés pourraient être secondaires à des lésions photochimiques cumulées. Ce dernier mécanisme est incertain et n'a pas été validé par des études expérimentales. Il semblerait en effet que les effets cataractogènes des rayonnements infrarouges soient plutôt liés à une élévation de la température, mesurée au limbe, autour de 8-10°C (Yu et al., 2014).
#### 3.5.3.3 Mélanomes de l'uvée

Contrairement aux mélanomes cutanés, les rayonnements UV n'ont pas été associés à la carcinogénèse des mélanomes de l'uvée. Des études récentes suggèrent par contre que les rayonnements bleus pourraient induire des mutations carcinogènes dans les mélanocytes uvéaux (de Lange *et al.*, 2015; Logan *et al.*, 2015).

#### 3.5.3.4 Lésions rétiniennes photo-induites et valeurs limites d'exposition

La lumière peut induire des dommages rétiniens conduisant à la mort des photorécepteurs et des cellules de l'épithélium pigmentaire par différents mécanismes (Hunter *et al.*, 2012; Wenzel *et al.*, 2005). Les modèles de dégénérescence induite par la lumière sont très étudiés et utilisés pour évaluer des agents protecteurs. Nous discuterons ultérieurement de leur relevance pour évaluer la toxicité potentielle de la lumière chez l'Homme.

On reconnaît :

* des dommages par mécanisme photomécanique résultant d'une énergie délivrée forte (de l'ordre du mégawatt / cm²) sur une période courte (nano ou picosecondes) et non de la longueur d'onde. Une rupture mécanique est due essentiellement à l'accumulation rapide d'énergie dans les mélanosomes des cellules de l'épithélium pigmentaire de la rétine (EPR) ce qui génère des ondes de choc et entraine des lésions irréversibles des cellules EPR et des photorécepteurs. Les tensions mécaniques sont à l'origine de la formation de micro bulles léthales pour les cellules de la rétine. Ce type de lésions est observé par exemple après pénétration d'un rayon laser Yag dans l'iris pour la réalisation d'une iridectomie thérapeutique.

* des dommages photothermiques survenant après exposition à des longueurs d'onde entre 600 et 1400 nm et des temps d'exposition de la microseconde à quelques secondes. L'irradiance et la durée d'exposition requises pour causer un dommage thermique ne sont cependant pas inversement proportionnelles. La quantité d'énergie nécessaire à causer un effet thermique augmente avec la durée d'exposition du fait de la dissipation de la chaleur pendant l'exposition. En général, une augmentation de la température de plus de 10°C est susceptible de générer des lésions photothermiques.

* les dommages photochimiques résultent quant à eux de l'interaction d'un photon avec des molécules photosensibilisantes conduisant à la formation de radicaux libres toxiques pour la rétine. Les lésions dépendent de la dose totale d'énergie reçue et il existe une relation réciproque théorique entre l'irradiance et la durée d'exposition, jusqu'à un certain délai d'exposition au delà duquel des mécanismes réparateurs se mettent en place. Il n'y a aucune lésion en dessous d'un certain seuil d'irradiance.

Le Tableau 4 ci-dessous, extrait de Hunter *et al*. (Hunter *et al.*, 2012) liste les différences entre les lésions rétiniennes photo-thermiques et photochimiques.
<table><caption>Tableau 4 : caractérisation des lésions rétiniennes thermiques et photochimiques</caption><thead><tr><td>Property</td><td>Thermal Damage</td><td>Photochemical Damage</td></tr></thead><tbody><tr><td>Exposure duration</td><td>μs – 10 s</td><td>> 1 s</td></tr><tr><td>Wavelength</td><td>all λ</td><td>short visible (λ < 600 nm)</td></tr><tr><td>Time course</td><td>appear in < 24 hrs</td><td>appear in 24 – 48 hrs</td></tr><tr><td>Temperature change</td><td>> 20 °C temperature ↑</td><td>< 10 °C temperature ↑</td></tr><tr><td>Minimal lesion size</td><td>< beam diameter</td><td>= beam diameter</td></tr><tr><td>Reciprocity of time & power</td><td>no</td><td>yes</td></tr><tr><td>Scotoma</td><td>permanent</td><td>reparable</td></tr><tr><td>Damage threshold</td><td>α (irradiated area diameter)<sup>-1</sup><br>α time<sup>-1/4</sup><br>independent of λ (for 440 nm < λ < 700 nm)</td><td>independent of irradiated area<br>α time<sup>-1</sup><br>α λ</td></tr></tbody></table>

On distingue typiquement deux types de dommages photochimiques selon le type de molécules avec lesquelles les photons interagissent dans la rétine. Le mécanisme photochimique de classe I, décrit par Noell et al. en 1966 (Noell et al., 1966) suggère des lésions liées à l'interaction des photons avec les photopigments contenus dans les photorécepteurs. Le mécanisme de classe II, décrit par Ham en 1978 (Ham et al., 1978) suggère des lésions qui résultent de l'interaction des photons avec la lipofuscine contenue dans les cellules de l'épithélium pigmentaire de la rétine. Il est peu probable que ce type de lésions photochimiques soit dû aux pigments visuels, ceux-ci étant dans ce cas immédiatement photoblanchis. Le mécanisme photochimique de classe II est aussi connu sous le nom de « dommage induit par le lumière bleue » puisque le seuil de toxicité augmente avec l'accroissement de la longueur d'onde et est maximal dans le spectre bleu. Il est important de noter que les réglementations actuelles qui régissent la sécurité de l'exposition à la lumière ne prennent en compte que les lésions photochimiques de classe II dans la détermination des seuils d'exposition. Ce qui différencie plus spécifiquement ces deux types de mécanismes phototoxiques est la longueur d'onde. En réalité, très souvent, les mécanismes sont intriqués (van Norren and Gorgels, 2011).

Les doses limites d'énergie à partir desquelles des lésions rétiniennes sont observées varient en fonction de la longueur d'onde, de l'espèce étudiée, des conditions expérimentales mais aussi du paramètre considéré pour définir la toxicité. La plupart des études réalisées afin de définir les valeurs limites d'exposition ont utilisé comme paramètre des modifications rétiniennes visibles par l'examen ophtalmoscopique direct, et plus rarement par la réalisation d'un électrorétinogramme. La publication de van Norren D et al. en 2011 (van Norren and Gorgels, 2011) résume les principales études réalisées sur différentes espèces animales dans lesquelles le protocole d'illumination était assez précis pour calculer la dose d'énergie reçue par la rétine et connaître la longueur d'onde de l'exposition. Il apparaît clairement que les paramètres sont en général ophtalmoscopiques et/ou électrophysiologiques. De très rares études ont réalisé des études histologiques.

Cependant, la présence de lésions visibles à l'examen du fond d'œil témoigne de dégâts rétiniens importants puisqu'il s'agit soit de modifications du pigments ou bien d'une réaction oedémateuse secondaire à des dommages du tissu. L'électrorétinogramme global n'est également altéré que tardivement quand la majorité des photorécepteurs sont morts.

Les valeurs d'exposition responsables des lésions que nous venons de décrire sont résumées dans la Figure 29 ci-dessous, extraite de la publication de van Norren D et al. (2011).
<figure><img src="image_36.png" /><figcaption>Figure 29 : dose pour des dommages rétiniens en fonction de la longueur d'onde.</figcaption></figure>

Ce graphe montre que la rétine de primate (à droite) est moins sensible que la rétine de rongeurs (à gauche). Il montre également que plus la longueur d'onde est courte plus la dose toxique est faible.

La différence de sensibilité de la rétine entre les primates et les rongeurs a été expliquée, au moins en partie, par la différence de structure de la chromatine dans les noyaux des bâtonnets des différentes espèces. En effet, chez le rongeur, animal en général nocturne, la chromatine est fortement condensée au centre du noyau, ce qui limite la diffraction des photons et optimise ainsi la vision en faible luminance (Solovei et al., 2009). Chez l'Homme et le primate, la chromatine des bâtonnets est au contraire dispersée, ce qui limite la pénétration des photons comme le schématise la Figure 30 ci-dessous extraite de la publication de Solovei et al., 2009. La diffraction de la lumière par la chromatine dispersée réduirait l'énergie parvenant dans les segments des bâtonnets et dans l'épithélium pigmentaire, où se trouvent les pigments capables d'induire des réactions photochimiques et photodynamiques.

<figure><img src="image_37.png" /></figure>
Figure 30 : représentation schématique de l'interaction des photons avec des noyaux dont la structure chromatinienne varie

B1 Chromatine dispersée : diffraction importante

B2 Chromatine périphérique : Diffraction importante

B3 : chromatine condensée au centre : diffraction réduite et concentration des photons.

Ces observations n'ont cependant pas été faites avec les noyaux des cônes, qui sont les photorécepteurs exclusivement présents dans la fovea et donc ceux qui sont susceptibles d'être atteints chez l'Homme lors de l'exposition à la lumière.

L'amélioration des techniques d'imagerie rétinienne permet aujourd'hui de détecter des modifications de la fonction des cellules de la rétine. L'imagerie rétinienne qui utilise l'optique adaptative permet d'obtenir une image des cônes et de juger de leur organisation et intégrité. Une autre technique d'imagerie de l'autofluorescence rétinienne utilisant l'optique adaptative couplée à l'ophtalmoscopie laser à balayage a été utilisée pour imager les cellules de l'EPR du macaque après excitation à 568 ou 830 nm in vivo et ex vivo (Morgan et al., 2008). Cette technique n'est cependant pas utilisée en pratique clinique à ce jour. Une exposition à faible énergie (> 2 J/cm²) induit un photo-blanchiment réversible, mais témoin d'une photo-oxydation de la lipofuscine qui peut induire des lésions cellulaires d'autant plus que ces produits oxydés s'accumulent. Une exposition à des énergies plus élevées (≥ 247 J/cm²) conduit à une altération de la fluorescence qui témoigne d'une rupture de la continuité de l'épithélium. Il est important de noter que les deux types de lésions observées sont survenues à des énergies inférieures aux valeurs limites prévues dans les normes laser ANSI (562 J/cm²) (Hunter et al., 2012).

