Daytime Light Exposure Dynamically Enhances Brain Responses

Abstract

In humans, light enhances both alertness and performance during nighttime and daytime [1-4] and influences regional brain function [5]. These effects do not correspond to classical visual responses but involve a non-image forming (NIF) system, which elicits greater endocrine, physiological, neurophysiological, and behavioral responses to shorter light wavelengths than to wavelengths geared toward the visual system [6-11]. During daytime, the neural changes induced by light exposure, and their time courses, are largely unknown. With functional magnetic resonance imaging (fMRI), we characterized the neural correlates of the alerting effect of daytime light by assessing the responses to an auditory oddball task [12-15], before and after a short exposure to a bright white light. Light-induced improvement in subjective alertness was linearly related to responses in the posterior thalamus. In addition, light enhanced responses in a set of cortical areas supporting attentional oddball effects, and it prevented decreases of activity otherwise observed during continuous darkness. Responses to light were remarkably dynamic. They declined within minutes after the end of the light stimulus, following various region-specific time courses. These findings suggest that light can modulate activity of subcortical structures involved in alertness, thereby dynamically promoting cortical activity in networks involved in ongoing nonvisual cognitive processes.

La lumière comme stimulant de l’activité cognitive cérébrale

“…Un impact de la lumière sur le flux d'informations des boucles thalamocorticales pourrait affecter de larges territoires corticaux. Enfin, l'activité de l'hippocampe et de l'amygdale, respectivement impliquées dans la mémoire à long terme et dans la régulation des émotions, est aussi affectée par la lumière [6,11,12]. Au niveau cortical, nos résultats montrent que l'impact de la lumière dépend du processus cognitif en cours.…”

“…Au niveau cortical, nos résultats montrent que l'impact de la lumière dépend du processus cognitif en cours. Une tâche plus attentionnelle mettra en évidence des modulations au niveau du cortex dorsolatéral préfrontal et du sillon intrapariétal [9,12]. Une tâche de mémoire de travail, mettant en jeu des fonctions exécutives (comparaison, mise à jour) en plus de l'attention, verra l'activité de régions pariétales supérieures impliquées dans ces processus, ainsi que celle des régions fronto-polaires et ventrolatérales du cortex préfrontal affectées par la lumière [7,8,11,13].…”

“…Il est important de souligner que ces régions préfrontales sont considérées actuellement comme au sommet de la hiérarchie cognitive et engagées dans les processus les plus complexes [14,37], soulignant l'importance de la lumière pour les fonctions cognitives supérieures. Le niveau d'activité des cortex sensoriels occipitaux ou temporaux est aussi influencé par la lumière, probablement via une influence top-down des régions pariétales ou préfrontales [9,12]. Une tâche mettant en jeu les émotions et, dans ce cas précis, le processing de stimulations vocales émotionnelles (dépourvues de signification) a permis de mettre en évidence un impact de la lumière au niveau de « l'aire de la voix » dans le cortex temporal, qui est impliquée dans le décodage de l'information émotionnelle vocale [6].…”

“…Nos premières études ont utilisé une lumière blanche (qui contient toutes les longueurs d'onde) pour démon-trer un impact persistant de la lumière dans la période d'obscurité qui suivait immédiatement l'exposition [9,12]. Nous avons ensuite démontré que, durant …”

“…Il a été démontré qu'une exposition lumineuse augmentait directement les performances pour des tâches mettant en jeu des processus exécutifs, tels qu'inhibition, changement de tâche (shifting), mise à jour, processus mnésiques incluant mémoire de travail et mémoire à long terme, et processus attentionnels [4]. La lumière réduit aussi directement la puissance spectrale à l'éveil des bandes de fréquences delta (0,5-4 Hz), thêta (4-8 Hz) et alpha (8)(9)(10)(11)(12) Hz) de l'électroencéphalogramme (EEG), ainsi que les mouvements oculaires lents, qui sont tous des marqueurs de somnolence et de déficits attentionnels [5]. Ces derniers résultats constituent en fait les premiers éléments des mécanismes cérébraux responsables de l'effet stimulant de la lumière.…”