In the mammalian retina, besides the conventional rod–cone system, a melanopsin-associated photoreceptive system exists that conveys photic information for accessory visual functions such as pupillary light reflex and circadian photo-entrainment1,2,3,4,5,6,7. On ablation of the melanopsin gene, retinal ganglion cells that normally express melanopsin are no longer intrinsically photosensitive8. Furthermore, pupil reflex8, light-induced phase delays of the circadian clock9,10 and period lengthening of the circadian rhythm in constant light9,10 are all partially impaired. Here, we investigated whether additional photoreceptive systems participate in these responses. Using mice lacking rods and cones, we measured the action spectrum for phase-shifting the circadian rhythm of locomotor behaviour. This spectrum matches that for the pupillary light reflex in mice of the same genotype11, and that for the intrinsic photosensitivity of the melanopsin-expressing retinal ganglion cells7. We have also generated mice lacking melanopsin coupled with disabled rod and cone phototransduction mechanisms. These animals have an intact retina but fail to show any significant pupil reflex, to entrain to light/dark cycles, and to show any masking response to light. Thus, the rod–cone and melanopsin systems together seem to provide all of the photic input for these accessory visual functions.

The mammalian retina has three types of light-sensing cells: rods, cones and melanopsin-containing cells. Rods and cones are involved in vision but have also been shown to contribute to light entrainment of the circadian clock. Now Güler et al. show that the non-image forming (circadian) role of rods and cones involves signalling via melanopsin-containing cells. This finding implies that people with troubled sleep or seasonal depression could benefit from light detection and melatonin suppression tests even if they are normally sighted. The mammalian retina has three types of light-sensing cells: rods, cones and melanopsin-containing cells. Rods and cones are involved in vision but have also been shown to contribute to light-entrainment of the circadian clock. Rods and cones must signal through melanopsin-containing cells for the latter. Rod and cone photoreceptors detect light and relay this information through a multisynaptic pathway to the brain by means of retinal ganglion cells (RGCs)1. These retinal outputs support not only pattern vision but also non-image-forming (NIF) functions, which include circadian photoentrainment and pupillary light reflex (PLR). In mammals, NIF functions are mediated by rods, cones and the melanopsin-containing intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs)2,3. Rod–cone photoreceptors and ipRGCs are complementary in signalling light intensity for NIF functions4,5,6,7,8,9,10,11,12. The ipRGCs, in addition to being directly photosensitive, also receive synaptic input from rod–cone networks13,14. To determine how the ipRGCs relay rod–cone light information for both image-forming and non-image-forming functions, we genetically ablated ipRGCs in mice. Here we show that animals lacking ipRGCs retain pattern vision but have deficits in both PLR and circadian photoentrainment that are more extensive than those observed in melanopsin knockouts8,10,11. The defects in PLR and photoentrainment resemble those observed in animals that lack phototransduction in all three photoreceptor classes6. These results indicate that light signals for irradiance detection are dissociated from pattern vision at the retinal ganglion cell level, and animals that cannot detect light for NIF functions are still capable of image formation.

Circadian rhythms of mammals are entrained by light to follow the daily solar cycle (photoentrainment). To determine whether retinal rods and cones are required for this response, the effects of light on the regulation of circadian wheel-running behavior were examined in mice lacking these photoreceptors. Mice without cones (cl) or without both rods and cones (rdta/cl) showed unattenuated phase-shifting responses to light. Removal of the eyes abolishes this behavior. Thus, neither rods nor cones are required for photoentrainment, and the murine eye contains additional photoreceptors that regulate the circadian clock.

In the mammalian retina, a small subset of retinal ganglion cells (RGCs) are intrinsically photosensitive, express the opsin-like protein melanopsin, and project to brain nuclei involved in non–image-forming visual functions such as pupillary light reflex and circadian photoentrainment. We report that in mice with the melanopsin gene ablated, RGCs retrograde-labeled from the suprachiasmatic nuclei were no longer intrinsically photosensitive, although their number, morphology, and projections were unchanged. These animals showed a pupillary light reflex indistinguishable from that of the wild type at low irradiances, but at high irradiances the reflex was incomplete, a pattern that suggests that the melanopsin-associated system and the classical rod/cone system are complementary in function.

