Melanopsin

Melanopsin (Gen OPN4) ist ein lichtempfindliches Protein in wenigen, besonderen Ganglienzellen der Netzhaut. Es sieht keine Bilder, sondern misst, wie viel und welches Licht Sie umgibt, und meldet das an Ihre innere Uhr: So entscheidet Licht über Melatonin, Pupille und den Takt des ganzen Körpers bis hinein in die Mitochondrien.

Mit dem Hautpigment Melanin verbindet Melanopsin nur der Wortstamm. Ignacio Provencio (Uniformed Services University, Bethesda) entdeckte es 1998 in lichtempfindlichen Pigmentzellen der Haut des Krallenfroschs, den Melanophoren. [Quelle] Im Jahr 2000 fand seine Gruppe menschliches Melanopsin unter 26 untersuchten Körperstellen nur im Auge; in der Netzhaut von Primaten und Mäusen lag es nicht in Stäbchen und Zapfen, sondern in der inneren Netzhaut. [Quelle]

Stäbchen und Zapfen beantworten die Frage „Was sehe ich?“, Melanopsin die Frage „Wie spät ist es?“. Jaroslav Lachký, Gründer von Mitochondriak®: „Das Auge ist keine Kamera. Das Sehen ist erst die zweitrangige Aufgabe der Augen. Unser Auge ist in erster Linie ein Sensor, der die nicht-visuelle Seite steuert, auch über Melanopsin, und damit unseren zirkadianen Rhythmus und mit ihm den gesamten Stoffwechsel.“

Was ist Melanopsin und wo sitzt es?

Melanopsin ist ein Photopigment aus der Familie der Opsine: In der Netzhaut übersetzt es Licht direkt in ein Nervensignal, und es kommt auch in Geweben außerhalb des Auges vor. Wie die Sehpigmente nutzt es Retinal, einen Abkömmling von Vitamin A. [Quelle] Seine Aminosäuresequenz ähnelt aber am stärksten den Opsinen von Kopffüßern wie Tintenfischen, und schon Provencio vermutete Aufgaben auch jenseits des Sehens, von der Pupillenweite bis zu zirkadianen Rhythmen. [Quelle]

Jaroslav Lachký schrieb 2022: „Heute wissen wir, dass sich Melanopsin in einigen Arterien, in der Unterhaut, aber auch im Auge befindet.“ Die Forschung seit 2014 gibt ihm recht: An der Johns Hopkins University zeigten Gautam Sikka und Kollegen, dass Blutgefäße von Mäusen Melanopsin tragen und sich unter Licht entspannen, am stärksten bei etwa 430 bis 460 nm. [Quelle] An der University of Alberta fand das Team um Peter Light in menschlichen Unterhautfettzellen einen blaulichtempfindlichen Signalweg über Melanopsin, der im Labor bei Lichtstärken ansprang, wie sie an einem sonnigen Tag die Haut durchdringen. [Quelle]

Wie funktioniert Melanopsin und auf welches Licht reagiert es?

Melanopsin reagiert am stärksten auf blau-cyanes Licht um 480 nm, arbeitet langsam und lebt vom Wechselspiel der Farben, das die Sonne immer mitliefert. Weil Linse und Augenmedien einen Teil des kurzwelligen Lichts schlucken, liegt der Gipfel am Auge bei 490 nm. [Quelle] George Brainard (Thomas Jefferson University) zeigte 2001 in 627 nächtlichen Tests an 72 Erwachsenen, dass Licht zwischen 446 und 477 nm das Melatonin am stärksten unterdrückt. [Quelle]

Die gewohnte Luxzahl sagt darüber wenig: Bei Steven Lockley und Charles Czeisler (Harvard Medical School) verschoben 6,5 Stunden Licht bei 460 nm die innere Uhr doppelt so stark wie gleich viele Photonen bei 555 nm, der Wellenlänge, für die das Sehen am empfindlichsten ist. [Quelle] Jaroslav Lachký: „Lux ist eine nützliche Größe für das menschliche Sehen, aber keine vollständige Beschreibung des Sonnensignals.“

Dabei ist Melanopsin kein Blitzmelder: Seine Lichtantwort ist langsam [Quelle], an Netzhäuten von Mäusen summiert es Licht über Minuten auf. [Quelle] Jaroslav Lachký vergleicht es mit einem Dimmer, der stufenlos regelt, statt nur ein- und auszuschalten.

