stringtranslate.com

Биоэлектромагнетизм

Биоэлектромагнетизм , также известный как биоэлектромагнетизм , является изучением взаимодействия электромагнитных полей и биологических объектов. Области изучения включают электромагнитные поля, создаваемые живыми клетками , тканями или организмами , эффекты искусственных источников электромагнитных полей, таких как мобильные телефоны , и применение электромагнитного излучения в терапии для лечения различных состояний.

Биологические явления

Взаимодействие организмов с электромагнитными полями всего электромагнитного спектра является частью биоэлектромагнитных исследований.

Биоэлектромагнетизм изучается в основном с помощью методов электрофизиологии . В конце восемнадцатого века итальянский врач и физик Луиджи Гальвани впервые зафиксировал это явление, препарируя лягушку за столом, где он проводил эксперименты со статическим электричеством . Гальвани ввел термин «животное электричество» для описания этого явления, в то время как современники называли его гальванизмом . Гальвани и современники считали, что активация мышц происходит в результате воздействия электрической жидкости или вещества в нервах . [1] Кратковременные электрические события, называемые потенциалами действия, происходят в нескольких типах клеток животных, которые называются возбудимыми клетками, категория клеток включает нейроны, мышечные клетки и эндокринные клетки, а также в некоторых растительных клетках. Эти потенциалы действия используются для облегчения межклеточной коммуникации и активации внутриклеточных процессов. Физиологические явления потенциалов действия возможны, поскольку потенциалзависимые ионные каналы позволяют потенциалу покоя, вызванному электрохимическим градиентом по обе стороны клеточной мембраны, разрешиться. [ необходима цитата ] .

Предполагается, что некоторые животные обладают способностью ощущать электромагнитные поля; например, некоторые водные животные обладают структурами, потенциально способными ощущать изменения напряжения, вызванные изменением магнитного поля, [2] в то время как перелетные птицы, как полагают, используют магниторецепцию для навигации. [3] [4] [5]

Считается, что голуби и другие перелетные птицы используют магнитное поле Земли для навигации. [6] [7] [8] [9]

Биоэффекты электромагнитного излучения

Большинство молекул в организме человека слабо взаимодействуют с электромагнитными полями в радиочастотном или крайне низкочастотном диапазонах. [ необходима цитата ] Одним из таких взаимодействий является поглощение энергии из полей, что может вызвать нагревание тканей; более интенсивные поля будут производить большее нагревание. Это может привести к биологическим эффектам, начиная от расслабления мышц (как при использовании диатермического устройства) до ожогов. [10] Многие страны и регулирующие органы, такие как Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения, установили правила безопасности, чтобы ограничить воздействие ЭМП нетепловым уровнем. Это можно определить либо как нагревание только до точки, где избыточное тепло может быть рассеяно, либо как фиксированное повышение температуры, не обнаруживаемое современными приборами, такими как 0,1 °C. [ необходима цитата ] Однако было показано, что биологические эффекты присутствуют при этих нетепловых воздействиях; [ необходима цитата ] Для их объяснения были предложены различные механизмы, [11] и может быть несколько механизмов, лежащих в основе различных наблюдаемых явлений.

Было отмечено множество поведенческих эффектов различной интенсивности при воздействии магнитных полей, особенно импульсных магнитных полей. Конкретная используемая форма импульса, по-видимому, является важным фактором для наблюдаемого поведенческого эффекта; например, импульсное магнитное поле, изначально разработанное для спектроскопической МРТ , называемое низкополевой магнитной стимуляцией , как было обнаружено, временно улучшает настроение у пациентов с биполярным расстройством, [12], в то время как другой импульс МРТ не оказал никакого эффекта. В других исследованиях было обнаружено, что воздействие импульсного магнитного поля на все тело изменяет равновесие стоя и восприятие боли. [13] [14]