In mammals, ocular photoreceptors mediate an acute inhibition of pineal melatonin by light. The effect of rod and cone loss on this response was assessed by combining the rd mutation with a transgenic ablation of cones ( cl ) to produce mice lacking both photoreceptor classes. Despite the loss of all known retinal photoreceptors, rd/rd cl mice showed normal suppression of pineal melatonin in response to monochromatic light of wavelength 509 nanometers. These data indicate that mammals have additional ocular photoreceptors that they use in the regulation of temporal physiology.

Abstract Many species synchronize their physiology and behavior to specific hours. It is commonly assumed that sunlight acts as the main entrainment signal for ~24h clocks. However, the moon provides similarly regular time information, and increasingly studies report correlations between diel behavior and lunidian cycles. Yet, mechanistic insight into the possible influences of the moon on ~24hr timers is scarce. We studied Platynereis dumerilii and uncover that the moon, besides its role in monthly timing, also schedules the exact hour of nocturnal swarming onset to the nights’ darkest times. Moonlight adjusts a plastic clock, exhibiting <24h (moonlit) or >24h (no moon) periodicity. Abundance, light sensitivity, and genetic requirement indicate Platynereis r-Opsin1 as receptor to determine moonrise, while the cryptochrome L-Cry is required to discriminate between moon- and sunlight valence. Comparative experiments in Drosophila suggest that Cryptochrome’s requirement for light valence interpretation is conserved. Its exact biochemical properties differ, however, between species with dissimilar timing ecology. Our work advances the molecular understanding of lunar impact on fundamental rhythmic processes, including those of marine mass spawners endangered by anthropogenic change.

Abstract Mammalian circadian rhythms are orchestrated by a master pacemaker in the hypothalamic suprachiasmatic nuclei (SCN), which receives information about the 24 h light:dark cycle from the retina. The accepted function of this light signal is to reset circadian phase in order to ensure appropriate synchronisation with the celestial day. Here, we ask whether light also impacts another key property of the circadian oscillation, its amplitude. To this end, we measured rhythms in behavioural activity and body temperature, and SCN electrophysiological activity in the diurnal murid rodent Rhabdomys pumilio following stable entrainment to 12:12 light:dark cycles at 4 different daytime intensities (ranging from 12.77 to 14.80 log melanopsin effective photons/cm 2 /s). Rhabdomys showed strongly diurnal activity and body temperature rhythms in all conditions, but measures of rhythm robustness were positively correlated with daytime irradiance under both entrainment and subsequent free run. Whole-cell and extracellular recordings of electrophysiological activity in ex vivo SCN revealed substantial differences in electrophysiological activity between dim and bright light conditions. At lower daytime irradiance, daytime peaks in SCN spontaneous firing rate and membrane depolarisation were substantially depressed, leading to an overall marked reduction in the amplitude of circadian rhythms in spontaneous activity. Our data reveal a previously unappreciated impact of daytime light intensity on SCN physiology and the amplitude of circadian rhythms, and highlight the potential importance of daytime light exposure for circadian health.

Abstract Background Light is a key environmental regulator of physiology and behaviour. Mistimed or insufficient light disrupts circadian rhythms and is associated with impaired health and well-being across mammals. Appropriate lighting is therefore crucial for indoor housed mammals. The most commonly used measurement for lighting is lux. However, this employs a spectral weighting function based on human perceived brightness and is not suitable for ‘non-visual’ effects of light or use across species. In humans, a photoreceptor-specific (α-opic) metrology system has been proposed as a more appropriate way of measuring light. Results Here we establish technology to allow this α-opic measurement approach to be readily extended to any mammalian species, accounting for differences in photoreceptor types, photopigment spectral sensitivities, and eye anatomy. Since measuring photopigment spectral sensitivity can be hard to derive for novel animals and photoreceptors, we developed a high-throughput, easy-to-use, method to derive spectral sensitivities for recombinantly expressed melanopsins and use it to establish the spectral sensitivity of melanopsin from 12 non-human mammals. We further address the need for simple measurement strategies for species-specific α-opic measures by developing an accessible online toolbox for calculating these units and validating an open hardware, low-cost, multichannel light sensor for ‘point and click’ measurement. We finally demonstrate that species-specific α-opic measurements are superior to photopic lux as predictors of physiological responses to light in mice and allow ecologically relevant comparisons of photosensitivity between species. Conclusion Our study demonstrates that measuring light more accurately using species-specific α-opic units is superior to the existing unit of photopic lux and holds the promise of improvements to the health and welfare of animals, scientific research reproducibility, agricultural productivity, and energy usage.