Warum braucht Melanopsin das ganze Spektrum?

Weil Melanopsin bistabil ist: Licht aktiviert es und lädt es auch wieder auf. Stäbchen und Zapfen brauchen dafür den enzymatischen Vitamin-A-Kreislauf, Melanopsin schaltet mit Licht hin und zurück. [Quelle] An der Universität Kyoto maßen Forschende am Melanopsin der Maus: Ruhezustand 467 nm, aktives Metamelanopsin 476 nm, dazu ein dritter Zustand, das Extramelanopsin, das unter gelbem bis rotem Licht entsteht und mit blauem Licht in Metamelanopsin übergeht. [Quelle]

Beim Menschen zeigten Ludovic Mure und Howard Cooper (INSERM, Bron bei Lyon) 2009 in einer Studie mit zwölf Erwachsenen: Rotes Licht vorab verstärkte die spätere Verengung der Pupille, blaues schwächte sie. Die Forschenden sprechen von einem „photischen Gedächtnis“. [Quelle] Jaroslav Lachký: „Das bedeutet, dass Melanopsin, damit es funktioniert und also unseren Schlaf und den zirkadianen Rhythmus […] steuert, das ganze Lichtspektrum braucht und nicht nur blaues Licht.“ Deshalb hält er wenig davon, morgens einfach eine starke LED einzuschalten: Die Sonne liefert zum Blau immer auch Rot.

Was sind ipRGCs und warum sind sie so besonders?

ipRGCs sind Ganglienzellen der Netzhaut, die dank Melanopsin selbst Licht messen, statt nur weiterzugeben, was Stäbchen und Zapfen melden. Der Name steht für intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, also von sich aus lichtempfindliche Ganglienzellen der Netzhaut. David Berson (Brown University) zeigte 2002, dass die Ganglienzellen, die zur inneren Uhr ziehen, auch dann auf Licht antworten, wenn alle Signale von Stäbchen und Zapfen blockiert sind. [Quelle] Samer Hattar und King-Wai Yau (Johns Hopkins University) wiesen im selben Heft von Science an Ratten und Mäusen nach, dass genau diese Zellen Melanopsin enthalten. [Quelle]

Beim Menschen sind es erstaunlich wenige: Jens Hannibal (Universität Kopenhagen) zählte an zwei Netzhäuten 7.283 ± 237 Melanopsin-Zellen, 0,63 bis 0,75 % aller Ganglienzellen. Sie erhalten Eingänge auch von dopaminergen Amakrinzellen. [Quelle] Bei Ratten steuert Dopamin sogar, wie viel Melanopsin-mRNA diese Zellen bilden. [Quelle] Nicht umsonst verbindet Jaroslav Lachký seit Jahren Sonnenlicht, Dopamin und Melanopsin.

Weil ipRGCs Licht über Zeit und Raum sammeln [Quelle], müssen Sie nicht in die Sonne schauen: Draußen mit offenen Augen zu sein genügt.

Wie stellt Melanopsin die innere Uhr?

Melanopsin schickt sein Signal über eine direkte Nervenbahn in den Nucleus suprachiasmaticus (SCN), die zentrale Uhr im Hypothalamus, die den Körper auf Tag oder Nacht stellt.

1. Morgens: Tageslicht mit viel Blau-Cyan erreicht die ipRGCs.
2. Signal zur Uhr: Über den retinohypothalamischen Trakt gelangt es zum SCN, weitere Fasern ziehen zu den Zentren des Pupillenreflexes. [Quelle]
3. Die Uhr wird gestellt: Der SCN gleicht die innere Zeit mit dem Sonnentag ab. [Quelle]
4. Abends: Schwindet das Licht, verstummt Melanopsin, und die Zirbeldrüse bildet das nächtliche Melatonin, das Licht am Abend unterdrücken würde. [Quelle]