Ces résultats soulignent également que les paramètres choisis pour fixer les valeurs limites d'exposition sont basés sur des méthodes peu sensibles qui ne permettent pas de mettre en évidence des lésions dont les conséquences fonctionnelles peuvent être réelles.

3.5.3.4.1 Pathologies rétiniennes et exposition aux rayonnements optiques

La rétine absorbe les longueurs d'onde dans le spectre visible avec une sensibilité accrue pour les longueurs d'ondes courtes, les plus énergétiques dans le violet et le bleu (380 à 500 nm) comme décrit plus haut. La relation de cause à effet entre l'exposition et une pathologie est établie facilement quand les lésions sont une conséquence immédiate de l'exposition, mais est plus difficile à mettre en évidence quand il s'agit d'expositions cumulées ou de lésions retardées.
## Lésions accidentelles induites par une exposition aiguë

* Par exposition à la vision directe du soleil

La fixation directe du soleil induit une photorétinite solaire qui s'accompagne d'un scotome plus ou moins réversible en fonction de la durée et de l'intensité de l'exposition. En conditions normales, des mécanismes d'évitement, le myosis et le clignement protègent d'une exposition directe de la macula à une source de lumière trop intense et potentiellement dangereuse. Regarder fixement le soleil, même quelques secondes, par exemple en-dehors des phases d'éclipse totale, induit une brûlure rétinienne plus ou moins importante en fonction de la durée de fixation par un mécanisme photochimique (Begaj and Schaal, 2017). Parce que la formation d'images sur la rétine nécessite une focalisation des rayons lumineux, l'énergie augmente au point de focalisation, de sorte que des énergies insuffisantes à produire des lésions cutanées peuvent induire des lésions de la rétine. Environ 50 % des patients ayant été exposés à la lumière solaire sans protection oculaire lors d'une éclipse présentent une baisse importante de l'acuité visuelle, directement corrélée, en examen par tomographie à cohérence optique, à un amincissement ou une raréfaction de la couche des photorécepteurs foveolaires (Bachmeier et al., 2017; Macarez et al., 2007). L'examen des patients exposés montre des altérations du pigment maculaire.

* Par exposition à des instruments ophtalmologiques

L'exposition maculaire à un microscope opératoire pendant une durée prolongée, alors que les patients sont anesthésiés et présentent une dilatation pharmacologique de la pupille, induit des lésions photochimiques paramaculaires. Habituellement, ces lésions n'entraînent pas de baisse de l'acuité visuelle. Les sources responsables sont des sources tungstène ou halogène (van Norren and Vos, 2016). Des lésions ont également été observées après chirurgie avec une illumination endoculaire. Des examens prolongés en ophtalmoscopie indirecte peuvent également induire, mais rarement, des lésions rétiniennes. Il s'agit cependant d'évènements rares et les nombreux examens pratiqués sur les patients à pupilles dilatées n'ont pas été associés, à ce jour, à un risque accru de lésions rétiniennes ou de dégénérescence maculaire.

## Maculopathie liée à l'âge (MLA) et lumière

L'exposition solaire et/ou à la lumière bleue n'était, en 2010, pas reconnue de façon unanime comme un facteur de risque de dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA). L'exposition aux rayonnements optiques est en effet difficile à évaluer, elle est essentiellement fondée sur des questionnaires qui, s'ils n'intègrent pas ce paramètre, ne peuvent pas l'identifier comme un facteur de risque. L'exposition est également difficile à quantifier et la relation entre l'exposition et la pathologie est d'autant plus difficile à établir de façon claire quand la pathologie survient avec l'âge. Depuis, plusieurs études ciblées (cf. Figure 31) et des méta analyses (Sui et al., 2013) mettent en évidence un risque accru de DMLA associé à l'exposition solaire (Delcourt et al., 2014; Schick et al., 2016) (Nano et al., 2013) en particulier si l'exposition survient sur certaines populations sensibles (enfants, peau très claire, faible teneur en anti oxydants) (Fletcher et al., 2008; Vojniković et al., 2010). À l'inverse, la protection contre l'exposition solaire pourrait protéger du risque de vieillissement oculaire (Vojniković and Vojniković, 2010).
<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>Figure 31 : odds Ratio pour les 14 études épidémiologiques utilisées dans Sui et al., 2013</figcaption></figure>

La méta-analyse montre que l'exposition solaire est un facteur de risque significatif dans la survenue de la dégénérescence maculaire

La relation causale de l'exposition solaire et de la rétinite aigue observée immédiatement après fixation d'une eclipse a été facilement établie. Les études épidémiologiques, même si elles sont difficiles à réaliser car essentiellement fondées sur des questionnaires d'exposition solaire, montrent aujourd'hui un lien entre l'exposition solaire et la survenue, des années plus tard de lésions de dégénérescence maculaire liée à l'âge.

L'exposition solaire et particulièrement les longueurs d'onde courtes induisent dans les modèles expérimentaux, un stress oxydatif responsable de lésions rétiniennes. Le cumul de produits d'oxydation, sur un terrain sensibilisé par des facteurs génétiques, nutritionnels, d'âge et environnementaux, pourraient favoriser la dégénérescence maculaire liée à l'âge. Aucune étude n'a analysé les capacités d'adaptation du métabolisme rétinien face à des expositions cumulées sur plusieurs mois à des longueurs d'onde précises ni sur l'apparition de signes pathologiques, ni sur l'aggravation de pathologies pré existantes.

### 3.5.3.4.2 Aphakie et pseudophakie (absence de cristallin ou implantation d'un cristallin artificiel)

Les études sur les risques de dommages rétiniens induits par l'exposition à la lumière des yeux aphakes ou pseudo phakes remontent à plus de 25 ans. Le cristallin des sujets jeunes transmet les rayonnements optiques de longueurs d'ondes courtes et particulièrement celles qui induisent le plus haut risque de lésions rétiniennes, comprises entre 430 et 440 nm.

### 3.5.3.4.3 Limites des modèles expérimentaux de dégénérescence rétinienne induite par la lumière (DRIL)

Les modèles de dégénérescence rétinienne induite par la lumière (DRIL) présentent l'avantage d'un bon contrôle des facteurs de risques associés et de l'exposition lumineuse mais doivent être interprétés avec prudence pour les raisons suivantes :
* les espèces animales utilisées sont, dans la grande majorité des études, des petits rongeurs de laboratoire (souris et rat) dont la rétine diffère de celle de l'Homme car elle n'a pas de macula. De plus, des travaux récents ont montré que les noyaux des photorécepteurs de type bâtonnets chez les rongeurs présentent une chromatine condensée alors que chez l'Homme les bâtonnets ont une chromatine dispersée en périphérie du noyau solo (Solovei et al., 2009). Quelques rares expériences sont réalisées sur des chiens (qui ne possèdent aussi pas de macula) ou des primates non humains (qui possèdent une macula proche de celle des Hommes) ;

* la majorité des expériences sont réalisées sur des rats albinos plus sensibles à la lumière. Mais des expériences récentes ont aussi utilisé des rats pigmentés ;

* les protocoles d'exposition à la lumière sont difficilement comparables, pas toujours bien détaillés ni même connus (spectre). La majorité des études est réalisée avec une lumière fluorescente blanche. Certains travaux comportent des lumières de longueurs d'onde connues (vert / bleu), souvent sur une courte durée d'exposition (de quelques minutes à quelques heures). Ce type de protocole permet de cibler certains photopigments et de mieux cerner les mécanismes liés à l'absorption d'une longueur d'onde. La lumière verte émise dans une large bande (490-580 nm) est utilisée pour sa correspondance au spectre d'absorption de la rhodopsine. Les lumières verte ou bleu émises dans une bande étroite (403 ± 10 nm pour le bleu et 550 ± 10 nm pour le vert) sont utilisées pour distinguer les effets d'une lumière de haute énergie (lumière bleue) de ceux induits par une lumière de plus grande longueur d'onde (vert) considérée comme moins dangereuse ;

* la durée et le cycle de l'exposition à la lumière varient : certains protocoles sont basés sur des expositions continues, d'autres sur des expositions intermittentes. L'adaptation à l'obscurité augmente les lésions photochimiques par accumulation de la rhodopsine dans les photorécepteurs. Il existe un effet cumulatif de l'exposition avec une toxicité plus grande pour des doses fractionnées de l'énergie lumineuse avec des intervalles de récupération à l'obscurité, par rapport à la même énergie délivrée sur une durée continue.

En résumé, la lumière solaire peut favoriser l'apparition de lésions de la surface oculaire, de cataracte mais aussi de lésions rétiniennes favorisant la DMLA. Les mécanismes de ces lésions rétiniennes ne sont pas connus avec certitude chez l'Homme et résultent de facteurs combinés associés, génétiques, environnementaux et nutritionnels. Aucune étude épidémiologique n'a à ce jour évalué le risque de DMLA ou d'autres pathologies rétiniennes ou oculaires en général associées à l'exposition à des sources de lumière artificielle. Les modèles expérimentaux de dégénérescence rétinienne par exposition à la lumière (DRIL) ont permis d'identifier des mécanismes cellulaires toxiques directement induits par différentes longueurs d'onde, permettant de mieux anticiper les risques potentiels liés à l'exposition à des lumières artificielles.

### 3.5.4 Effets de la lumière riche en bleu sur l'œil

Les résultats des expériences réalisées sur les modèles de DRIL ont été décrits dans le rapport publié par l'Anses en 2010 sur les effets sanitaires des LED et nous nous limiterons ici à faire une mise à jour des études publiées depuis 2010.

#### 3.5.4.1 Effets sur la surface oculaire

##### 3.5.4.1.1 Synthèse des études

La surface oculaire est directement exposée à la lumière, non seulement par l'éclairage solaire et domestique mais également par toutes les lumières émises par des écrans
d'ordinateur, de smartphones, de tablettes... La gêne ressentie du fait des problèmes de surface oculaire représente un des principaux motifs de consultation ophtalmologique. La prévalence du « syndrome sec » varie entre 7 % aux USA et 33 % à Taiwan et au Japon. Le vieillissement, le sexe féminin, le fait de fumer, les conditions climatiques extrêmes, l'air sec et l'observatioin prolongée d'écrans sont des facteurs favorisants reconnus, sans que le rôle exact des écrans n'ait été élucidé (Wolkoff et al., 2006).

