Luce e neuroscienze un binomio che guarda al futuro

Un fattore chiave di innovazione nel campo della progettazione illuminotecnica è rappresentato dalle neuroscienze che hanno permesso di individuare lo stretto legame esistente tra gli aspetti fisiologici e neurofisiologici dell’uomo e le caratteristiche architettoniche e le condizioni ambientali del contesto in cui si trova. Conoscere come funziona il cervello può fare un’enorme differenza nella progettazione architettonica e, in seconda istanza, nel lighting design, perché la possibilità di individuare con maggiore chiarezza i fattori che incidono sullo stato psicofisico delle persone spinge a definire nuovi criteri di valutazione su cui basare le scelte progettuali.

Nello specifico la progettazione viene messa in relazione con gli aspetti ambientali strettamente correlati ai sensi umani. Obiettivo della luce non è più unicamente far vedere bene, ma anche far sentire le persone a proprio agio tenendo conto degli effetti della luce artificiale sull’organismo umano. Ne consegue una forte spinta all’innovazione di prodotto, orientata alla definizione di sistemi intelligenti in grado di osservare le reazioni fisiologiche delle persone e, in presenza di situazioni negative quali stress o malessere, di intervenire modificando i parametri ambientali per ricreare condizioni di benessere. Sistemi che agiscono in primis sulla luce in quanto rappresenta il principale stimolo per regolare il ritmo circadiano, l’orologio biologico che nelle diverse fasi della giornata regola funzioni chiave quali i livelli ormonali, il sonno e il metabolismo. Filone di ricerca che ha portato alle soluzioni basate sui principi della Human Centric Lighting. Lo step successivo è rappresentato dall’integrazione di sofisticati sensori che rilevano il movimento ciliare ed oculare, cosi come la postura, la presenza di sudore e i movimenti della persona al fine di sviluppare dei modelli neuroscientifici per la valutazione le reazioni agli stimoli illuminotecnici ambientali.

La strada è dunque segnata, ma per poter procedere in tal senso sarà fondamentale un approccio interdisciplinare frutto di conoscenze che, oltre all’illuminotecnica, spaziano nei campi della fisiologia, delle neuroscienze, della medicina, della fisica e della psicologia, con implicazioni che coinvolgono la tecnologia e l’intelligenza artificiale.
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Neuroscienza e progettazione illuminotecnica

Il rapporto con gli ambienti interni è completamente cambiato rispetto al passato. Se i nostri antenati passavano la maggior parte della giornata all’aperto, nel corso degli anni sono cresciute le attività che ci portano a trascorrere il nostro tempo principalmente in luoghi chiusi con riflessi negativi sulla nostra fisiologia e il nostro cervello che non si sono adeguati a questi cambiamenti.

Questo è uno degli aspetti che chiariscono l’importanza delle scoperte realizzate nel campo delle neuroscienze che hanno rivelato il rapporto tra l’uomo e lo spazio che lo circonda. È dimostrato che la scelta dei colori ha effetti diretti sul sistema nervoso, ad esempio il rosso attiva il sistema nervoso simpatico generando ansia ed esaltazione, mentre il blu agisce sul sistema nervoso parasimpatico dando alla persona una sensazione di pace, rilassamento e riposo. Anche la selezione di specifici odori come possono essere gli aromi naturali hanno ricadute positive sullo stato d’animo delle persone… Ancora più importanza assume la luce; la vista infatti, è uno dei cinque sensi che maggiormente influenza il benessere dell’uomo. Si pensi ad esempio al beneficio che troviamo quando siamo di fronte a un’opera d’arte; proviamo delle emozioni indescrivibili che possono essere oltremodo accentuate se l’opera d’arte è correttamente illuminata.

Ma come enfatizzare il benessere attraverso l’illuminazione? Semplicemente partendo da alcuni principi di base: una buona illuminazione deve essere di alta qualità; deve essere confortevole per gli occhi; deve essere dinamica, ovvero cambiare l’intensità durante l’arco della giornata per poter alternare momenti di attenzione a quelli di relax e, infine, deve essere personalizzabile sia in termini di spettro luminoso, sia adattandosi ai bisogni dell’utente. Non solo, considerato che la luce naturale è la migliore luce per il benessere delle persone, il progetto dovrà puntare a un’illuminazione artificiale il più simile possibile alla luce del sole.