Jaroslav Lachký: „Melanopsin ist ein biologischer ‚Lichtuhrmacher‘, der das gesamte Nerven- und Hormonsystem synchronisiert.“ Das reicht bis zur Stimmung: Bei Mäusen wirkt Licht über eine eigene Bahn von den ipRGCs zur perihabenulären Region auf die Stimmung, unabhängig vom SCN. [Quelle]

Und es reicht bis in die Zelle: An der Universität Maastricht folgte die Atmung der Mitochondrien im Muskel von zwölf jungen, gesunden Männern einem klaren Tag-Nacht-Rhythmus, am niedrigsten um 13 Uhr, am höchsten um 23 Uhr (80,6 gegenüber 95,8 pmol/mg/s). [Quelle] Für uns schließt sich hier der Kreis: Die Uhr, die Melanopsin stellt, tickt bis in die Mitochondrien.

Warum entscheidet Melanopsin über Melatonin?

Weil Melanopsin der inneren Uhr meldet, ob Tag ist: Solange es blau-cyanes Licht sieht, bremst sie das nächtliche Melatonin der Zirbeldrüse. Schon Provencio vermutete 2000, dass Melanopsin die akute Unterdrückung des Melatonins durch Licht vermittelt [Quelle]; heute stützen sich die internationalen Lichtempfehlungen genau darauf. [Quelle]

Melatonin ist dabei weit mehr als ein Schlafhormon: Nach Russel Reiter (UT Health San Antonio) ist seine Konzentration in den Mitochondrien höher als in allen anderen Bereichen der Zelle. [Quelle] Für uns gehören Dunkelheit, Melatonin und Mitochondrien deshalb zusammen. Melanopsin unterscheidet dabei nicht, ob ein blau-cyanes Photon von der Sonne kommt oder vom Smartphone: Für das Pigment heißt beides „Tag“.

Wie direkt der Weg ist, zeigte Charles Czeisler (Harvard Medical School) 1995 an blinden Menschen ohne bewusste Lichtwahrnehmung: Bei drei von elf sank das Melatonin im hellen Licht um durchschnittlich 69 %, bei zweien davon mit abgedeckten Augen nicht. [Quelle]

Warum ist künstliches blaues Licht am Abend ein Problem?

Nach Sonnenuntergang ist blaues Licht für Melanopsin biologische Desinformation: Es meldet Tag, während der Körper in die Nacht wechseln will. Jaroslav Lachký: „Morgensonne und blaues Licht vom Handy können zwar ähnliche Moleküle aktivieren (Melanopsin), lösen aber zu unterschiedlicher Zeit ein völlig anderes biologisches Ergebnis aus.“

Unser Lichtalltag steht dabei auf dem Kopf: weniger Licht am Tag, weniger Dunkelheit in der Nacht, weil wir mehr Zeit drinnen unter elektrischem Licht verbringen. [Quelle] Eine Expertengruppe um Timothy Brown (University of Manchester) hat 2022 deshalb Zielwerte für die melanopische EDI empfohlen. Diese Größe gibt an, wie stark Licht Melanopsin anspricht:

• Tagsüber: mindestens 250 lx am Auge, wenn möglich zuerst mit Tageslicht.
• Abends (ab drei Stunden vor dem Schlafen): höchstens 10 lx.
• Nachts im Schlafzimmer: höchstens 1 lx.

Die Werte gelten für gesunde Erwachsene von 18 bis 55 Jahren. Im Büro mit gewöhnlicher Beleuchtung nach Norm kommen am Auge meist weniger als 200 lx melanopische EDI an. [Quelle] Abends dagegen liefern weiße LEDs und Bildschirme weiter blau-cyanes Licht, das Melanopsin als Tag liest.

Rotes Licht liegt am langwelligen Ende der Melanopsin-Kurve. Bei Mariana Figueiro und Mark Rea (Rensselaer Polytechnic Institute) erhielten zwölf Personen während 27 Stunden Wachsein wiederholt je eine Stunde blaues oder rotes Licht von 40 Lux: Nur das blaue senkte das nächtliche Melatonin, auf Cortisol wirkten beide. [Quelle] Für Melanopsin bedeutet Rot also keinen Tag, für den Körper bleibt es aber eine Information.