Сильное изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрические токи в проводящей ткани, такой как мозг. Поскольку магнитное поле проникает в ткань, оно может быть сгенерировано снаружи головы, чтобы индуцировать токи внутри, вызывая транскраниальную магнитную стимуляцию (ТМС). Эти токи деполяризуют нейроны в выбранной части мозга, что приводит к изменениям в моделях нейронной активности. [15] При повторной импульсной ТМС-терапии или rTMS наличие несовместимых электродов ЭЭГ может привести к нагреву электродов и, в тяжелых случаях, к ожогам кожи. [16] Ряд ученых и врачей пытаются использовать ТМС для замены электросудорожной терапии (ЭСТ) для лечения таких расстройств, как тяжелая депрессия и галлюцинации. Вместо одного сильного электрического удара через голову, как при ЭСТ, при ТМС-терапии подается большое количество относительно слабых импульсов, обычно со скоростью около 10 импульсов в секунду. Если в мозг подаются очень сильные импульсы с высокой частотой, то индуцированные токи могут вызвать судороги, очень похожие на те, что возникают при оригинальной электросудорожной терапии . [17] [18] Иногда это делается намеренно для лечения депрессии, например, при электросудорожной терапии.

Влияние электромагнитного излучения на здоровье человека

Хотя влияние на здоровье крайне низкочастотных (ELF) электрических и магнитных полей (от 0 до 300 Гц), создаваемых линиями электропередач, и радиочастот/микроволновых частот (RF) (10 МГц - 300 ГГц) [19] [20], излучаемых радиоантеннами и беспроводными сетями, было хорошо изучено, промежуточный диапазон (от 300 Гц до 10 МГц) был изучен гораздо меньше. [ необходима ссылка ] Прямое воздействие низкомощного радиочастотного электромагнетизма на здоровье человека было трудно доказать, а задокументированные опасные для жизни эффекты радиочастотных электромагнитных полей ограничиваются источниками высокой мощности, способными вызывать значительные тепловые эффекты [21] и медицинскими устройствами, такими как кардиостимуляторы и другие электронные имплантаты. [22] Однако было проведено много исследований с электромагнитными полями для изучения их воздействия на метаболизм клеток, апоптоз и рост опухолей. [23]