Il existe peu d'études qui se soient intéressées spécifiquement aux effets des LED sur les pathologies de la surface oculaire. Une étude menée sur un petit effectif (30 individus) a évalué les effets de l'éclairage LED sur le clignement chez des individus présentant ou non un syndrome d'œil sec. Les résultats montrent que l'éclairage LED augmente la fréquence du clignement dans tous les cas, indépendamment de l'état initial de l'œil et de la présence ou de l'absence de climatisation. L'étude ne décrit pas le type de lampe utilisé (Miura et al., 2013).

In vivo, des souris ont été exposées à des LED rouges (630 ± 8 nm à 48,8 mW/cm²), vertes (525 ± 2 nm à 59,5 mW/cm²), et bleues (410 ± 10 nm à 29,2 mW/cm²) à la dose de 50 J/cm², 2 fois par jour (entre 9 heures du soir et 4 heures du matin) pendant 10 jours consécutifs (de J0 à J10). À la fin de cette période, les souris exposées à la lumière bleue ont présenté une réduction significative du temps de rupture du film lacrymal à la surface de la cornée à J7 et J10, une augmentation des lésions épithéliales cornéennes à J5, 7 et 10, une augmentation des cytokines inflammatoires à la surface oculaire (IL-1 et IL-6) et une augmentation des marqueurs de stress oxydatif associés à une augmentation de la mort cellulaire épithéliale (Lee et al., 2016).

L'effet de l'éclairage LED de différentes longueurs d'onde (410, 480, 525, 580, 595, 630, et 850 nm) et doses (1, 2,5, 5, 10, 25, 50, et 100 J/cm²) a été évalué sur des cellules épithéliales de cornée humaine. La viabilité était réduite uniquement par l'exposition à 480 ± 7 et 410 ± 10 nm avec des doses ≥ 50 J/cm² à 480 ± 7 nm et ≥ 10 J/cm² à 410 ± 10 nm de façon dose dépendante et corrélée aux marqueurs de stress oxydatif (Lee et al., 2014).

Il est reconnu que le stress oxydatif et l'inflammation sont étroitement liés à la sécheresse oculaire. Le stress oxydatif induit par la lumière bleue sur les cellules de la surface oculaire constituerait donc un facteur aggravant le syndrome sec.

D'autres études sont requises pour préciser le rôle du type de lampe, de la longueur d'onde, de l'énergie et du type de source (lampe ou écran) sur le syndrome sec oculaire.

En conclusion, il existe une étude *ex vivo* chez l'Homme et une étude *in vivo* sur des rongeurs montrant des altérations des cellules épithéliales de la cornée et des altérations du film lacrymal induites par des LED bleues (50 J/cm²). Mais à ce stade, les données chez l'Homme ne sont pas suffisantes pour relier des pathologies de la surface oculaire à l'exposition à des LED. Il est cependant recommander de mener des travaux pour rechercher l'influence du spectre d'émission des lampes sur des syndromes secs et le dysfonctionnement des glandes de meibomius.

### 3.5.4.1.2 Conclusions et classement de l'effet de la lumière riche en bleu sur la survenue du syndrome sec

Le groupe de travail conclut que, concernant l'effet de la lumière riche en bleu sur la survenue du syndrome sec :

* les éléments de preuve chez l'Homme sont limités (Miura et al., 2013 avec des éclairages à LED, Lee et al., 2014, étude *in vitro* sur la cornée humaine);

* les éléments de preuve chez l'animal sont limités (Lee et al., 2016, souris éclairées avec LED bleues, vertes et rouges).

L'effet de la lumière riche en bleu sur la survenue du syndrome sec est possible.
### 3.5.4.2 Effets sur la rétine des lumières froides, riches en bleu

#### 3.5.4.2.1 Études sur l'animal in vivo

Une équipe (Shang et al., 2014) a comparé les effets chez le rat de l'exposition à des lampes LED blanches froides (6 500 K), des LED bleues (460 nm) et des lampes fluocompactes (température de couleur 6 500 ou 3 000 K) (cf. Figure 32), selon un protocole d'exposition consistant en 14 jours d'adaptation à l'obscurité, puis une exposition alternée la nuit pendant 3, 9 ou 28 jours consécutifs, suivis ou non d'une période de récupération de 14 jours à l'obscurité. Pour toutes les lampes, la luminance a été mesurée à 750 lx à 20 cm, ce qui correspond à la distance à laquelle les rats ont été placés. La toxicité éventuelle a été analysée par un électroretinogramme, une histologie en microscopie optique et électronique, une immunohistochimie et la mesure de marqueurs de stress oxydatif. Les spectres des différentes lampes sont indiqués dans les graphes ci-dessous :

<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>**Figure 32 :** spectre de LED à des niveaux d'éclairage domestiques utilisés dans la publication de Shang et al., 2014</figcaption></figure>

Les résultats ont mis en évidence une altération fonctionnelle à l'ERG (électrorétinogramme), un stress oxydatif et une mort par apoptose des photorécepteurs entrainant une diminution de l'épaisseur rétinienne en cas d'exposition aux LED bleues et blanches froides, mais une altération très modérée de l'ERG sans perte évidente des photorécepteurs uniquement avec les lampes fluocompactes à 6 500 K et aucune lésion significative avec ces lampes à 3 000 K. L'irradiance rétinienne chez l'Homme devrait être au moins 60 % inférieure à celle du rat et l'Homme possède une rétine pigmentée et moins sensible à la lumière que les rats qui sont des animaux nocturnes. Il est donc difficile d'extrapoler ces résultats directement à l'Homme. Cependant, ces travaux montrent qu'à luminance identique et température de couleur identique, dans des conditions d'exposition contrôlées, les lésions rétiniennes sont différentes selon le spectre de la lampe considérée (Shang et al., 2014)].

Le même groupe a ensuite publié une étude comparant les effets de LED de couleurs différentes, selon un protocole similaire d'exposition de rats albinos. La Figure 33 ci-dessous représente le spectre des différentes lampes testées (Shang et al., 2017).
<figure><img src="image_40.png" /><figcaption>Figure 33 : spectre des différentes LED utilisées dans Shang et al, 2017</figcaption></figure>

Les rats ont été exposés de façon aléatoire à des LED bleues (460 nm, 102,3 µW/cm²), vertes (530 nm, 102,8 µW/cm²), rouges (620 nm, 102,7 W/cm²). L'irradiance a été mesurée à 20 cm de la source, ce qui correspond au niveau d'énergie sur la cornée du rat. Après 10 jours d'adaptation, les rats ont été exposés à partir de 18 heures le 11ème jour et exposés 3, 9 ou 28 jours selon un cycle alterné avec l'obscurité de 12 heures. À la fin de la période d'illumination, les animaux ont subi des électrorétinogrammes (ERG) puis leurs yeux ont été analysés en histologie, immunohistochimie et microscopie électronique, des protéines ont été collectées pour des analyses en western blot et des mesures de stress oxydatif ont été réalisées dans les tissus. Les résultats mettent en évidence une réduction de la réponse ERG dès 3 jours d'exposition aux LED bleues et une réduction modérée du signal à l'ERG (électrorétinogramme) après 28 jours d'exposition au LED vertes et rouges. Seulement après exposition au LED bleues, une dégénérescence massive des bâtonnets a été observée et objectivée par des marqueurs d'apoptose et de nécrose (RIP kinases) et de nitrosylation des protéines, témoin de stress oxydatif et d'une désorganisation des segments externes des photorécepteurs. Ces travaux montrent qu'à irradiance égale, la longueur d'onde est l'élément déterminant dans la toxicité, activant des mécanismes phototoxiques différents comme cela avait été démontré par Ham et Noel.

Une étude a été réalisée par Krigel et al. (Krigel et al., 2016) en exposant cette fois des rats albinos et pigmentés à des lampes LED blanches (6300 K), bleues et à des lampes fluocompactes (CFL). Dans ce protocole expérimental, un premier test a montré qu'une exposition continue pendant 24 heures à 500 lx avec une pupille dilatée entraîne des lésions rétiniennes chez les rats pigmentés et albinos quand des lampes LED blanches froides sont utilisées mais pas quand les animaux sont exposés à des CFL à la même intensité. Ceci est en accord avec des travaux plus anciens qui confirment que, lorsque la pupille est dilatée, des lésions sont aussi observées chez des rats pigmentés (Williams et al., 1985). En éclairage cyclique, sans dilatation de la pupille, les rats pigmentés n'ont pas présenté de lésions rétiniennes dégénératives ni avec les CFL ni avec les LED. Par contre, des lésions modérées ont été observées après un mois d'exposition à des LED blanc froid ou des LED bleues chez les rats albinos (Krigel et al., 2016). Ces travaux sont moins précis car les irradiances rétiniennes ne peuvent pas être calculées avec les éléments disponibles dans
l'article. Il montre cependant qu'en situation d'exposition à des luminances domestiques, avec une pupille réactive, la pigmentation diminue la sensibilité rétinienne des rats.

Une étude sur les mécanismes de la mort induite dans la neurorétine de rats albinos par des lampes LED blanches, de différents spectres, rapporte qu'une mort des photorécepteurs par nécrose peut être induite par des lampes LED bleues (447 et 467 nm, 234 et 102 cd/m²) alors que l'apoptose est le mécanisme prédominant avec d'autres sources lumineuses (Jaadane et al., 2015). Cette étude démontre de façon approfondie que le spectre est l'élément déterminant mais également que les mécanismes phototoxiques et donc les paramètres requis à leur identification varient avec la longueur d'onde.