Pone l’attenzione sulle numerose ricerche nel campo della smart lighting la ricercatrice Yvonne de Kort, PhD Full Professor e Chair of Environmental Psychology of Human-Technology Interaction, Department of Industrial Engineering and Innovation Sciences, Eindhoven University of Technology, evidenziando la necessità di riconoscere le esigenze degli utenti – in termini di visione, comfort, salute, prestazioni, atmosfera e risparmio energetico – e la necessità di attuare una collaborazione interdisciplinare tra professionisti di discipline diverse quali neurobiologia, neuroscienze cognitive, cronobiologia, psicologia, design e tecnologia dell’illuminazione.

La ricercatrice sottolinea inoltre la necessità di contestualizzare le ricerche al di fuori dei laboratori per una maggiore attinenza con la realtà: “Le soluzioni di luce intelligente si rivolgono a persone reali, in ambienti reali, in condizioni di luce reale, non a topi da laboratorio privi di luce e di sonno in scatole bianche chiuse.

I partecipanti possono rispondere millisecondi più velocemente a stimoli visivi imprevisti o i loro livelli di melatonina possono aumentare minuti prima alla luce di un certo spettro o intensità, ma questo implica che finiranno il loro lavoro in modo più efficace o dormiranno meglio a casa? Gli effetti persisteranno se non sono stati preparati in condizioni di scarsa illuminazione, se bevono caffè e hanno in mente qualcosa di più del singolo obiettivo di finalizzare la sessione? Ci saranno effetti significativi alla luce dei contesti ricchi e caotici in cui viviamo? La potenziale insoddisfazione per questa particolare luce nel contesto non invaliderà i potenziali benefici visti nei confini del laboratorio? Le soluzioni di illuminazione veramente intelligenti richiedono tutto questo: dovrebbero bilanciare tutte le esigenze rilevanti, essere basate su una base completa di prove e radicate nel mondo reale”.
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A beautiful light, la luce che attiva l’attenzione

Quali sono le caratteristiche che l’illuminazione artificiale dovrebbe avere per aiutare a mantenere un buon livello di attenzione e per evitare l’esaurimento delle risorse mentali?

Questa la domanda di partenza del progetto di ricerca A beautiful light avviato nel 2017 dalla ricercatrice e lighting designer Martina Frattura che in un racconto a due voci con Natalia Olszewska, medico neuroscienzata, illustra gli aspetti fondanti del progetto che fa della bellezza la variabile determinante per il raggiungimento della luce ideale ampliando la trattazione sui complessi meccanismi che legano neuroscienze e illuminazione.

“Una delle ipotesi dell’esperimento è che la percezione della bellezza possa essere collegata a un fenomeno descritto come soft fascination. Questa è una delle quattro caratteristiche di un ambiente che aiuta a ripristinare una mente affaticata e può essere descritta come uno spazio, o un oggetto, che cattura l’attenzione degli utenti in forma spontanea. Le altre tre caratteristiche sono compatibilità, cioè la corrispondenza tra ciò che la persona vuole fare e ciò che l’ambiente richiede e permette, l’estraniazione, che significa allontanarsi dalla routine giornaliera ed infine l’ampliamento, inteso come la capacità di un ambiente ad incoraggiare l’esplorazione dello stesso.

L’attenzione può’ essere considerata involontaria, ovvero guidata da stimoli esterni le cui caratteristiche ne influenzano gli effetti, ad esempio visitare o vedere ambienti naturali può avere effetti psicologici ristoratori, mentre l’esposizione all’ambiente costruito dall’uomo ha tipicamente effetti meno positivi.

Considerando che passiamo la maggior parte del nostro tempo in spazi chiusi e artificiali, la necessità di creare stimoli adatti ad ovviare questo problema diventa una necessità progettuale.