Электромагнитное излучение в диапазоне промежуточных частот нашло применение в современной медицинской практике для лечения заживления костей, а также для стимуляции и регенерации нервов. Оно также одобрено в качестве терапии рака [ где? ] в форме полей для лечения опухолей , использующих переменные электрические поля в диапазоне частот 100–300 кГц. [ требуется цитирование ] Однако эффективность этого метода остается спорной среди медицинских экспертов. [24] Поскольку некоторые из этих методов включают магнитные поля, которые вызывают электрические токи в биологических тканях, а другие включают только электрические поля, они, строго говоря, являются электротерапией , хотя их способы применения с современным электронным оборудованием отнесли их к категории биоэлектромагнитных взаимодействий. [ требуется цитирование ]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Майерс, Ричард (2003). Основы химии . Вестпорт, Коннектикут: Greenwood Press. С. 172–4. ISBN 978-0-313-31664-7.
  2. ^ Моуритсен, Хенрик (июнь 2018 г.). «Дальняя навигация и магниторецепция у мигрирующих животных». Природа . 558 (7708): 50–59. Бибкод : 2018Natur.558...50M. дои : 10.1038/s41586-018-0176-1. PMID  29875486. S2CID  46953903.
  3. ^ Вильчко, Росвита; Вильчко, Вольфганг (4 сентября 2019 г.). «Магниторецепция у птиц». Журнал интерфейса Королевского общества . 16 (158): 20190295. doi : 10.1098/rsif.2019.0295 . ПМК 6769297 . ПМИД  31480921. 
  4. ^ Wu, Le-Qing; Dickman, J. David (25 мая 2012 г.). «Нейронные корреляты магнитного чувства». Science . 336 (6084): 1054–1057. Bibcode :2012Sci...336.1054W. doi : 10.1126/science.1216567 . PMID  22539554. S2CID  206538783.
  5. ^ Wu, Le-Qing; Dickman, J. David (8 марта 2011 г.). «Магниторецепция в мозге птиц, частично опосредованная лагеной внутреннего уха». Current Biology . 21 (5): 418–423. Bibcode : 2011CBio...21..418W. doi : 10.1016 /j.cub.2011.01.058. PMC 3062271. PMID  21353559. 
  6. ^ Нимпф, Саймон; Нордманн, Грегори Чарльз; Кагербауэр, Дэниел; Малькемпер, Эрих Паскаль; Ландлер, Лукас; Пападаки-Анастасопулу, Артемида; Ушакова, Любовь; Веннингер-Вайнцирль, Андреа; Новачкова Мария; Винсент, Питер; Лендл, Томас; Коломбини, Мартин; Мейсон, Мэтью Дж.; Киз, Дэвид Энтони (2 декабря 2019 г.). «Предполагаемый механизм магниторецепции посредством электромагнитной индукции во внутреннем ухе голубя». Современная биология . 29 (23): 4052–4059.e4. Бибкод : 2019CBio...29E4052N. дои : 10.1016/j.cub.2019.09.048 . PMID  31735675.
  7. ^ Вильчко, Росвита; Вильчко, Вольфганг (4 сентября 2019 г.). «Магниторецепция у птиц». Журнал интерфейса Королевского общества . 16 (158): 20190295. doi : 10.1098/rsif.2019.0295 . ПМК 6769297 . ПМИД  31480921. 
  8. ^ Wu, Le-Qing; Dickman, J. David (25 мая 2012 г.). «Нейронные корреляты магнитного чувства». Science . 336 (6084): 1054–1057. Bibcode :2012Sci...336.1054W. doi : 10.1126/science.1216567 . PMID  22539554. S2CID  206538783.
  9. ^ Wu, Le-Qing; Dickman, J. David (8 марта 2011 г.). «Магниторецепция в мозге птиц, частично опосредованная лагеной внутреннего уха». Current Biology . 21 (5): 418–423. Bibcode : 2011CBio...21..418W. doi : 10.1016 /j.cub.2011.01.058. PMC 3062271. PMID  21353559. 
  10. ^ «Опасности среды МРТ». Центр биомедицинской визуализации Мартиноса . Получено 19 марта 2013 г.
  11. ^ Бинхи, 2002
  12. ^ Рохан, Майкл; Пароу, Эйми; Столл, Эндрю Л; Демопулос, Кристина; Фридман, Сет; Дагер, Стивен; Хеннен, Джон; Коэн, Брюс М; Реншоу, Перри Ф (2004). «Магнитная стимуляция с низким полем при биполярной депрессии с использованием стимулятора на основе МРТ» (PDF) . American Journal of Psychiatry . 161 (1): 93–8. doi :10.1176/appi.ajp.161.1.93. PMID  14702256. S2CID  14432285. Архивировано из оригинала (PDF) 27.02.2019.