En utilisant des conditions expérimentales plus contrôlées, permettant de calculer avec précision la dose rétinienne d'énergie reçue suite à une exposition à des LED, la même équipe a montré que des lésions des cellules de l'épithélium pigmentaire apparaissent dès 4,14 J/cm² chez des rats albinos non sensibilisés par dilatation de la pupille ou adaptation à l'obscurité. Des marqueurs de stress oxydatif, de stress du cytosquelette et de nécrose cellulaire ainsi qu'une augmentation de la perméabilité de la barrière externe ont été observés à une dose inférieure à la dose toxique limite de 11 J/cm² reconnue comme valeur limite d'exposition toxique par l'ANSI (American national standard for safe use of lasers - ANSI 136.1-2014). La dose rétinienne dans le spectre bleu était de 0,58 J/cm² et donc bien inférieure à la dose de 2,2 J/cm² délivrée en 10 000 s, fixée par les valeurs limites d'exposition (Jaadane et al., 2017). Ces travaux soulignent de façon plus spécifique que les valeurs limites d'exposition peuvent varier selon le paramètre choisi pour déterminer le seuil de sécurité et que les normes qui ne tiennent compte que du mécanisme phototoxique de classe II qui touche les cellules de l'EPR n'ont pas pris en compte des lésions infra cliniques survenant dans ces cellules et qui pourtant témoignent d'altérations significatives.

Dans une étude réalisée chez le primate, une illumination par des lentilles de contact équipées de LED blanches a été testée. Des anomalies in vivo lors de l'examen de la rétine en tomographie à cohérence optique sont observées à partir de 8 heures d'exposition à 8 912 cd/m², correspondant à 7 000 lx sur la cornée, évocatrices d'altérations des couches rétiniennes les plus externes (segments de photorécepteurs et épithélium pigmentaire de la rétine). Une réduction de la réponse électro-rétinographique a été transitoirement mesurée, témoignant d'une saturation des photorécepteurs. Les analyses histologiques 12 heures après exposition mettent en évidence des lésions vacuolaires dans les cellules ganglionnaires et la couche des axones des photorécepteurs. À 14 jours, les lésions étaient réversibles (Mukai et al., 2012).

Il s'agit ici d'un système d'illumination assez éloigné d'un éclairage domestique classique et l'irradiance rétinienne ne peut pas être calculée de façon précise à partir des données expérimentales décrites. Mais cette étude montre que la rétine du primate étudié est moins sensible à une illumination que la rétine des rongeurs, qu'ils soient albinos ou même pigmentés, puisque les seuils de toxicité semblent plus haut et que les lésions seraient réversibles.

En conclusion, il existe plusieurs études in vivo bien conduites qui montrent chez le rongeur des lésions rétiniennes résultant d'expositions à des LED blanches froides ou bleues à des irradiances rétiniennes inférieures aux limites fixées par l'Icnirp ou à une luminance de 750 lx. Par ailleurs, selon la longueur d'onde le type de lésion toxique diffère, échappant à des méthodes classiques de détection.

#### 3.5.4.2.2 Synthèse des études in vivo

Au moins une étude bien conduite a démontré que l'exposition répétée de rats à des LED blanc froid ou bleues, à des luminances accessibles en environnement domestique (≤ 750 lx) avec un cycle d'illumination alterné (12h/12h) sur pupille non dilatée, génère des lésions rétiniennes des photorécepteurs par apoptose et nécrose. Au moins une étude bien conduite à démontré que sur des rats albinos exposés à des LED blanches ou bleues, des lésions de
l'EPR sont observées à des irradiances rétiniennes inférieures aux valeurs limites d'exposition (Jaadane et al., 2015, 2017).

Une étude bien conduite chez le singe montre des lésions de l'EPR avec des LED à 560 nm, à des irradiances rétiniennes inférieures aux valeurs limites d'exposition selon la règlementation d'utilisation des lasers.

Les différentes études décrites ci-dessus ne permettent cependant pas d'extrapolation directe à l'Homme. Mais elle montrent clairement que des réactions photoxiques différentes *in vivo* résultent d'exposition à des lampes dont les spectres d'émission sont différents. La nature des lésions observées peut ainsi différer selon la longueur d'onde, suggérant que les méthodes d'analyse de la toxicité devraient être adaptées aux mécanismes attendus. Les études confirment la phototoxicité de la lumière bleue. Des morts cellulaires par nécrose, observées dans les cellules rétiniennes soumises à un rayonnement bleu, par opposition à la mort par apoptose, causent une réaction inflammatoire amplificatrice. Les études montrent également un rôle potentiellement protecteur de la composante rouge du spectre, suggérant que le déséquilibre spectral de la lumière vers une augmentation de l'émission bleue et une réduction de l'émission rouge pourrait conduire à une plus grande toxicité. Chez le primate, une exposition aiguë à la lumière LED blanc froid peut induire des lésions au niveau cellulaire, détectables par des méthodes d'imagerie utilisées en clinique humaine, réversibles mais témoin d'un stress oxydatif significatif par dépassement des capacités d'absorption des photons.

Les conséquences sur le long terme du stress cellulaire photo-induits répété pendant des années et cumulé à d'autres types de stress cellulaire ne peuvent pas être déduites de ces expériences mais des études doivent être menées sur le long terme pour contribuer à définir les seuils de toxicité rétinienne de l'exposition chronique à différents types de lumière.

### 3.5.4.2.3 Études in vitro

Plusieurs études ont été menées *in vitro* pour d'une part comparer les effets de différentes sources lumineuses dans des conditions expérimentales contrôlées et d'autre part pour analyser les mécanismes cellulaires réactionnels. Ces études ne permettent pas d'extrapolation directe sur les effets des LED sur la santé oculaire humaine mais apportent des éléments contribuant à l'analyse des risques.

Des résultats variables sont rapportés selon le type cellulaire et l'élément analysés, montrant soit une plus grande toxicité (stress mitochondrial et oxydatif) pour des longueurs d'onde bleues soit une plus grande toxicité (viabilité) des lampes UV et fluorescentes (Sato et al., 2013; Song et al., 2012). Sur des lignées de cellules du cristallin humain, des LED blanc froid ont induit des lésions cellulaires à des intensités d'éclairage modéré (750 lx) suggérant un risque cataractogène qui reste à démontrer *in vivo* (Xie et al., 2014).

Des lignées de photorécepteurs soumises à la lumière de LED bleues, oranges et blanches à 0,38 mW/cm² (50 lx pour les 464 nm, 1 600 lx pour les blanches (456 + 553 nm), 2 500 lx pour la verte (522 nm)) présentent des signes de stress oxydatif et une agrégation de la s-opsine conduisant à la mort cellulaire uniquement après exposition à des LED bleues (Kuse et al., 2014).

Une exposition de lignées de cellules ganglionnaires de la rétine (RGC-5) à des LED bleues (pic 464 nm, 5 W/m², 1 370 lx) conduit également à la mort cellulaire par des mécanismes de nécrose et d'apoptose dépendante des caspases à partir de la 4ème heure d'exposition et jusqu'à 24 heures (Chamorro et al., 2013; Huang et al., 2014).

L'exposition de cellules de l'épithélium pigmentaire issu de cellules pluripotentes est un modèle intéressant, car plus proche de cellules humaines natives. Ces cellules ont été exposées à des LED (12h exposées /12h non exposées à la lumière) pendant 3 cycles à 468 nm, 525 nm, et 616 nm ou à une lumière blanche (lampe incandescente 5 mw/cm²,
34 150 lx) et LED illuminant D65⁴⁷ (33 446 lx). Des marqueurs de mort cellulaire ont été observés avec toutes les longueurs d'ondes, mais moins marqués avec la lumière rouge. Une production de radicaux libre a également été observée avec les 3 longueurs d'onde mais pas avec les LED blanches. L'exposition n'a pas eu d'effet sur les potentiels de membrane mitochondrial. Des effets sur l'ADN ont été observés avec toutes les longueurs d'onde, mais plus spécifiquement avec la lumière bleue. La mort cellulaire passe dans ce modèle par un mécanisme apoptotique (Mori et al., 2017).

#### 3.5.4.2.4 Synthèse des études in vitro

Toutes les études mettent en évidence une phototoxicité dont les mécanismes dépendent du type cellulaire et de la longueur d'onde. Qu'il s'agissent de LED ou d'autres sources, le spectre est l'élément déterminant. Les courtes longueurs d'onde sont les plus toxiques, aussi bien sur les photorécepteurs que sur les cellules EPR. Il apparaît que les cellules de la surface oculaire et les cellules ganglionnaires peuvent également subir des dommages photo-induits par des photons de courtes longueurs d'onde, l'effet est ici certain.

#### 3.5.4.2.5 Conclusions et classement de l'effet de la lumière froide sur la rétine

Le groupe de travail a considéré nécessaire de distinguer les effets à long terme des effets à court terme de la lumière riche en bleu sur l'œil. Les effets attendus sont liés au spectre d'émission de la lumière et à sa densité énergétique spectrale. Dans ce sens, les technologies des lampes d'éclairage n'ont pas été distinguées pour établir le classement des effets de la lumière froide sur la rétine.

En ce qui concerne, les effets d'une lumière riche en bleu sur la toxicité rétinienne à court terme, le groupe de travail conclut que :

* les éléments de preuve chez l'animal sont suffisants (voir toutes les études exploitées pour déterminer les valeurs limites d'exposition) ;

* les éléments de preuve chez l'Homme sont suffisants (voir le rapport Anses de 2010 (Anses, 2010)).

L'effet de la lumière riche en bleu sur la toxicité rétinienne à court terme est avéré.

En ce qui concerne les effets d'une lumière riche en bleu sur la toxicité rétinienne à long terme (risque de survenue de DMLA), le groupe de travail conclut que :

* les éléments de preuve chez l'animal sont limités (Krigel et al., 2017 ; Shang et al. 2017 et Shang et al., 2014) ;

* pour ce qui concerne la lumière solaire, qui est une lumière froide, donc riche en bleue en plein jour, les éléments de preuve chez l'Homme sont suffisants (cf. les différentes méta-analyses présentées dans ce rapport (voir la section 3.5.3)). En effet, les ultraviolets étant stoppés par la cornée, l'augmentation de risque de DMLA liée à la lumière solaire est imputable en partie à la lumière bleue du soleil.