Tuttavia, la percezione positiva che abbiamo di un determinato fattore non dipende interamente dalle caratteristiche dello stimolo in sé, ma anche dal significato che le persone vi assegnano. Questo si traduce nella possibilità di avere reazioni positive a un ambiente per associazione personale, e non solo per risposte fisiologiche predefinite.

È con queste premesse che l’esperienza estetica si fa spazio come oggetto di studio atto a capire meglio la relazione tra utente e il suo spazio. Ed è unendo all’estetica i potenziali effetti che uno scenario di illuminazione controllata potrebbe avere sulle persone, che è nato il progetto di A Beautiful Light.

Lo stimolo luminoso diventa quindi la chiave per utilizzare i benefici del soft fascination lì dove non è presente. Questo esperimento è stato infatti ispirato dalle indagini degli psicologi ambientali, con l’obiettivo di rispondere a due ipotesi: la prima che l’esperienza estetica diminuisca l’affaticamento da attenzione; la seconda che l’illuminazione possa replicare gli effetti dell’esperienza estetica”.

Il legame tra luce e benessere dell’individuo è complesso e sfaccettato come chiarisce Martina Frattura: “La luce colpisce gli utenti in tre modi: come radiazione che ha un impatto sul benessere psicofisico; come illuminatore che opera attraverso il sistema visivo e può influenzare i livelli di attenzione e, infine, luce che influenza il ritmo circadiano e modula il nostro stile di vita, in particolare il ciclo del sonno.

La luce ha quindi influenza su: percezione, prestazione, preferenza, comportamento e umore.

Ricercatori hanno convenuto che la luce è potente nel suscitare una vasta gamma di risposta circadiana, neuroendocrina e neurocomportamentale nell’uomo. Questi tipi di risposte alla luce sono stati definiti non visivi. Negli esseri umani e nella stragrande maggioranza degli animali, i modelli di luce e oscurità che raggiungono la parte posteriore degli occhi attraverso cellule gangliari retiniche intrinsecamente fotosensibili (ipRGC), o cellule gangliari retiniche contenenti melanopsina (mRGC) vengono convertiti in segnali neurali che promuovono la sincronizzazione dell’orologio biologico. Senza questa sincronizzazione, la ricerca ha dimostrato che potremmo sperimentare decrementi a lungo termine della funzione fisiologica, del sonno e siamo esposti a un rischio maggiore di malattie cardiovascolari, diabete e alcune forme di cancro.
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Il senso del benessere è influenzato anche dal comfort visivo, che contribuisce ad aumentare le prestazioni e dal parametro identitario. L’identità viene creata attraverso il controllo dell’illuminazione, l’integrazione nell’architettura e il valore estetico degli apparecchi. Ultimo ma non meno importante, una buona qualità della luce garantisce la sicurezza fisica e il benessere.

Si può migliorare il senso di benessere delle persone anche attraverso il controllo personale. I moderni concetti di illuminazione e ambiente soddisfano in parte le esigenze individuali delle persone durante l’esecuzione di vari compiti”.

La ricerca scientifica sul neurodesign pone dunque le basi per una progettazione realmente ‘umanocentrica’. Come afferma Harry Malgrave – autore del libro “Empatia degli spazi. Architettura e neuroscienze”, professore di architettura preso Illinois Institute of Technology e membro di facoltà di Neuroscience Applied to Architectural Design dell’Università IUAV – le neuroscienze offrono l’opportunità di spostare l’attenzione verso l’esperienza dell’uomo e non essere concentrati solo sugli aspetti funzionali ed estetici degli edifici.

Ma come la neuroscienza può essere applicata a progetti di illuminazione architetturale? Lo chiarisce Natalia Olszewska che afferma: “Molti sono gli strumenti di controllo e monitoraggio della risposta fisiologica a determinati stimoli, sia individuali che di gruppo. Alcuni sono molto comuni e già largamente usati da utenti singoli, come ad esempio il filtro della luce blu per gli schermi, altri meno conosciuti come i sensori per registrare i tempi di esposizione alla luce naturale in un giorno. In entrambi i casi lo scopo ultimo è quello di avere un feedback immediato del nostro organismo allo spazio in cui siamo e all’attività che stiamo svolgendo.