  13. ^ Томас, AW; Уайт, KP; Дрост, DJ; Кук, CM; Прато, FS (2001). «Сравнение пациентов с ревматоидным артритом и фибромиалгией и здоровых лиц, подвергшихся воздействию импульсного (200 мкТл) магнитного поля: влияние на нормальное равновесие стоя». Neuroscience Letters . 309 (1): 17–20. doi :10.1016/S0304-3940(01)02009-2. PMID  11489536. S2CID  6634766.
  14. ^ Шупак, Наоми М.; Прато, Фрэнк С.; Томас, Алекс В. (2004). «Воздействие на человека определенного импульсного магнитного поля: влияние на тепловые сенсорные и болевые пороги». Neuroscience Letters . 363 (2): 157–162. doi :10.1016/j.neulet.2004.03.069. PMID  15172106. S2CID  41394936.
  15. ^ Тодд Хаттон, Карл Ланоча, д-р мед. наук Ричард Бермудес, Кимберли Кресс. Транскраниальная магнитная стимуляция: что вам нужно знать.
  16. ^ Рот, Брэдли Дж.; Паскуаль-Леоне, Альваро; Коэн, Леонардо Г.; Халлетт, Марк (1992). «Нагрев металлических электродов во время быстрой магнитной стимуляции: возможная опасность». Электроэнцефалография и клиническая нейрофизиология/Раздел вызванных потенциалов . 85 (2): 116–23. doi :10.1016/0168-5597(92)90077-O. PMID  1373364.
  17. ^ Вассерманн, Эрик М. (1998). «Риск и безопасность повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции: Отчет и предлагаемые рекомендации Международного семинара по безопасности повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции, 5–7 июня 1996 г.». Электроэнцефалография и клиническая нейрофизиология/Секция вызванных потенциалов . 108 (1): 1–16. doi :10.1016/S0168-5597(97)00096-8. PMID  9474057.
  18. ^ Росси, Симоне; Халлетт, Марк; Россини, Паоло М.; Паскуаль-Леоне, Альваро (2009). «Безопасность, этические аспекты и рекомендации по применению транскраниальной магнитной стимуляции в клинической практике и исследованиях». Клиническая нейрофизиология . 120 (12): 2008–39. doi :10.1016/j.clinph.2009.08.016. hdl :11572/145680. PMC 3260536. PMID  19833552 . 
  19. ^ Funk, Richard HW; Monsees, Thomas K (2006). «Влияние электромагнитных полей на клетки: физиологические и терапевтические подходы и молекулярные механизмы взаимодействия». Клетки Ткани Органы . 182 (2): 59–78. doi :10.1159/000093061. PMID  16804297. S2CID  10705650.
  20. ^ Шахин, Саба; Банерджи, Соманшу; Сингх, Сурья Пал; Чатурведи, Чандра Мохини (2015). «Микроволновое излучение 2,45 ГГц ухудшает обучение и пространственную память через окислительный/нитрозативный стресс, вызванный p53-зависимым/независимым апоптозом гиппокампа: молекулярная основа и лежащий в основе механизм». Токсикологические науки . 148 (2): 380–99. doi : 10.1093/toxsci/kfv205 . PMID  26396154.
  21. ^ ИГАРАСИ, ЮТАКА; МАЦУДА, ЙОКО; ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ, АКИРА; ИШИВАТА, ТОШИЮКИ; НАИТО, ЗЕНЯ; ЁКОТА, ХИРОЮКИ (2015). «Патофизиология черепно-мозговой травмы, вызванной микроволновым излучением». Биомедицинские отчеты . 3 (4): 468–472. дои : 10.3892/br.2015.454. ПМК 4487000 . ПМИД  26171150. 
  22. ^ Электромагнитные поля и общественное здоровье: промежуточные частоты (ПЧ). Информационный листок, февраль 2005 г. Всемирная организация здравоохранения. Получено в августе 2013 г.
  23. ^ Вартенберг, Мария; Виртц, Нина; Гроб, Александр; Нидермайер, Вильгельм; Хешелер, Юрген; Петерс, Саския К.; Зауэр, Генрих (2008). «Постоянные электрические поля вызывают апоптоз в клетках рака слизистой оболочки полости рта с помощью активных форм кислорода, полученных из НАДФН-оксидазы». Биоэлектромагнитные явления . 29 (1): 47–54. doi :10.1002/bem.20361. PMID  17786977. S2CID  21881355.
  24. ^ Вик, Вольфганг (25 февраля 2016 г.). «TTFields: откуда берется весь этот скептицизм?». Neuro-Oncology . 18 (3): 303–305. doi :10.1093/neuonc/now012. PMC 4767251. PMID  26917587 . 

Ссылки

Организации

Книги

Журналы

Внешние ссылки