L'effet d'une lumière riche en bleu sur le long terme sur la contribution à la survenue de DMLA est avéré.

Les valeurs limites d'exposition rétinienne sont résumées dans la Figure 34. Dans le spectre bleu, la dose maximale dépend grandement de la longueur d'onde : inférieure à 8J/cm² à 350nm et inférieure 50J/cm² à 450nm.

<footnote n="47">⁴⁷ Le D65 est un étalon colorimétrique correspondant à une lumière naturelle en plein jour en zone tempérée.</footnote>
<figure><img src="image_41.png" /><figcaption>Figure 34 : valeurs limites d'exposition rétinienne en fonction de la longueur d'onde chez la macaque et le lapin</figcaption></figure>

L'analyse des études menées sur l'animal montrent que les paramètres choisis pour fixer les valeurs limites d'exposition sont basés sur des méthodes peu sensibles qui ne permettent pas de mettre en évidence des lésions dont les conséquences fonctionnelles peuvent être réelles. De plus, les normes et les valeurs limites sont calculées pour des expositions aiguës mais les lésions résultant d'une exposition très longue sur des mois ou des années à des niveaux d'énergie lumineuse élevés peuvent être régies par d'autres mécanismes. En particulier, les effets de l'accumulation de produits oxydés dans les cellules de l'EPR peuvent apparaître de façon retardée des mois ou des années plus tard (Brandstetter et al., 2015; Ueda et al., 2016). Les effets d'expositions prolongées ont été peu étudiés du fait de difficultés expérimentales évidentes et de la difficulté de réaliser des études épidémiologiques sans mesures objectives d'exposition cumulée.

Il est recommandé d'effectuer des études visant à fixer les valeurs limites d'exposition en utilisant les méthodes les plus récentes et les plus sensibles d'analyse de la toxicité au niveau cellulaire et moléculaire et au niveau fonctionnel et morphologique *in vivo*.

### 3.5.4.3 Effet protecteur de la lumière rouge et du proche infrarouge

Plusieurs études ont mis en évidence un rôle protecteur de la lumière rouge et du proche infrarouge sur la rétine (Eells et al., 2016). Le concept de « photobiomodulation » repose sur l'observation que l'exposition d'un tissu à une faible énergie de photons dans le rouge et proche infrarouge pourrait restaurer les altérations mitochondriales et augmenter des facteurs cytoprotecteurs (Calaza et al., 2015). Les rayonnements sont absorbés par l'enzyme cytochrome C oxydase mitochondriale, conduisant à une amélioration du métabolisme énergétique cellulaire. Des effets bénéfiques ont été démontrés sur des modèles animaux de DRIL, dystrophies rétiniennes et de dégénérescences liées à l'âge. Une étude démontre que la phototoxicité rétinienne résultant d'une exposition de rats albinos à des lampes fluocompactes à 1 800 lx (4 tubes, 18 W, 6 500 K, 12h/12h) peut être modulée par une exposition à des LED rouges (670 nm, 9 J/cm², 6 min par jour pendant 30 jours). Ce pré conditionnement à 670 nm entraînerait une protection contre la perte des
photorécepteurs induite par l'exposition à la lampe fluocompacte. Le mécanisme protecteur pourrait également impliquer les stéroïdes endogènes, puisque l'exposition à la lampe fluorescente induit une réduction de la corticostérone plasmatique alors que l'exposition à des LED rouges produit une augmentation de ce glucocorticoïde endogène. Le cytochrome C pourrait être la cible moléculaire de régulation.

Dans une autre étude, une exposition à 670 nm (31,7 J/cm²) a également permis de réduire la dégénérescence axonale secondaire à une axotomie du nerf optique (Beirne et al., 2016). D'autres travaux ont montré des effets neuroprotecteurs sur la rétine, de la lumière rouge et infrarouge possiblement par stimulation de l'activité mitochondriale (Beirne et al., 2016 ; Eells et al., 2016). Plus largement, il semblerait que la lumière rouge comprise dans le spectre visible (16,5 W/m², 3 000 lx, 625-635 nm), soit également neuroprotectrice sur les cellules ganglionnaires soumises à un stress hypertonique in vivo et in vitro (Del Olmo-Aguado et al., 2016).

### 3.5.4.4 Effet sur le développement de la myopie

#### 3.5.4.4.1 Études épidémiologiques

La prévalence de la myopie a considérablement augmenté au cours des dernières années et expose, dans les cas où l'erreur de réfraction est supérieure à -6,00 dioptries (D), à de graves complications pouvant conduire à la cécité (Buch et al., 2001; Morgan et al., 2012; Saw et al., 2005). Des études récentes indiquent qu'une augmentation du temps passé à l'extérieur en lumière du jour a un effet protecteur sur le risque de développer une myopie chez les enfants (Dirani et al., 2009; He et al., 2015; Jones et al., 2007; Jones-Jordan et al., 2012; Wu et al., 2013). L'accroissement de la durée d'exposition en milieu extérieur a non seulement retardé la survenue de la myopisation mais a également réduit sa progression chez les enfants en école élémentaire (Wu et al., 2013). Ces différentes études, menées sur des populations différentes, s'accordent sur le fait que l'exposition à la lumière est le facteur dominant dans l'impact du temps passé à l'extérieur sur la myopie.

En conséquence, certains auteurs ont proposé récemment de prévenir la myopisation par l'utilisation de systèmes d'éclairage domestique comportant des rayonnements de longueurs d'onde inférieures à 300 nm, voire à des lampes émettant des UV pour mimer au mieux la lumière du jour (Torii et al., 2017). Une étude a confirmé récemment que l'exposition à la lumière du jour est associée à un moindre risque de myopisation et ce, indépendamment des taux de vitamine D (Williams et al., 2017). Ces études sont à mettre en balance avec les risques sanitaires liés aux expositions UV (Anses, 2005).

#### 3.5.4.4.2 Études chez l'animal

Quand la rétine reçoit de la lumière, les cellules amacrines dopaminergiques limitent la quantité de dopamine qu'elles produisent. Hors la DA intervient dans la croissance du globe, apparaissant comme un médiateur moléculaire possible entre la lumière et la myopisation. Des études ont montré que l'injection intraloculaire d'agonistes dopaminergiques permet de réduire les myopies expérimentales induites chez l'animal par déprivation sensorielle (Connaughton et al., 2015).

Une étude récente a testé l'effet de l'éclairage en lumière blanche à forte luminance pendant 6 heures sur la stimulation dopaminergique dans la rétine de souris. En conditions de base, les animaux étaient soumis à une illumination de 100-200 lx pendant 2 h sur 24. Dans les conditions de stimulation, les animaux étaient soumis à l'éclairage de base pendant 3 heures, puis à une forte luminance (2 500 – 5 000 lx) sous un tube fluorescent pendant 6 heures, puis à un retour en conditions de base pendant 3 heures. Ce rythme d'illumination pendant 4 semaines a permis d'inverser le *shift* myopique en *shift* hypermetropique par stimulation de cellules bipolaires exprimant le récepteur dopaminergique D1. Cette activation a stimulé la voie de signalisation c-fos (Chen et al., 2017).

Des études ont été également menées sur le cochon d'Inde au cours du développement visuel de ces rongeurs dont la rétine est essentiellement constituée de bâtonnets. Soumis
dès le 14ème jour, pendant 12 semaines, à différents types d'illumination (430 nm à 460 mW/m² ; 530 nm à 750 mW/m² et lumière blanche à 400 mW/m²), les animaux exposés à 530 nm ont présenté une myopisation plus rapide que les animaux exposés à 460 nm, confirmant d'autres études chez les poissons et le poulet qui démontrent que les courtes longueurs d'onde dans ces modèles pourraient réduire l'élongation du globe après la naissance (Qian et al., 2013).

L'analyse du rôle de différentes longueurs d'onde sur les phénomènes d'emmetropisation post natale a plus de pertinence quand elle est réalisée sur des modèles dont la rétine est enrichie en cônes, car les signaux d'aberrations chromatiques longitudinales pourraient être différents entre les cônes à longues longueurs d'onde (rouges) et les cônes à courtes longueurs d'onde (bleu). Si l'œil est trop long, la focalisation est meilleure dans le rouge (et signale de freiner la croissance) et si l'œil est trop court il focalise mieux dans le bleu (signale d'augmenter la croissance). Les cônes bleus, moins nombreux, pourraient être plus sensibles à une modulation temporelle de la lumière bleue. Pour tester cette hypothèse, des animaux ont ainsi été exposés du 11ème au 24ème jour post natal à une lumière ambiante variable : soit continue soit en subissant une modulation temporelle à une fréquence aléatoire de LED de différentes couleurs (rouges 626 ± 10 nm, 527 lx en continu et 329 lx avec une modulation temporelle ; bleues 464 ± 10 nm 601 lx en continu et 252 lx avec une modulation temporelle). Les animaux contrôles ont été soumis à une lumière blanche produite par un tube fluorescent (100 - 300 lx). Les animaux soumis à la lumière rouge (continu et flicker) sont restés hypermétropes. Les animaux soumis à la lumière bleue continue se sont emmétropisés comme les contrôles alors que les animaux soumis à la lumière bleue flicker se sont myopisés. Ces modifications réfractives dues à des modifications de la longueur axiale pendant la période d'emmetropisation physiologique se sont normalisées après retour en illumination normale. Cette étude montre que la lumière bleue présentant une modulation temporelle peut être un signal important de défocalisation au cours du développement oculaire réfractif post natal (Gawne et al., 2017).

Cette étude est importante car, à l'inverse des modèles de myopisation par déprivation sensorielle, elle analyse les effets de différentes LED sur l'emmetropisation physiologique. En effet, les modèles expérimentaux de myopisation par déprivation restent controversés quant à leur transposition à la myopie humaine (Fledelius et al., 2014). Dans cette étude, il apparaît que le manque de lumière rouge, associé à une lumière bleue qui présenterait une importante modulation temporelle seraient particulièrement inducteur d'un signal d'allongement du globe oculaire dans la période d'émmetropisation.