È in questo frangente che la neuroscienza diventa uno strumento fondamentale alla progettazione. Infatti, anche se non partendo da letture di dati personali, ma facendoci aiutare da esperti del settore, la registrazione dell’attività cerebrale in specifici spazi e per specifiche attività diventa uno strumento di controllo utile a tutti quei progettisti che hanno come obiettivo determinate letture degli ambienti che stanno creando. Infatti, la grande rivoluzione della neuroscienza applicata all’architettura porta alla costruzione di un progetto intorno agli utenti, e per essere ancora più specifici, intorno alle loro emozioni e reazioni. Considerando che ogni volta che entriamo in uno spazio abbiamo una particolare sensazione e risposta a questo, immaginare di poter suggerire una reazione comune e condivisibile è lo specchio dell’enorme potenziale della collaborazione tra scienza e architettura”.
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“Le neuroscienze offrono la possibilità di approfondire i meccanismi cerebrali delle risposte neurocomportamentali – aggiunge Martina Frattura –. Questa comprensione può aiutarci a ottimizzare le soluzioni di lighting design ad adattare la luce alle esigenze e alle specifiche dell’user, alla loro esperienza e alle caratteristiche dello spazio in cui si trovano. Le neuroscienze vengono in aiuto attraverso un ampio repertorio di strumenti di ricerca e neuroimaging, per esempio Elettroencefalografia e functional Magnetic Resonance Imaging. La ricerca svolta nei laboratori è la basic research che allarga gli orizzonti del campo scientifico e porta una comprensione più profonda sviluppandone il campo di applicazione. Un’altro approccio è la translational research, la categoria di applied research, che attinge ai risultati di basic research pubblicati sui giornali scientifici e li applica nella pratica attraverso raccomandazioni/informazioni per practitioners. Tali raccomandazioni supportano le decisioni del designer e le rendono più orientate verso il benessere e i bisogni ,degli utenti”.

Considerazioni che portano a riconsiderare la “human centric lighting” che, citando Kevin Houser, professore della Oregon State University, è un termine di moda “contaminato da affermazioni di marketing fuorvianti”.

“Tutte le nuove conoscenze sugli effetti non visivi dell’illuminazione sull’uomo hanno creato una reale base fertile allo sviluppo di nuovi approcci specifici al lighting design per tutti i membri dell’industria dell’illuminazione – spiega Martina Frattura –. Ciò che però si è creato è una separazione tra le varie influenze della luce sull’uomo, limitando l’illuminazione umano-centrica alla sola correzione di temperatura colore durante il corso della giornata. Le società tecniche di illuminazione e le aziende di manifattura hanno infatti investito molto sulla correzione di sorgenti e apparecchi illuminanti basandosi su queste nozioni, ma probabilmente lavorando troppo per compartimenti stagni. Non esiste, infatti, attualmente una guida alla progettazione comprensiva di effetti visivi e non visivi della luce con cui i designers possano progettare, ma credo fortemente che questo sia il futuro del mondo dell’illuminazione”.

Anche negli ambienti di lavoro le neuroscienze portano a riconsiderare gli obiettivi del progetto di illuminazione.

“I compiti dei dipendenti stanno diventando sempre più vari e il lavoro puramente alla scrivania è spesso mescolato con compiti creativi e comunicativi – spiega Martina Frattura –. I moderni ambienti di lavoro privilegiano un concetto di illuminazione che suddivida lo spazio in zone e, così facendo, risponda alle diverse tipologie di utilizzo e alle esigenze dei singoli dipendenti, piuttosto che un’illuminazione generale uniforme.