Wie unterscheidet sich Melanopsin von Stäbchen und Zapfen?

Stäbchen und Zapfen liefern das Bild, Melanopsin liefert die Zeit.

Ganz getrennt sind die Systeme nicht: Zu Beginn einer Belichtung reden die Zapfen kräftig mit, im Lauf der Stunden übernimmt Melanopsin die Führung. [Quelle]

Jaroslav Lachký nutzt dafür das Bild eines Orchesters: „Melanopsin ist ein sehr lautes Instrument, aber nicht das ganze Orchester.“ Und: „Die Biologie liest das Verhältnis, nicht nur einen einzigen Gipfel.“

Was zeigen die wichtigsten Studien am Menschen?

Rund drei Jahrzehnte Forschung zeigen beim Menschen ein eigenständiges Lichtsystem, das Melatonin, innere Uhr und Pupille steuert und am stärksten auf Blau-Cyan anspricht.

So setzen Mitochondriaks das um

Melanopsin repariert man nicht, man informiert es richtig: viel Sonne am Tag, rotes Licht am Abend, Dunkelheit in der Nacht. Oder, wie Jaroslav Lachký sagt: „Das Auge ist eine Verlängerung des Gehirns. Über Melanopsin stellt es die biologische Zeit.“

• Morgens raus: Gehen Sie innerhalb von 30 Minuten nach dem Aufstehen ins Freie, auch bei bewölktem Himmel.
• Ohne Sonnenbrille im Alltag: Ihre Netzhaut soll das volle Spektrum sehen, und Ihre Augen gewöhnen sich an Tageslicht, wenn Sie ihnen Zeit geben.
• Tagsüber viel Licht: Arbeiten Sie am Fenster, machen Sie Pausen draußen. Drinnen ergänzt eine Glühlampe mit kontinuierlichem Spektrum samt Rot und Infrarot das Licht besser als weitere weiße LEDs.
• Abends rot statt weiß: Nach Sonnenuntergang weißes Deckenlicht aus, rotes Licht sparsam und indirekt, etwa die roten Abendlampen Mitochondriak® für E27, E14 und GU10 aus der Innenbeleuchtung (kein blaues und grünes Licht, Maximum bei 630 nm, flimmerfrei laut UPRtek-Messung, nicht dimmbar).
• Bildschirm mit roter Brille: Am Abend filtert eine rote Brille blaues und grünes Licht heraus; der Nachtmodus ist nur eine Teillösung. Mehr im Ratgeber Blaulichtfilter-Brillen am Abend.
• Nachts völlig dunkel: Verdunkeln Sie das Schlafzimmer und decken Sie Standby-Lämpchen ab. Für nächtliche Wege genügt ein schwaches rotes Licht in Bodennähe.

Verwandte Begriffe

• Zirkadianer Rhythmus – rund 24-stündiger Takt des Körpers, den Melanopsin täglich mit dem Sonnenlicht abgleicht.
• Melatonin – Hormon der Nacht und Molekül der Mitochondrien.
• Blaues Licht – kurzwelliges Licht, dessen blau-cyaner Anteil Melanopsin am stärksten anspricht.
• ALAN (Artificial Light at Night) – künstliches Licht in der Nacht, das über Melanopsin Tag signalisiert.
• Mitochondrien – Kraftwerke der Zelle, deren Atmung einem Tag-Nacht-Rhythmus folgt.
• ATP (Adenosintriphosphat) – Energieträger der Zelle aus den Mitochondrien.
• Wellenlänge – entscheidet, wie stark Licht Melanopsin anspricht.
• Photobiomodulation – Anwendung von rotem und nahinfrarotem Licht, das Melanopsin kaum anspricht.
• Nahinfrarotlicht (NIR) – unsichtbarer Teil des Sonnenlichts, den gewöhnliche weiße LEDs nicht liefern.
• Cytochrom-c-Oxidase (CCO) – Enzym der Atmungskette, das rotes und nahinfrarotes Licht aufnimmt.

Häufige Fragen zu Melanopsin

Was ist Melanopsin einfach erklärt?

