Магнитные поля биологических объектов (биомагнетизм). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Жизнедеятельность любого организма сопровождается протеканием внутри него очень слабых электрич. токов - биотоков (они возникают как следствие электрич. активности клеток, гл. обр. мышечных и нервных). Биотоки порождают магн. поле с индукцией 10^-14-10^-11 Тл (рис. 1), выходящее и за пределы организма. Его наз. биомагнитным. Измерение биомагн. поля и получение на этой основе информации о генерирующих его биотоках составляют метод и предмет возникшего в 70-х гг. 20 в. направления исследований, получившего наименование "биомагнетизм", в отличие от магнитобиологии, изучающей воздействие магн. поля на живые организмы.

Уверенное измерение слабых биомагнитных полей стало возможным прежде всего благодаря изобретению в 60-х гг. прибора, получившего название сквид .Чувствительность сквид-магнитометра к магнитному полю на два порядка выше, чем у лучших несверхпроводящих магнитометров, и достигает 10^-14 Тл*Гц^-1/2. Чувствительным к магнитному полю элементом сквид-магнитометра служит петля из сверхпроводника, расположенная на дне дьюара с жидким гелием и индуктивно связанная с собственно сквидом, также работающим при "гелиевой" температуре (с обнаружением в 1986 оксидных высокотемпературных сверхпроводников появилась принципиальная возможность создания "азотных" сквидов, работающих при температуре 77 К).

Регистрация биомагн. полей по аналогии с электрографич. методами (кардиографией, энцефалографией и т. п.) наз. биомагнитографией. Магнитография и электрография дают разную информацию о токах в организме, поэтому они - не конкурирующие, а дополняющие друг друга методы исследования. К достоинствам биомагнитографии можно отнести: 1) возможность измерять квазипостоянные сигналы, к-рые на электрограммах особенно часто маскируются из-за электрич. проводимости кожи; 2) бесконтактность и, в частности, возможность перемещать магн. датчик для точной локации (определения местонахождения) источника биотоковой активности; 3) возможность детектировать магн. включения в организме, а при наличии внеш. поля измерять магн. восприимчивость органов и тканей.

Рис. 1. Место биомагнитных сигналов человека в шкале магнитных полей. Указаны характерные уровни помех и частотные диапазоны сигналов.

Магнитография уже применялась для исследования сердца, плода, скелетных мышц, глаза, сетчатки глаза, мозга, магнитных загрязнений лёгких, постоянных токов в коже человека и т. д. Большинство этих исследований возможны только в условиях тщательного экранирования от "шумовых" магнитных полей самой различной природы (см. Магнитное экранирование).

Наиб. сильные электрич. и магн. поля в организме порождает сердце. Сигналы, записываемые на электрокардиограмме (ЭКГ), можно представить как следствие вращения в пространстве переменного по величине электрич. диполя, расположенного в центре сердца. Аналогичная модель применима н при магнитокардиографических (МКГ) исследованиях. Величина магн. момента человеческого сердца в максимуме составляет ок. 0,8 мкА-м². Более полное представление об электрической активности сердца даёт карта распределения магн. поля по поверхности грудной клетки. Преимущества МКГ перед ЭКГ иллюстрирует рис. 2.

В исследованиях МКГ имеется направление, близкое по содержанию к нейромагнетизму (см. ниже), заключающееся в детальном изучении временных интервалов между пиками, отражающими работу сердечной мышцы. На этих "спокойных" участках при большем усилении можно различить слабые сигналы ("МКГ высокого разрешения"), сопровождающие распространение электроимпульсов по нервным путям, управляющим работой сердечной мышцы.

Рис. 2. Сравнение МКГ и ЭКГ плода в теле беременной женщины. На МКГ хорошо различим сердечный ритм плода (F), в то время как на ЭКГ превалируют сигналы сердца матери (М).

Сигнал, сравнимый по силе с магнитокардиографи-ческим, дают скелетные мышцы человека.