En conclusion, la myopie est un problème mondial, touchant plus spécifiquement mais pas uniquement l'Asie (Holden et al., 2016; Morgan et al., 2012, 2017). Ce phénomène est multifactoriel, génétique et environnemental. L'exposition à la lumière du jour est un facteur protecteur sans qu'il n'ait encore été possible de discriminer quel élément dans la lumière artificielle fait défaut : manque de bleu, manque de rouge, manque d'UV, absence de rythmicité... Sur ce dernier point, il faut citer des travaux récents qui montrent que des poulets (dont la rétine est riche en cônes) exposés à la lumière (700 lx) pendant deux heures la nuit entre minuit et 2 heures, pendant 7 jours à partir du 12ème jour de vie, se myopisent, secondairement à une modification du rythme circadien normal de variation de l'épaisseur choroidienne (Nickla and Totonelly, 2016). La rythmicité spectrale de la lumière du jour est un élément majeur dans le développement de l'œil de l'enfant au cours de sa croissance. Les impacts des éclairages le jour et la nuit sur la myopisation restent un sujet crucial. Par ailleurs, il faut aussi souligner le rôle possible de la lumière bleue en flicker sur l'induction de la myopie. Les LEDs pauvres en rouge et riches en bleues avec une modulation temporelle seraient d'après ces études de potentiels pourvoyeurs de myopisation.

Des études prospectives permettant d'analyser et de quantifier les types d'éclairage et les risques de myopisation doivent être menées afin d'adapter les éclairages domestiques et scolaires.
#### 3.5.4.4.3 Conclusions et classement de l'effet d'une lumière riche en bleu sur le développement de la myopie

Il y a un effet certain de l'exposition à la lumière naturelle sur la prévention de l'allongement du globe oculaire (myopisation).

Chez l'animal, de nombreuses études mettent en évidence un effet (positif ou négatif) sur l'allongement du globe oculaire soit du spectre soit de la fréquence de modulation temporelle d'une lumière artificielle. Néanmoins, il n'existe pas de données scientifiques chez l'Homme permettant d'incriminer directement la lumière artificielle ni dans sa composition spectrale, ni dans sa variation journalière, ni dans sa fréquence de modulation temporelle pour ce qui concerne l'allongement du globe oculaire.

Le groupe de travail conclut que s'agissant d'une lumière riche en bleu sur le développement de la myopie :

* les éléments de preuve chez l'animal ne permettent pas de conclure ;

* les éléments de preuve chez l'Homme sont limités.

L'effet d'une lumière riche en bleu sur le développement de la myopie est donc possible.

## 3.6 Effets de la modulation temporelle de la lumière émise par les lampes et luminaires à LED

### 3.6.1 La modulation temporelle de la lumière émise par les LED et son origine

#### 3.6.1.1 Introduction

La modulation temporelle de la lumière traduit des fluctuations rapides, périodiques ou non, de l'intensité de la lumière en fonction du temps. Il s'agit d'un phénomène qui n'est pas en général recherché dans les systèmes d'éclairage, à l'exception d'applications qui seront décrites plus loin (communications optiques sans fil, variation du niveau lumineux par modulation du rapport cyclique, etc.). La terminologie et les définitions relatives à ce phénomène sont exposées dans le chapitre de ce rapport concernant les normes et les réglementations. Dans la plupart des cas, la modulation temporelle d'un système d'éclairage est principalement caractérisée par sa fréquence de modulation et le taux de modulation associé, exprimé en %. Selon la fréquence de modulation, cette modulation peut être perceptible ou non par le système visuel humain. La perception visuelle de cette modulation est appelée papillotement ou flicker en anglais (IEC<fnref n="48" />, 2017).

Dans le cas des LED, la modulation temporelle de la lumière n'est pas liée au processus d'émission lumineuse mais au courant d'alimentation du composant. En effet, la production de lumière par une LED suit exactement la forme temporelle de son courant d'alimentation, et ce jusqu'à des échelles de temps très courtes, de l'ordre de la microseconde ou moins. Si une LED est alimentée avec un courant qui n'est pas parfaitement continu mais présente une modulation résiduelle (périodique ou transitoire), alors on retrouve cette modulation résiduelle dans la lumière émise. Il s'agit d'un phénomène particulièrement critique pour l'éclairage à LED. Des fluctuations anormales de la lumière émise par des LED proviennent quelquefois de l'association d'un produit d'éclairage LED avec un variateur conçu pour des

<footnote n="48">⁴⁸ IEC: International Electrotechnical Commission</footnote>
lampes à incandescence. L'incompatibilité des équipements est à l'origine de fluctuations du courant d'alimentation des LED et d'une modulation temporelle anormale des LED.

En 2016, la CIE dans sa note technique CIE TN 006 (CIE, 2016) a dissocié la notion de modulation temporelle de la lumière, une caractéristique purement physique, des effets que cette modulation produit chez l'Homme. Ces effets biologiques de la modulation temporelle de la lumière peuvent être visuels ou non visuels ; ils peuvent à leur tour induire des effets sur la santé.

### 3.6.1.2 Les différents types de modulation et les formes d'onde associées

Les formes d'ondes lumineuses sont les courbes de variations temporelles de la lumière (mesurée par une quantité photométrique comme la luminance ou le flux lumineux variant en fonction du temps).

Les formes d'ondes les plus courantes pour les sources d'éclairage sont périodiques et ont une fréquence de modulation égale à deux fois la fréquence de la tension alternative du secteur. Pour les lampes et luminaires à LED, il existe une plus grande diversité de formes d'onde, en ce qui concerne les fréquences de modulation et les profils temporels. Lorsque les sources d'éclairage sont associées à des variateurs, les formes d'ondes sont plus complexes.

La suite de ce paragraphe fournit des exemples typiques de formes d'onde rencontrées en éclairage.

#### 3.6.1.2.1 Formes d'onde typiques des sources d'éclairage traditionnelles

La Figure 35 illustre la forme d'onde d'une lampe halogène de puissance nominale 28 W. La modulation est parfaitement sinusoïdale à 100 Hz avec un pourcentage de modulation de 3,4 % (le pourcentage de modulation est la profondeur de modulation de la forme d'onde)<fnref n="49" />.

Pour les lampes à incandescence, la modulation lumineuse est liée à l'oscillation périodique de la température du filament. Celle-ci étant proportionnelle au carré du courant d'alimentation alternatif (effet Joule), on retrouve une composante modulée à deux fois la fréquence du secteur.

La Figure 35 illustre la forme d'onde d'une lampe fluorescente compacte de puissance nominale 15 W. La fréquence de modulation est également de 100 Hz, mais la forme d'onde n'est pas sinusoïdale. Elle est typique de l'utilisation dans le ballast de la lampe d'un convertisseur électrique à redressement double alternance (pont de diode par exemple) et d'un filtrage passe-bas (condensateur par exemple). Cette forme d'onde contient essentiellement des composantes fréquentielles à des fréquences multiples d'ordre impair de la fréquence fondamentale de la modulation temporelle (100 Hz, 300 Hz, 500 Hz, etc.).

<footnote n="49">⁴⁹ Le pourcentage de modulation est égal à 100 x (Max-Min)/(Max+Min), où Max et Min représentent respectivement les valeurs maximales et minimales de la modulation.</footnote>
<figure><img src="image_42.png" /><figcaption>Figure 35 : forme d'onde d'une lampe halogène de puissance 28 W</figcaption></figure>

<figure><img src="image_43.png" /><figcaption>Figure 36 : forme d'onde d'une lampe fluocompacte de puissance 15 W</figcaption></figure>

### 3.6.1.2.2 Formes d'onde typiques de lampes et luminaires à LED

Contrairement aux lampes à incandescence et aux lampes à décharge, les lampes et luminaires à LED ont des formes d'onde très variées. La Figure 37 illustre la forme d'onde d'une lampe LED pour laquelle la modulation temporelle de la lumière n'a pas été détectée (forme d'onde constante, au bruit près). Le module LED de cette lampe est donc alimenté en courant constant. La Figure 38 présente en revanche la forme d'onde d'une lampe LED très semblable à celle d'une lampe fluorescente compacte.
<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>Figure 37 : forme d'onde à peu près constante d'une lampe LED. Il n'y a pas de modulation temporelle détectable</figcaption></figure>

<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>Figure 38 : forme d'onde d'une lampe LED présentant une modulation temporelle importante</figcaption></figure>

La Figure 39 montre, pour une autre lampe LED, une forme d'onde carrée et un pourcentage de modulation de 100 %. Dans cet exemple, il y a une extinction totale de la lumière émise toute les 6,7 millisecondes. Les formes d'ondes carrées contiennent également des composantes fréquentielles harmoniques d'ordre impair.
<figure><img src="image_46.png" /><figcaption>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)</figcaption></figure>

### 3.6.1.2.3 La notion de rapport cyclique

Le rapport cyclique (duty cycle en anglais) d'une forme d'onde est le rapport entre le temps durant lequel le signal est supérieur à la valeur moyenne et la durée totale d'une période de modulation. Les rapports cycliques des formes d'ondes présentées dans les figures précédentes (à l'exception de la forme d'onde constante) ont une valeur de 0,5, ce qui traduit que la lumière dépasse la valeur moyenne pendant exactement 50 % de la durée de la modulation.

Les travaux sur les effets visuels de la modulation de la lumière (papillotement, effet stroboscopique, effet de réseau fantôme) montrent que le changement du rapport cyclique d'une forme d'onde sans modification de la fréquence de modulation ou du pourcentage de modulation, a une influence sur ces effets visuels. Ces observations s'expliquent par le fait que la variation du rapport cyclique modifie le spectre fréquentiel de la forme d'onde (modification de l'amplitude des composantes fréquentielles d'ordre supérieur par rapport à la fréquence de modulation fondamentale).

### 3.6.1.2.4 Formes d'onde typiques des LED associées à un variateur à découpage de phase

Lorsque des lampes sont associées à un variateur à découpage de phase, le rapport cyclique de la forme d'onde est différent de 0,5 car le variateur « découpe » une partie du courant d'alimentation pour diminuer la durée moyenne d'allumage pendant chaque période de modulation. Le rapport cyclique est donc inférieur à 0,5. La Figure 40 montre la forme d'onde d'une LED associée à un variateur à découpage de phase sur front montant.