Buone condizioni visive e di illuminazione aiutano a garantire che i dipendenti si sentano a proprio agio, sia fisicamente che mentalmente. In particolare per gli uffici si consiglia di aggiungere un’illuminazione artificiale biologicamente efficace alla luce diurna incidente. Soluzioni di illuminazione artificiale biologicamente efficaci, basate sulla luce del giorno, stabilizzano il ritmo circadiano delle persone”.
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Design del prodotto

Le scoperte nel campo delle neuroscienze e conseguenti ricerche applicate nel campo della luce, oltre ad avere riflessi nella progettazione illuminotecnica, hanno dato nuovo slancio all’elaborazione di sistemi intelligenti in grado di rilevare segnali relativi al comportamento delle persone e alle loro reazioni fisiologiche a determinate condizioni luminose. Applicare queste soluzioni in abitazioni, uffici, spazi pubblici quali teatri, scuole, musei in spazi commerciali, significa offrire un servizio innovativo che pone la flessibilità e la personalizzazione della luce a disposizione dell’utente finale.

Alla base dei sistemi intelligenti vi è la prerogativa di rispondere in modo puntuale alle esigenze delle persone, obiettivo più facilmente raggiungibile in ambiente domestico rispetto agli spazi pubblici dove vi è una sovrapposizione temporale di più persone.

Ad oggi il mercato dei prodotti di illuminazione si è concentrato principalmente su un approccio base alla neuroscienza, andando a creare degli apparecchi in grado di affrontare un tema: quello del cambio della temperatura di colore e del colore. Si pensi ad esempio ai dispositivi Philips Hue, una serie di lampadine, apparecchi, sensori e accessori che permettono di gestire e personalizzare le luci di un ambiente, creando le atmosfere luminose adatte alle varie situazioni. Consentono infatti di regolare la luce bianca da calda a fredda e grazie alla tecnologia gradiente permettono di dar vita a un mix di luce colorata, non solo, grazie all’integrazione con Spotify gli apparecchi luminosi possono interagire al ritmo della canzone e in base al genere e all’atmosfera.

Quando si parla di ambienti di lavoro, l’approccio diventa più tecnico come ci racconta Michele Cascio, marketing manager di ERCO: “I principi della progettazione illuminotecnica che mantiene l’essere umano al centro sono stati codificati già negli Anni 50 da Richard Kelly. Questi principi, codificati in tempi più recenti con il nome universale di Human Centric Lighting (HCL), richiedono, per poter essere applicati correttamente, che la qualità della luce risponda a determinate caratteristiche che includono, in alcuni casi, la possibilità di variare la temperatura del bianco (Tunable White).
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Con la scoperta dei fotorecettori per la percezione non visiva, risalente al 2001, è stato provato scientificamente il concetto di tempo nella progettazione illuminotecnica. Nuove possibilità in questo senso sono diventate realtà con la diffusione di sistemi di controllo in rete, che consentono accensioni e dimmerazioni temporizzate, e che combinate all’uso di sensori, sistemi di controllo individuale e tecnologia tunable white, oggi consentono un’illuminazione davvero dinamica e rispondente sia alle esigenze consce dell’individuo (preferenze personali), sia inconsce (rispetto del ritmo biologico circadiano, benessere e comfort visivo), sia di ottimizzazione energetica, andando ad illuminare soltanto quando serve e con la quantità di illuminazione necessaria a integrare la luce naturale e ad eseguire il compito specifico. Lo sviluppo dei prodotti ERCO è da sempre votato all’efficienza, all’ affidabilità, e al comfort visivo. Soprattutto quest’ultimo aspetto influenza la percezione non visiva, ma la Human Centric Lighting non si raggiunge solo con le singole caratteristiche tecniche dell’apparecchio di illuminazione, bensì grazie a un approccio olistico alla progettazione illuminotecnica. Attraverso il supporto ai progettisti, che sono coloro che vengono chiamati a mettere in pratica i principi della progettazione olistica HCL, è obiettivo di ERCO abilitare la realizzazione di sistemi di illuminazione che possano il più possibile funzionare in maniera autonoma e automatizzata, attraverso accensioni e spegnimenti programmati sia su base temporale (ad esempio seguendo il variare degli orari di alba e tramonto), sia sulla base della presenza di persone all’interno di un determinato ambiente. Le più recenti tecnologie di controllo bluetooth, tuttavia, rendono possibile anche per il singolo utente, in maniera facilmente accessibile, la regolazione degli apparecchi, ad esempio tramite app su smartphone e tablet, oppure tramite tastierini wireless”.