Если в организме имеются ферромагн. частицы, то они создают постоянные магн. поля, к-рые могут быть сильнее даже магн. полей сердца. Вполне заметное (для сквид-магнитометра) магн. поле порождается, напр., частицами железа в лёгких сварщика или крупинками жести, попавшими в желудок вместе с консервированными продуктами.

Обнаружено, что нек-рые организмы сами по себе содержат кристаллы магнетита (Fe₃O₄) с размерами ок. 0,1 мкм - это пчёлы, голуби, ряд бактерий, есть сообщения о наличии таких частиц у дельфинов. Кристаллы Fe₃O₄ имеют удлинённую форму и расположены вблизи чувствит. нервных окончаний, реакция к-рых на поворот кристаллов относительно магн. поля Земли может объяснить навигац. способности указанных живых существ.

Если миниатюрный, но сильный пост. магнитик, напр. из SmCo₅ или Nd₂Fe₁₄B, прикрепить к к--л. подвижному органу, то по колебаниям магн. поля вне органа, измеренным с помощью сквид-магнитометра, можно судить о работе органа. Подобные эксперименты уже осуществлены для глаза и для барабанной перепонки.

Магнитоокулограммой (МОГ) называют сигнал (его величина до 20 пТл), возникающий при движении глаз: между разл. слоями сетчатки имеется довольно высокая разность потенциалов (до 10 мВ), порождающая пост. биотоки глаза, к-рые и генерируют МОГ-поле. Сигналы магниторетинограммы (МРГ) существенно слабее (до 0,1 пТл), они определяются изменением разности потенциалов на сетчатке глаза при её возбуждении светом.

Самые слабые биомагн. поля, создаваемые организмом человека, порождаются активностью нервной системы, в т. ч. головного мозга. Изучение этих сигналов, в силу их информативности и важности, выделяют из биомагнетизма в особый раздел - нейромаг-нетизм. Уже первые магнитоэнцефалографические (МЭГ) исследования обнаружили заметное различие магн. п электрич. (электроэнцефалографических, ЭЭГ) данных. МЭГ-методы принципиально отличаются от ЭЭГ-методов тем, что датчики, фиксирующие магн. поля, не требуют крепления к голове, и поэтому их можно перемещать на требуемое расстояние (рис. 3, а). Пространств. распределение и временная зависимость МЭГ-сигналов прямо отражают внутр. биоэлектрич. активность мозга, практически не искажённую влиянием черепа и скальпа (как в случае ЭЭГ-сигналов).

Наиб. сильные сигналы, порождаемые человеческим мозгом, связаны с его спонтанной ритмической активностью и сильно скоррелированы в ЭЭГ- и МЭГ- данных. Для т. н. альфа-ритма, имеющего частоту 10 Гц, амплитуда МЭГ-сигнала составляет 4 пТл (рис. 3, б), а пространств, распределение поля соответствует ориентации биотоков вдоль линии макушка - нос. При эпилепсии наблюдаются более слабые сигналы, но локализованные над т. н. эпилептич. фокусом и имеющие характерный "полосовый" частотный спектр.

Из измеряемых биомагн. сигналов большой интерес представляют т. н. вызванные магнитные поля (ВМП), возникающие в результате активности мозга в ответ на события вне центральной нервной системы. Именно исследования ВМП показали, что магн. данные более информативны, чем ЭЭГ, поскольку позволяют более точно устанавливать местоположение токовых источников сигналов и дифференцировать их по направленности биотоков. Нейромагн. эксперименты с ВМП служат существенным дополнением к электрографич. методам, включающим измерения с вживлёнными внутрь мозга электродами, а для исследования мозга здорового человека методика сквидмагнитометрии особенно перспективна.

Рис. 3. Вид установки для магнитоэнцефалографических исследований (а) и магнитная запись (б) альфа-ритма мозга, сделанная на этой установке.

Литература по магнитным полям биологических объектов

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.