Dans cet exemple, la fréquence de modulation dominante est la même qu'avant découpage (double de la fréquence du secteur). Lorsque ce type de découpage est associé à des pourcentages de modulation importants, comme cela peut être le cas pour des lampes ou des luminaires à LED, des effets visuels indésirables sont perçus par la plupart des observateurs (IEEE, 2015).

Dans le cas général, les lampes LED ou luminaires à LED, utilisés avec un variateur à découpage de phase avec lequel ils ne sont pas compatibles, vont produire des formes d'ondes anormales, différentes de la forme d'onde du produit utilisé sans variateur. Ces formes d'ondes anormales produisent à leur tour des effets visuels, le plus souvent le papillotement.
Il existe une telle diversité d'associations possibles entre les nombreux produits d'éclairage à LED et les nombreux modèles de variateur qu'il n'est pas possible *a priori* de donner des règles sur les formes d'ondes et les effets produits pour de telles associations.

<figure><img src="image_47.png" /><figcaption>Figure 40 : forme d'onde d'une lampe LED utilisée avec un variateur à découpage de phase
Le rapport cyclique est ici d'environ 30 %</figcaption></figure>

Les LED sont souvent utilisées en association avec des variateurs fonctionnant en modulation de rapport cyclique de type PWM (*Pulse Width Modulation*). Dans ce cas, les formes d'ondes peuvent avoir, de manière intentionnelle, des rapports cycliques inférieurs ou supérieurs à 0,5, selon le niveau de lumière souhaité.

Les formes d'onde typiques des LED associées à un variateur à modulation de rapport cyclique (PWM) sont des formes d'onde rectangulaires dont le pourcentage de modulation est de 100 %. La Figure 41 illustre une forme d'onde typique de la modulation PWM.

<figure><img src="image_48.png" /><figcaption>Figure 41 : formes d'onde carrées de même fréquence mais ayant des rapports cycliques différents</figcaption></figure>

La plupart des variateurs PWM sont utilisés à des fréquences élevées, de manière à éviter les effets visuels comme le papillotement et l'effet stroboscopique. Cependant, il n'existe pas de norme pour la fréquence de modulation utilisée en PWM. Ainsi, les feux rouges LED à l'arrière de certaines automobiles passent du mode « normal » au mode « feu stop » en utilisant la modulation PWM à une fréquence de modulation de 200 ou 300 Hz, ce qui peut produire un effet visuel de « réseau fantôme », expliqué dans la suite de cette partie. C'est le
cas aussi de quelques modèles de projecteurs automobiles avant à LED (feux de croisement et de route) qui utilisent également la modulation temporelle PWM pour réduire l'intensité.

### 3.6.1.2.5 Formes d'onde anormales de lampes ou luminaires à LED

Des formes d'onde anormales apparaissent en lien avec certains types de défaillance. Par exemple, dans le cas de modules LED comportant plusieurs branches associées électriquement en parallèle, une désadaptation d'impédance entre branches peut conduire à l'apparition d'une modulation à la fréquence du secteur (50 Hz en Europe) alors que la fréquence de modulation fondamentale est de 100 Hz. La composante à 50 Hz représente alors une composante « sous harmonique » de la modulation temporelle. Elle est souvent critique car elle se situe dans une gamme de fréquences où le papillotement est perceptible.

Dans le cas général, des produits défaillants ou en fin de vie sont susceptibles de produire des modulations anormales de la lumière. Le plus souvent, les défaillances de composants électroniques d'alimentation sont incriminées.

Il existe également des formes d'onde anormales pouvant être produites de manière transitoire par des produits d'éclairage à LED non défectueux lorsqu'ils sont soumis à des fluctuations anormales de la tension d'alimentation électrique. Une étude publiée en 2017 (Gil de castroa et al., 2017) a montré que le papillotement de 24 lampes LED soumises à des fluctuations de tensions était en moyenne inférieur à celui d'une lampe à incandescence de 60 W. Cependant, cette étude a montré de larges écarts entre différents modèles de lampes LED. Le papillotement de ces lampes produit par les fluctuations de tension variait beaucoup d'un modèle à l'autre.

Un exemple de modulation temporelle anormale est illustré dans la Figure 42.

<figure><img src="image_49.png" /><figcaption>Figure 42 : exemple de forme d'onde caractérisant une modulation temporelle anormale et dont la forme est très complexe</figcaption></figure>

Source : Chartered Institution of Building Services Engineers, CIBSE, 2016

### 3.6.1.3 Comparaison des recommandations existantes concernant la modulation temporelle avec les résultats des mesures

La Figure 43 propose une synthèse graphique des recommandations existantes. Les recommandations de la norme IEEE 1789 sont les plus strictes, quelles que soient les fréquences de modulation considérées.

On peut extraire de cette synthèse les niveaux concernant la fréquence de modulation de 100 Hz, qui apparaît le plus fréquemment dans la lumière émise par les lampes et luminaires à LED en France et en Europe.
<figure><img src="image_50.png" /><figcaption>Figure 43 : limites de modulation temporelle proposées par différents organismes</figcaption></figure>

La Figure 44 représente ces limites à 100 Hz, ainsi que les résultats de mesure de la modulation temporelle des lampes grand public décrites précédemment. Il n'existe pas actuellement de consensus international sur les limites de modulation temporelle. En effet, les organismes ayant élaboré ces limites n'ont pas pris en considération les mêmes effets de la modulation temporelle. Seules les recommandations de la norme IEEE 1789 a inclus l'ensemble des effets biologiques et sanitaires connus.
<figure><img src="image_51.png" /><figcaption>Figure 44 : mesures de modulation temporelle à 100 Hz obtenues sur des lampes grand public et valeurs limites recommandées par différents organismes</figcaption></figure>

### 3.6.2 Effets biologiques de la modulation temporelle de la lumière

La note technique CIE TN 006 (CIE, 2016) définit les effets visuels liés à la modulation temporelle de la lumière comme étant des changements de la perception visuelle, induits par un stimulus lumineux dont la luminance ou le contenu spectral fluctue dans le temps, pour un observateur humain dans un environnement spécifique.

La CIE présente trois effets visuels distincts : le papillotement (flicker), l'effet stroboscopique et l'effet de réseau fantôme. La visibilité de ces trois effets est liée à la sensibilité du système visuel humain aux contrastes spatio-temporels.
### 3.6.2.1 La sensibilité visuelle aux contrastes spatio-temporels

Lorsque des variations lumineuses se produisent dans l'espace et dans le temps, le système visuel réagit de manière différente selon les caractéristiques des contrastes spatiaux (variations plus ou moins fines du niveau lumineux dans le champ de vision, présence d'un objet plus ou moins grand en mouvement plus ou moins rapide, etc.) et des contrastes temporels (variations plus ou moins rapides du niveau lumineux en fonction du temps).

Les contrastes spatiaux et temporels sont indissociables l'un de l'autre. Par exemple, dans le cas de la vision d'un objet en mouvement dans le champ visuel, le niveau de visibilité dépend à la fois de la vitesse (dimension temporelle) et de la taille de l'objet (dimension spatiale). De manière générale, les contrastes spatio-temporels peuvent être décrits en matière d'excitations visuelles « élémentaires » qui sont caractérisées par les paramètres suivants :

* la fréquence temporelle (exprimée en nombre de cycles par seconde ou Hz);

* la fréquence spatiale (exprimée en nombre de cycles par degré ou deg⁻¹);

* la position dans le champ de vision (excentricité par rapport à la direction du regard);

* l'intensité du contraste en chaque zone du champ de vision considéré;

* le niveau lumineux de base sur lequel se superposent les excitations visuelles élémentaires.

Contrairement à la sensibilité spectrale du système visuel (sensibilité aux différentes longueurs d'onde du rayonnement optique), la sensibilité aux contrastes spatio-temporelle n'a jamais été normalisée par la CIE. Il existe pourtant de nombreux travaux dans ce domaine dont les plus anciennes publications remontent au début du XXᵉ siècle et les plus récentes sont de 2017.

Les premiers travaux décrivant de manière quantitative la sensibilité aux contrastes spatio-temporels datent d'il y a plus de cinquante ans et ont été effectués par quelques auteurs dont les publications font encore référence à l'heure actuelle. Il s'agit des travaux sur le contraste temporel effectués par de Lange (De Lange, 1958), des travaux sur le contraste spatial effectués par Van Nes et Bouman (Van Nes et Bouman, 1957) et des travaux de Robson (Robson, 1966) évaluant la sensibilité aux contrastes spatiaux et temporels. Un modèle élégant a également été proposé par Kelly pour décrire la visibilité des contrastes spatio-temporels aux niveaux d'illumination photopiques (Kelly, 1979).

L'analyse de ces travaux fondateurs indique que le système visuel a une capacité limitée pour percevoir les contrastes spatio-temporels. Les limites de visibilité ont les caractéristiques suivantes :

* **limite aux basses fréquences temporelles (contrastes lents)** : si l'excitation lumineuse est très lente, typiquement de l'ordre de la dizaine de secondes ou de la minute, le système visuel s'adapte naturellement et limite la perception du contraste. La décroissance de la sensibilité aux basses fréquences temporelles est relativement lente;

* **limite aux hautes fréquences temporelles (contrastes rapides)** : si l'excitation lumineuse est très rapide, le système visuel n'a pas le temps de réagir. La limite haute de la fréquence temporelle, à partir de laquelle le contraste n'est plus perçu (même à contraste maximum), est appelé « fréquence critique de fusion » ou CFF (critical fusion frequency en anglais). Au-delà de la CFF, on retrouve la loi empirique plus ancienne de Talbot-Plateau (1834) qui établit qu'une lumière intermittente, dès lors qu'il y a fusion des contrastes, paraît aussi lumineuse qu'une lumière stable d'intensité égale à la moyenne temporelle de la lumière intermittente. La décroissance de la sensibilité aux contrastes avec les hautes fréquences temporelles est très rapide;
* limite aux basses fréquences spatiales (contrastes occupant une grande portion du champ de vision) : si l'excitation est très large, la perception du contraste est plus réduite que pour une excitation moins étendue. La décroissance de la sensibilité aux basses fréquences spatiales est relativement lente ;

* limite aux hautes fréquences spatiales (contrastes de petite taille dans le champ de vision) : si l'excitation est de très petite dimension, la perception du contraste qu'elle génère est limitée par la résolution spatiale de l'observateur, elle-même liée à la densité des cellules ganglionnaires de la rétine. La décroissance de la sensibilité aux contrastes avec les hautes fréquences spatiales est très rapide.