Melanopsin ist ein Lichtsensor in der Netzhaut, der Ihrer inneren Uhr meldet, wie hell es ist und welche Farbe das Licht hat. Es sitzt in wenigen tausend Ganglienzellen, reagiert am stärksten auf blau-cyanes Licht um 480 nm und stimmt Melatonin, Schlaf-wach-Rhythmus und Pupille auf Tag und Nacht ab. Bilder sieht es nicht: Es ist der Zeitgeber des Auges.

Hat Melanopsin etwas mit Melanin zu tun?

Nein, nur die Namen sind verwandt. Melanin ist das Pigment, das Haut, Haare und Augen färbt. Melanopsin ist ein lichtempfindliches Protein aus der Familie der Opsine. Seinen Namen verdankt es dem Fundort: Ignacio Provencio entdeckte es 1998 in pigmenthaltigen Hautzellen des Krallenfroschs, den Melanophoren.

Braucht Melanopsin nur blaues Licht?

Nein, Melanopsin reagiert zwar am stärksten auf Blau-Cyan, braucht für seinen Kreislauf aber das ganze Spektrum. Weil es bistabil ist, lädt Licht es selbst wieder auf; gelbes bis rotes Licht schaltet es in einen weiteren Zustand, und rotes Licht vorab verstärkte beim Menschen die spätere Pupillenverengung. Die Sonne liefert Blau, Rot und Infrarot immer gemeinsam.

Wirkt Licht morgens anders als abends?

Ja, denn Melanopsin meldet Licht an eine Uhr, und die Bedeutung hängt von der Tageszeit ab. Morgens stellt viel Tageslicht die innere Uhr auf Tag. Abends unterdrückt dasselbe blau-cyane Licht das Melatonin und kann die Uhr nach hinten verschieben. Darum gilt bei uns: tagsüber viel natürliches Licht, abends wenig und rotes Licht, nachts Dunkelheit.

Stört rotes Licht am Abend die innere Uhr?

Rotes Licht spricht Melanopsin nur sehr schwach an und ist deshalb unser Abendlicht. In einer Studie mit zwölf Personen senkte blaues Licht von 40 Lux das nächtliche Melatonin, rotes Licht gleicher Stärke nicht; auf Cortisol wirkten beide. Rot bleibt also eine Information für den Körper: Setzen Sie es sparsam und indirekt ein, und schlafen Sie in Dunkelheit.

Sollte ich tagsüber eine Sonnenbrille tragen?

Im Alltag nicht: Ihre Netzhaut braucht das volle Tageslicht, um die innere Uhr zu stellen. Eine Sonnenbrille dämpft genau dieses Signal und kann das Verhältnis der Farben verändern, das die Netzhaut liest. Ausnahmen sind Schnee, Hochgebirge, Autofahren gegen die tief stehende Sonne sowie Laser- und Schweißarbeiten.

Reicht der Nachtmodus am Bildschirm?

Der Nachtmodus ist nur eine Teillösung. Er nimmt einen Teil des Blaus heraus, beseitigt aber weder das grüne Licht noch ein mögliches Flimmern, und der Bildschirm bleibt eine helle Fläche direkt vor Ihren Augen. Stellen Sie ihn abends deutlich dunkler, schalten Sie weißes Deckenlicht aus und tragen Sie eine rote Brille, die blaues und grünes Licht herausfiltert.

Was Sie sich merken sollten

• Melanopsin ist der Lichtsensor Ihrer inneren Uhr: rund 7.300 Zellen je Netzhaut, am empfindlichsten für Blau-Cyan um 480 nm.
• Es meldet Zeit, nicht Bilder: an Melatonin, Pupille und den Takt des ganzen Körpers bis in die Mitochondrien.
• Es braucht das ganze Spektrum: Als bistabiles Pigment lebt es vom Wechselspiel aus Blau und Rot, das die Sonne immer mitliefert.
• Informieren Sie es richtig: viel Tageslicht ohne Sonnenbrille, abends rotes Licht, nachts Dunkelheit.

Wie Sie Ihren Tag-Nacht-Rhythmus im Alltag stärken, lesen Sie im Beitrag Zirkadianer Rhythmus: So funktioniert unsere innere Uhr.