Quando ricerca e aziende si incontrano i prodotti che ne derivano sono altamente innovativi come è avvenuto ad esempio Spectrum di Zumtobel, una nuova tecnologia che come puntualizza Dario Bettiol, marketing director di Zumtobel “lavora su uno spettro capace di attivare il ciclo melanopico; agendo sulla regolazione della dilatazione pupillare gioca un ruolo fondamentale sia nel miglioramento dell’acuità visiva, sia nella riduzione dello stress visivo”. In collaborazione con il produttore di semiconduttori Nichia, è stato modificato lo spettro dei colori dei LED in una specifica gamma di lunghezze d’onda in cui l’occhio è particolarmente sensibile agli stimoli visivi, emotivi e biologici. Spectrum permette di avvicinarsi alla luce diurna naturale, andando a ridurre le intensità delle lunghezze d’onda blu e aumentando quelle azzurre. L’occhio non nota la differenza rispetto alla normale illuminazione LED ma è meno stressato. Con lo spettro standard il diametro della pupilla tende ad essere maggiore rispetto alla luce naturale di pari illuminamento. Riducendo il diametro della pupilla è possibile far sì che essa resti nella sua dimensione naturale, riducendo lo sforzo sulla retina ed evitanto di stancare gli occhi. Questo porta ad ottenere un effetto positivo sulla concentrazione.

La strada da percorrere è ancora tanta; rispetto al passato sono stati fatti molti progressi in termini di illuminazione e benessere, ma è tempo di andare oltre. Non bisogna fermarsi, ma continuare ad approfondire quanto la collaborazione tra più professionalità può offrire al fine di ottenere il risultato davvero ottimale.

In questo senso possiamo prendere come esempio il lavoro che sta svolgendo Shelley James, dottoressa e fondatrice di Age of Light Innovations, cercando di educare il grande pubblico sul potere della luce e sull’impatto duraturo che può avere sia sul benessere mentale che fisico. Sono molti i lavori su questo tema da lei seguiti, il più recente è LunaTM, una serie di video di YouTube creati per educare il pubblico sulla corretta illuminazione per ogni tipo di ambiente, coinvolgendo all’interno dei video una serie di professionalità, quali scienziati, specialisti dell’educazione, produttori ecc.

Una riflessione progettuale parte da una ricerca molto interessante che sta portando avanti da alcuni anni il Neuroscienze Lab, il laboratorio di ricerca applicata e sviluppo nato dalla partnership tra Intesa Sanpaolo Innovation Center e la Scuola IMT Alti Studi di Lucca. Partendo dalla rilevazione di parametri psicofisici di una serie di volontari che si trovano di fronte al capolavoro della pittura mondiale, come l’Ultima Cena di Leonardo da Vinci presso il Cenacolo Vinciano, sono state registrate le percezioni, per capire cosa accade al cervello di fronte all’opera leonardesca. L’obiettivo della sperimentazione era quella di capire la fruizione del sito museale e capire come le attuali caratteristiche espositive, come illuminazione, pannelli illustrativi e percorso, potessero influenzare positivamente o negativamente sulla qualità della visita.

Questo approccio potrebbe essere un nuovo metodo progettuale per tutti i lighting designer, da potersi applicare, cosi come è stato fatto per un bene culturale, a tutti i settori. Interessante sarebbe infatti poter capire, applicando una serie di device, quali l’elettroencefalogramma per registrare l’attività cerebrale, o il galvanic skin response per rilevare, attraverso la sudorazione, l’attività emotiva, o ancora attraverso un eyetracker che segue i movimenti delle pupille per verificare il puntamento oculare, le reazioni e le percezioni dell’utente finale sotto un determinato tipo di illuminazione.

Questo permetterebbe realmente di conoscere le risposte agli stimoli luminosi andando così a progettare un sistema di illuminazione realmente volto al benessere della persona.