* adaptation aux faibles niveaux lumineux (vision mésopique) (Kelly, 1972) : la sensibilité aux contrastes reste constante en fonction de l'éclairement (loi empirique de Weber) aux fréquences spatiales et temporelles faibles. Par contre, pour les fréquences temporelles élevées et les fréquences spatiales faibles, la sensibilité aux contrastes spatio-temporels diminue linéairement avec la baisse de l'éclairement. Pour les fréquences spatiales élevées et les fréquences temporelles faibles, la sensibilité diminue selon la racine carrée de l'éclairement (loi empirique de De Vries-Rose). De manière générale, la sensibilité aux contrastes spatio-temporels diminue fortement pour les fréquences spatiales et temporelles les plus élevées lorsque l'éclairement baisse pour atteindre le régime de vision mésopique. La fréquence critique de fusion est également plus faible en condition de faible éclairement. C'est pourquoi le papillotement des anciennes lampes à décharge en éclairage public était peu visible alors que la modulation temporelle de la lumière émise était largement supérieure à celle des lampes utilisées en éclairage intérieur ;

* adaptation aux forts éclairements lumineux : la sensibilité aux contrastes spatio-temporels de fréquences spatiale et temporelle faibles est constante en fonction de l'éclairement (loi empirique de Weber). Pour les fréquences spatiales et temporelles les plus élevées, le pic de sensibilité au contraste augmente et se décale vers les hautes fréquences temporelles, s'accompagnant d'une augmentation de la fréquence critique de fusion. C'est pourquoi le papillotement des lampes et luminaires d'éclairage intérieur est parfois visible jusqu'à des fréquences de modulation élevées car la fréquence critique de fusion peut atteindre 70 Hz, voire 100 Hz chez une petite minorité de sujets.

Pour un observateur donné, chacune des limites énoncées ci-dessus dépend de plusieurs paramètres. Ainsi, la fréquence critique de fusion dépend de la taille de l'objet considéré, du niveau d'éclairement moyen et de sa position dans le champ visuel.

Les résultats de De Lange, Van Nes et Bouman, Robson et Kelly ont fait l'objet de travaux plus récents visant à élaborer des modèles mathématiques « unifiés » de manière à faciliter la prédiction de la visibilité de différents phénomènes spatiaux temporels. Par exemple, Vienot et al. (Vienot et al., 2002) ont bâti en 2002 un modèle mathématique adapté à l'évaluation de la visibilité du papillotement perçu par un automobiliste circulant dans un tunnel éclairé par des luminaires régulièrement espacés. Watson a construit en 2016 (Watson et Ahumada., 2016) un modèle unifié de visibilité des phénomènes spatiaux temporels dans le but de concevoir des systèmes électroniques d'affichage optimisés en nombre de pixels et en fréquence de rafraichissement des images.

Il faut noter que les modèles mathématiques de la perception visuelle des contrastes spatio-temporels supposent un observateur standard qui est souvent assez mal défini. Dans la réalité, la visibilité des contrastes spatio-temporels est variable d'un sujet à l'autre et dépend également de facteurs mal maitrisés comme l'âge, la fatigue, l'alimentation, d'éventuelles maladies et des facteurs psychologiques (Watson, 1986).
### 3.6.2.2 Papillotement

#### 3.6.2.2.1 Papillotement et fréquence critique de fusion

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. Cette source lumineuse peut être une lampe, un luminaire, un écran ou un afficheur mais aussi une surface éclairée par une source de lumière modulée. La dimension de la source lumineuse est importante pour prédire la visibilité du papillotement.

L'industrie de l'éclairage a toujours jugé qu'il était important de limiter le papillotement des lampes et des luminaires car celui-ci est considéré comme gênant. Les travaux fondateurs de De Lange ont beaucoup servi aux industriels car ils ont abouti à des courbes de variation de la visibilité du contraste temporel en fonction de la fréquence de modulation. Ces courbes ont été obtenues avec des conditions expérimentales compatibles avec le domaine de l'éclairage : source modulée sinusoïdalement, source de petite dimension angulaire (2°) en vision centrale (fovéa), luminance moyenne constante. La courbe de la Figure 45 est issue de l'étude de De Lange (De Lange, 1957). Elle décrit la sensibilité au contraste temporel mesurée sur un sujet (observateur « V ») en 1954 pour plusieurs niveaux d'illumination rétinienne, exprimée en troland (Td). Une illumination rétinienne de 1 Td est produite par une source de luminance de 1 cd/m² avec une pupille de 1 mm². Lorsque la pupille est ouverte à un diamètre de 3 mm, la valeur de 1 Td correspond à une source d'environ 0,1 cd/m². Bien que mesurée sur un seul sujet, cette courbe est à la base de plusieurs modèles de perception et d'indices de papillotement très utilisés en éclairage.

<figure><img src="image_52.png" /><figcaption>Figure 45 : courbes de sensibilité au contraste temporel</figcaption></figure>

La sensibilité au contraste est exprimée selon l'inverse du pourcentage de modulation : la valeur de 200 correspond à un pourcentage de modulation de 0,5 %. La valeur de 1 correspond à une modulation de 100 %. Cette courbe concerne un observateur unique ayant une petite source de lumière modulée dans son champ de vision central (Source : De Lange, 1957)

Les résultats de De Lange montrent que la fréquence critique de fusion est d'environ 70 Hz pour les niveaux de luminance les plus élevés dans ses expériences, de l'ordre de
1 000 cd/m². Pour des niveaux moins élevés, la fréquence critique de fusion diminue, jusqu'à 20 Hz lorsque la source est très peu lumineuse (0,03 cd/m²).

Pour les niveaux de luminance dépassant 10 cd/m², on constate qu'il existe un maximum de sensibilité lorsque la fréquence de modulation est autour de 10 Hz, et que ce maximum se déplace vers 5 Hz lorsque la luminance diminue. Au maximum de sensibilité, le contraste détectable correspond à un pourcentage de modulation très faible d'environ 0,5 %. Ce phénomène d'amplification de la sensibilité a été qualifié par De Lange de « pseudo-résonance ». Cet effet est attribué à des cellules rétiniennes effectuant un traitement différentiel des signaux neuronaux liés à l'intensité lumineuse.

D'autres travaux plus anciens (Hecht et al., 1933) ont démontré la variation de la fréquence critique de fusion avec la position de la source de lumière modulée dans le champ de vision, l'étendue de la source et le niveau d'éclairement rétinien qu'elle produit. Lorsque ces paramètres varient, la sensibilité au contraste ne fait plus uniquement intervenir les cônes, comme c'est le cas dans les travaux de De Lange (excitation purement foveale), mais également les bâtonnets, au fur et à mesure que la source de lumière stimule la rétine périphérique.

### 3.6.2.2.2 Le papillotement en vision périphérique

En vision périphérique, les excitations lumineuses doivent être de plus grande taille pour être visibles car la sensibilité aux petits détails (fréquence spatiale élevée) est plus faible qu'en vision centrale. Elle est liée à la distribution des cellules ganglionnaires beaucoup moins dense sur la rétine périphérique. La fréquence critique de fusion est également plus basse qu'en vision centrale. Par contre, dans ce domaine spatio-temporel plus limité qu'en vision centrale, la sensibilité aux contrastes temporels est plus élevée. Ainsi, la visibilité du papillotement des surfaces observées en vision périphérique (écrans, luminaires, plans de travail éclairés par des lumières modulées, etc.) est plus grande qu'en vision centrale.

### 3.6.2.2.3 Le papillotement des sources étendues

L'influence de la taille de la source de lumière modulée a été décrite par Kelly dans son étude publiée en 2012 (Kelly, 1972b). Kelly a comparé les courbes de sensibilité au contraste temporel obtenus par De Lange (De Lange, 1958) et Kelly (Kelly, 1961) respectivement avec une petite source (2°) et une source étendue (65°). Les résultats obtenus à haute fréquence, au-dessus de 20 Hz, sont très semblables. Par contre, en dessous de 10 Hz, la sensibilité aux contrastes temporels produits par la source étendue est réduite d'un facteur compris entre 3 et 10. Le pic de sensibilité maximale est également différent : il est situé à environ 10 Hz pour la petite source et à 17 Hz pour la source étendue.

### 3.6.2.2.4 Le papillotement en vision mésopique

La visibilité du papillotement diminue en condition de faible éclairement (vision mésopique et scotopique). La fréquence critique de fusion est également plus basse. C'est pourquoi le papillotement des anciennes lampes à décharge en éclairage public était peu visible alors que la modulation temporelle de la lumière émise était largement supérieure à celle des lampes utilisées en éclairage intérieur.

### 3.6.2.2.5 Cas de modulations temporelles non-sinusoïdales

Les travaux de De Lange concernent également la visibilité des modulations temporelles non-sinusoïdales. En effet, celles-ci peuvent être décomposées en composantes sinusoïdales pures (décomposition de Fourier) dont chacune peut être analysée grâce à la courbe de sensibilité de De Lange. Cette méthode repose sur l'hypothèse que le système visuel se comporte comme un système linéaire (Watson, 1986) : la visibilité d'une modulation lumineuse complexe est égale à la somme des visibilités des composantes de la modulation. Cette hypothèse forte a été établie et validée par De Lange puis par Kelly (Kelly, 1961).

De Lange a démontré expérimentalement que la visibilité du papillotement est liée à l'amplitude de la composante fondamentale de Fourier de la forme d'onde et en particulier au