Взаимодействие электромагнитных полей и биологических объектов

Введение

Биоэлектромагнетизм, также известный как биоэлектромагнетика, – это изучение взаимодействия электромагнитных полей и биологических объектов. Области исследования включают электромагнитные поля, создаваемые живыми клетками, тканями или организмами, воздействие электромагнитных полей, создаваемых искусственными источниками, такими как мобильные телефоны, и применение электромагнитного излучения в терапевтических целях для лечения различных заболеваний.

Биологические явления

Биоэлектромагнетизм изучается преимущественно методами электрофизиологии. В конце XVIII века итальянский врач и физик Луиджи Гальвани впервые зарегистрировал это явление, когда проводил вскрытие лягушки на столе, где ранее проводил эксперименты со статическим электричеством. Гальвани ввел термин «животное электричество» для описания этого явления, а его современники называли его гальванизмом. Гальвани и его современники полагали, что активация мышц происходит из-за электрической жидкости или вещества, содержащегося в нервах. В нескольких типах клеток животных, называемых возбудимыми клетками – к которым относятся нейроны, мышечные клетки и эндокринные клетки, а также некоторые растительные клетки – возникают кратковременные электрические события, называемые потенциалами действия. Эти потенциалы действия используются для облегчения межклеточной коммуникации и активации внутриклеточных процессов. Физиологические явления, связанные с потенциалами действия, возможны благодаря вольтаж-зависимым ионным каналам, которые позволяют потенциалу покоя, обусловленному электрохимическим градиентом по обе стороны клеточной мембраны, изменяться и сниматься.

Предполагается, что некоторые животные способны воспринимать электромагнитные поля; например, у ряда водных животных имеются структуры, потенциально способные регистрировать изменения напряжения, вызванные изменяющимся магнитным полем, а перелетные птицы, как считается, используют магниторецепцию для навигации.

Биоэффекты электромагнитного излучения

Большинство молекул в человеческом теле слабо взаимодействуют с электромагнитными полями в радиочастотном или сверхнизкочастотном диапазонах. Одним из таких взаимодействий является поглощение энергии от полей, что может приводить к нагреву тканей; более интенсивные поля вызывают больший нагрев. Это может приводить к биологическим эффектам, варьирующимся от расслабления мышц (как при использовании аппарата для диатермии) до ожогов. Многие страны и регулирующие органы, такие как Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения, установили нормы безопасности для ограничения воздействия ЭМП до нетермического уровня. Нетермический уровень может определяться как нагрев только до точки, в которой избыточное тепло может рассеиваться, или как фиксированное повышение температуры, не обнаруживаемое современными приборами, например, на 0,1 °C. Однако было показано, что биологические эффекты проявляются и при этих нетермических воздействиях; предложено несколько механизмов для их объяснения, и может существовать несколько механизмов, лежащих в основе наблюдаемых различных явлений. Многочисленные поведенческие эффекты при различной интенсивности воздействия магнитных полей были зарегистрированы, особенно при использовании импульсных магнитных полей. Конкретная форма импульса, используемая, представляется важным фактором для наблюдаемого поведенческого эффекта; например, импульсное магнитное поле, изначально разработанное для спектроскопической МРТ и известное как магнитная стимуляция низкого поля, было обнаружено, что временно улучшает настроение пациентов с биполярным расстройством, в то время как другой импульс МРТ не оказал никакого эффекта. В других исследованиях было установлено, что воздействие импульсного магнитного поля на весь организм изменяет устойчивость в положении стоя и восприятие боли. Сильное изменяющееся магнитное поле может индуцировать электрические токи в проводящих тканях, таких как мозг. Поскольку магнитное поле проникает в ткани, его можно генерировать вне головы для индуцирования токов внутри, вызывая транскраниальную магнитную стимуляцию (ТМС). Эти токи деполяризуют нейроны в определенной части мозга, что приводит к изменениям в паттернах нейронной активности. При повторной импульсной ТМС-терапии (rTMS) наличие несовместимых электродов ЭЭГ может привести к нагреву электродов и, в тяжелых случаях, к ожогам кожи. Ряд ученых и врачей пытаются использовать ТМС в качестве альтернативы электроконвульсивной терапии (ЭКТ) для лечения таких расстройств, как тяжелая депрессия и галлюцинации. Вместо одного сильного электрического разряда через голову, как при ЭКТ, в ТМС-терапии подается большое количество относительно слабых импульсов, обычно со скоростью около 10 импульсов в секунду. Если в мозг подавать очень сильные импульсы с высокой частотой, индуцированные токи могут вызывать судороги, как и при первоначальной электроконвульсивной терапии. Иногда это делается намеренно для лечения депрессии, например, при ЭКТ.

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.

Влияние электромагнитного излучения на здоровье человека

В то время как воздействие на здоровье электрических и магнитных полей сверхнизкой частоты (СНЧ) (0–300 Гц), генерируемых линиями электропередач, и радио-/микроволновых частот (РЧ) (10 МГц–300 ГГц), излучаемых радиоантеннами и беспроводными сетями, было хорошо изучено, промежуточный диапазон (ПД) (300 Гц–10 МГц) исследовался значительно меньше. Прямое воздействие низкоинтенсивного радиочастотного электромагнитного излучения на здоровье человека сложно доказать, а задокументированные угрожающие жизни последствия радиочастотных электромагнитных полей ограничиваются источниками высокой мощности, способными вызывать значительные термические эффекты, а также медицинскими устройствами, такими как кардиостимуляторы и другие электронные имплантаты. Тем не менее, было проведено множество исследований с использованием электромагнитных полей для изучения их влияния на клеточный метаболизм, апоптоз и рост опухолей. Электромагнитное излучение в промежуточном диапазоне частот нашло применение в современной медицинской практике для лечения заживления костей, а также для стимуляции и регенерации нервов. Оно также одобрено в качестве метода лечения рака в виде терапии воздействием электрическими полями (Tumor Treating Fields), использующей переменные электрические поля в диапазоне частот 100–300 кГц. Поскольку некоторые из этих методов используют магнитные поля, которые индуцируют электрические токи в биологических тканях, а другие – только электрические поля, строго говоря, это электротерапия, хотя способы их применения с использованием современного электронного оборудования относят их к категории биоэлектромагнитных взаимодействий.