Электромагниттік өрістер мен биологиялық жүйелердің өзара әрекеттесуі

Кіріспе

Биоэлектромагнетизм, сондай-ақ биоэлектромагнетизм деп те аталады, электромагниттік өрістер мен биологиялық объектілердің өзара әрекеттесуін зерттейтін ғылым. Зерттеу салаларына тірі жасушалардың, тіндердің немесе организмдердің тудыратын электромагниттік өрістер, ұялы телефондар сияқты адам жасаған электромагниттік өрістердің әсері және түрлі ауруларды емдеу мақсатында электромагниттік сәулеленуді қолдану жатады.

Биологиялық құбылыстар

Биоэлектромагнетизм негізінен электрофизиология әдістері арқылы зерттеледі. XVIII ғасырдың соңында итальяндық дәрігер және физик Луиджи Гальвани статикалық электрмен тәжірибелер жүргізген үстелде бақаны кесу кезінде бұл құбылысты алғаш рет тіркеді. Гальвани бұл құбылысты сипаттау үшін «жануарлар электрі» терминін қолданды, ал замандастары оны гальванизм деп атады. Гальвани және оның замандастары бұлшық еттердің белсенділігін жүйкедегі электр сұйықтығы немесе заттың нәтижесі деп есептеді. «Қоздырғыш жасушалар» деп аталатын жануарлар жасушаларының бірнеше түрінде – нейрондар, бұлшықет жасушалары және эндокриндік жасушалар, сондай-ақ кейбір өсімдік жасушаларында қысқа мерзімді электрлік оқиғалар, «әрекет потенциалдары» пайда болады. Бұл әрекет потенциалдары жасушааралық байланысты жеңілдету және ішкі жасушалық процестерді белсендіру үшін қолданылады. Физиологиялық құбылыстардың әрекет потенциалдары болуы мүмкін, себебі кернеуге сезімтал иондық каналдар жасуша мембранасының екі жағындағы электрохимиялық градиент нәтижесінде туындаған тыныш потенциалды шешуге мүмкіндік береді.

Кейбір жануарлар электромагниттік өрістерді сезу қабілетіне ие деп саналады; мысалы, бірнеше су жануарларында магнит өрісінің өзгеруінен туындаған кернеу өзгерістерін сезуге қабілетті құрылымдар бар, ал көшпенді құстар навигация үшін магниттік қабылдауды пайдаланады деп есептеледі.

Электромагниттік сәулеленудің биологиялық әсерлері

Адам ағзасындағы молекулалардың көпшілігі радиожиілік немесе өте төмен жиіліктік диапазондардағы электромагниттік өрістермен әлсіз әрекеттеседі. Мұндай әрекеттесудің бірі – өрістерден энергияны сіңіру, ол тінді қыздыруға алып келуі мүмкін; күштірек өрістер көбірек қыздыруға себеп болады. Бұл, мысқалдардың релаксациясынан (диатермиялық құрылғымен қамтамасыз етілгендей) күйіктерге дейін, әртүрлі биологиялық әсерлерге әкелуі мүмкін. Көптеген елдер мен реттеуші органдар, мысалы, Иондаушы емес сәулеленуден қорғау жөніндегі халықаралық комиссия, электромагниттік өрістерге (ЭМӨ) ұшырауды жылулық емес деңгейде шектеу үшін қауіпсіздік нұсқауларын әзірледі. Бұл, артық жылуды таратуға болатын температураға дейін қыздыру, немесе қазіргі құралдармен анықталмайтын, мысалы 0,1°C тұрақты температураның жоғарылауы ретінде анықталуы мүмкін. Дегенмен, жылулық емес әсерлерге байланысты биологиялық әсерлердің болуы көрсетілді; оларды түсіндіру үшін әртүрлі механизмдер ұсынылды және байқалған әртүрлі құбылыстардың негізінде бірнеше механизмдер болуы мүмкін. Әсіресе импульстік магниттік өрістерге ұшырағанда, әртүрлі интенсивтіліктегі көптеген мінез-құлық әсерлері туралы хабарланды. Мінез-құлық әсері үшін пайдаланылған нақты импульс пішіні маңызды фактор болып көрінеді; мысалы, бастапқыда спектроскопиялық МРТ үшін жасалған импульстік магниттік өріс, төменгі өрістік магниттік стимуляция деп аталады, биполярлық ауруы бар пациенттерде пациенттердің көңіл-күйін уақытша жақсартатыны анықталды, ал басқа МРТ импульсі әсер етпеді. Бүкіл денеге импульстік магниттік өріс әсері басқа зерттеулерде тұрып қалу тепе-теңдігі мен ауырсыну сезімін өзгертетіні анықталды. Күшті өзгеретін магниттік өріс ми сияқты өткізгіш тіндерде электр тогын тудыруы мүмкін. Магниттік өріс тіндерге енгендіктен, оны бас сыртынан жасап, ішіндегі тоқтарды тудыруға болады, бұл транскраниалды магниттік стимуляцияны (ТМС) тудырады. Бұл тоқтар мидың белгілі бір бөлігіндегі нейрондарды деполяризациялап, нейрондық белсенділіктің өзгеруіне әкеледі. Қайталап импульстік ТМС терапиясында немесе rTMS-де үйлесімсіз ЭЭГ электродтарының болуы электродтың қызуына және ауыр жағдайларда терінің күйігіне әкелуі мүмкін. Көптеген ғалымдар мен дәрігерлер ТМС-ті ауыр депрессия және галлюцинациялар сияқты ауруларды емдеу үшін электроконвульсивті терапияны (ЭКТ) алмастыруға тырысуда. ЭКТ-дегідей, басқа күшті электр соққысын берудің орнына, ТМС терапиясында салыстырмалы түрде әлсіз импульстердің үлкен саны беріледі, әдетте секундтық 10 импульс шамамен жылдамдықпен. Егер миға өте күшті импульстер тез жеткізілсе, туындаған тоқтар бастапқы электроконвульсивті терапиядағыдай конвульсияларды тудыруы мүмкін. Кейде бұл депрессияны емдеу үшін, мысалы ЭКТ кезінде мақсатты түрде жасалады.

Most of the molecules in the human body interact weakly with electromagnetic fields in the radio frequency or extremely low frequency bands. One such interaction is absorption of energy from the fields, which can cause tissue to heat up; more intense fields will produce greater heating. This can lead to biological effects ranging from muscle relaxation (as produced by a diathermy device) to burns. Many nations and regulatory bodies like the International Commission on Non Ionizing Radiation Protection have established safety guidelines to limit EMF exposure to a non thermal level. This can be defined as either heating only to the point where the excess heat can be dissipated, or as a fixed increase in temperature not detectable with current instruments like 0.1 °C. However, biological effects have been shown to be present for these non thermal exposures; Various mechanisms have been proposed to explain these, and there may be several mechanisms underlying the differing phenomena observed. Many behavioral effects at different intensities have been reported from exposure to magnetic fields, particularly with pulsed magnetic fields. The specific pulseform used appears to be an important factor for the behavioural effect seen; for example, a pulsed magnetic field originally designed for spectroscopic MRI, referred to as Low Field Magnetic Stimulation, was found to temporarily improve patient reported mood in bipolar patients, while another MRI pulse had no effect. A whole body exposure to a pulsed magnetic field was found to alter standing balance and pain perception in other studies. A strong changing magnetic field can induce electrical currents in conductive tissue such as the brain. Since the magnetic field penetrates tissue, it can be generated outside of the head to induce currents within, causing transcranial magnetic stimulation (TMS). These currents depolarize neurons in a selected part of the brain, leading to changes in the patterns of neural activity. In repeated pulse TMS therapy or rTMS, the presence of incompatible EEG electrodes can result in electrode heating and, in severe cases, skin burns. A number of scientists and clinicians are attempting to use TMS to replace electroconvulsive therapy (ECT) to treat disorders such as severe depression and hallucinations. Instead of one strong electric shock through the head as in ECT, a large number of relatively weak pulses are delivered in TMS therapy, typically at the rate of about 10 pulses per second. If very strong pulses at a rapid rate are delivered to the brain, the induced currents can cause convulsions much like in the original electroconvulsive therapy. Sometimes, this is done deliberately in order to treat depression, such as in ECT.

Электромагниттік сәулелердің адам денсаулығына әсері

Электр желілерінен шығатын өте төмен жиілікті (ӨТЖ) электр және магнит өрістерінің (0-300 Гц) және радиоантенналар мен сымсыз желілерден шығатын радио/микротолқын жиіліктерінің (РЖ) (10 МГц – 300 ГГц) денсаулыққа тигізетін әсері жақсы зерттелген. Аралық диапазон (АД) (300 Гц – 10 МГц) бұл саладан әлдеқайда аз зерттелген. Төмен қуатты радиожиілікті электромагнетизмнің адам денсаулығына тікелей әсерін дәлелдеу қиын болды, ал радиожиілікті электромагниттік өрістерден туындаған өмірге қауіпті әсерлер негізінен жоғары қуат көздерімен, маңызды жылу әсерін тудырумен және кардиостимуляторлар және басқа да электрондық имплантаттар сияқты медициналық құрылғылармен байланысты. Дегенмен, жасуша метаболизміне, апоптозға және ісік өсуіне электромагниттік өрістердің әсерін зерттеу үшін көптеген зерттеулер жүргізілді. Орта жиілікті электромагниттік сәулелену қазіргі заманғы медициналық тәжірибеде сүйектерді емдеу, жүйкелерді ынталандыру және жаңарту үшін қолданылады. Сондай-ақ, 100–300 кГц жиілік диапазонында ауыспалы электр өрістерін пайдаланатын ісіктерді емдеу өрістері түріндегі онкологиялық терапия ретінде бекітілген. Осы әдістердің кейбіреулері биологиялық тіндерде электр тогын тудыратын магниттік өрістерді, ал басқалары тек электр өрістерін қолданғандықтан, олар қатаң түрде электротерапия болып табылады. Бірақ, оларды қазіргі заманғы электрондық жабдықтармен қолдану тәсілдері биоэлектромагниттік өзара әрекеттесулер санатына жатқызады.