Новости

Благодарим вас за посещение сайта Nature.com. Версия вашего браузера имеет ограниченную поддержку CSS. Для наилучшего взаимодействия с сайтом мы рекомендуем использовать обновленную версию браузера (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В настоящее время, для обеспечения дальнейшей поддержки, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Постоянно растущий спрос на мобильную телефонную связь привел к непрерывному появлению беспроводных технологий (G), которые могут по-разному влиять на биологические системы. Для проверки этого мы подвергли крыс однократному воздействию электромагнитного поля (ЭМП) 4G Long-Term Evolution (LTE) - 1800 МГц в течение 2 часов. Затем мы оценили влияние острого нейровоспаления, вызванного липополисахаридом, на пространственное покрытие микроглии и электрофизиологическую нейронную активность в первичной слуховой коре (ACx). Средняя удельная поглощенная мощность (SAR) в ACx составляет 0,5 Вт/кг. Многоканальные записи показывают, что ЭМП LTE вызывает снижение интенсивности ответа на чистые тоны и естественные вокализации, в то время как повышается акустический порог для низких и средних частот. Иммуногистохимическое исследование Iba1 не выявило изменений в области, покрытой телами и отростками микроглии. У здоровых крыс такое же воздействие LTE не вызывало изменений интенсивности ответа и акустических порогов. Наши данные демонстрируют, что острое нейровоспаление повышает чувствительность нейронов к электромагнитному полю LTE, что приводит к изменению обработки акустических стимулов в ACx.
Электромагнитная среда, в которой живет человечество, за последние три десятилетия претерпела значительные изменения из-за непрерывного развития беспроводной связи. В настоящее время более двух третей населения используют мобильные телефоны. Широкое распространение этой технологии вызвало опасения и дебаты по поводу потенциально опасных последствий импульсных электромагнитных полей (ЭМП) в радиочастотном диапазоне, излучаемых мобильными телефонами или базовыми станциями и кодирующих сообщения. Эта проблема общественного здравоохранения вдохновила на проведение ряда экспериментальных исследований, посвященных изучению влияния поглощения радиочастотного излучения в биологических тканях¹. Некоторые из этих исследований изучали изменения в активности нейронных сетей и когнитивных процессах, учитывая близость мозга к источникам радиочастотного излучения при повсеместном использовании мобильных телефонов. Многие опубликованные исследования посвящены изучению влияния импульсно-модулированных сигналов, используемых во втором поколении (2G) глобальной системы мобильной связи (GSM) или широкополосном множественном доступе с кодовым разделением (WCDMA)/системах мобильной связи третьего поколения (WCDMA/3G UMTS)²,³,⁴,⁵. Мало что известно о влиянии радиочастотных сигналов, используемых в четвертом поколении. Мобильные услуги (4G) основаны на полностью цифровой технологии интернет-протокола, называемой технологией Long Term Evolution (LTE). Запущенная в 2011 году, услуга LTE для мобильных телефонов, как ожидается, достигнет 6,6 миллиарда абонентов LTE по всему миру в январе 2022 года (GSMA: //gsacom.com). По сравнению с системами GSM (2G) и WCDMA (3G), основанными на схемах модуляции с одной несущей, LTE использует ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM) в качестве основного формата сигнала6. Во всем мире мобильные услуги LTE используют ряд различных частотных диапазонов от 450 до 3700 МГц, включая диапазоны 900 и 1800 МГц, также используемые в GSM.
Способность радиочастотного излучения влиять на биологические процессы в значительной степени определяется удельной скоростью поглощения (SAR), выраженной в Вт/кг, которая измеряет энергию, поглощенную биологической тканью. Недавно были исследованы эффекты острого 30-минутного воздействия на голову сигналов LTE 2,573 ГГц на глобальную активность нейронной сети у здоровых добровольцев. С помощью функциональной МРТ в состоянии покоя было обнаружено, что воздействие LTE может вызывать спонтанные медленные частотные флуктуации и изменения внутри- или межрегиональной связности, в то время как пространственные пиковые уровни SAR, усредненные по 10 г ткани, оценивались в диапазоне от 0,42 до 1,52 Вт/кг, согласно разделам 7, 8, 9. Анализ ЭЭГ в аналогичных условиях воздействия (30 мин, оценочный пиковый уровень SAR 1,34 Вт/кг с использованием репрезентативной модели человеческой головы) продемонстрировал снижение спектральной мощности и полушарной когерентности в альфа- и бета-диапазонах. Однако два других исследования, основанные на анализе ЭЭГ, показали, что 20 или 30 минут воздействия LTE на голову приводят к максимальным локальным уровням SAR. При уровне около 2 Вт/кг либо не наблюдалось заметного эффекта11, либо приводило к снижению спектральной мощности в альфа-диапазоне, в то время как когнитивные функции не изменялись, что оценивалось с помощью теста Струпа12. Значительные различия были также обнаружены в результатах ЭЭГ или когнитивных исследований, специально посвященных влиянию воздействия ЭМП GSM или UMTS. Считается, что они возникают из-за различий в методологии и экспериментальных параметрах, включая тип и модуляцию сигнала, интенсивность и продолжительность воздействия, или из-за неоднородности испытуемых по возрасту, анатомическим особенностям или полу.
До настоящего времени было проведено лишь несколько исследований на животных для определения того, как воздействие сигналов LTE влияет на функцию мозга. Недавно было сообщено, что системное воздействие на развивающихся мышей, начиная с поздней эмбриональной стадии и до отъема от матери (30 мин/день, 5 дней/неделю, со средней удельной поглощенной мощностью (SAR) 0,5 или 1 Вт/кг), привело к изменению двигательного поведения и аппетита во взрослом возрасте 14. Было обнаружено, что повторное системное воздействие (2 га в день в течение 6 недель) на взрослых крыс вызывает окислительный стресс и снижает амплитуду вызванных зрительных потенциалов, полученных от зрительного нерва, при этом максимальная удельная поглощенная мощность (SAR) оценивается всего в 10 мВт/кг15.
Помимо анализа на разных уровнях, включая клеточный и молекулярный, модели на грызунах могут быть использованы для изучения воздействия радиочастотного излучения во время заболеваний, как это было ранее в контексте острого нейровоспаления, когда основное внимание уделялось электромагнитным полям GSM или WCDMA/3G UMTS. Исследования показали влияние на судороги, нейродегенеративные заболевания или глиомы 16,17,18,19,20.
Введение липополисахарида (ЛПС) грызунам является классической доклинической моделью острых нейровоспалительных реакций, связанных с доброкачественными инфекционными заболеваниями, вызываемыми вирусами или бактериями, которые ежегодно поражают большинство населения. Это воспалительное состояние приводит к обратимому заболеванию и депрессивному поведенческому синдрому, характеризующемуся лихорадкой, потерей аппетита и снижением социальной активности. Резидентные фагоциты ЦНС, такие как микроглия, являются ключевыми эффекторными клетками этой нейровоспалительной реакции. Обработка грызунов ЛПС вызывает активацию микроглии, характеризующуюся изменением ее формы и клеточных отростков, а также глубокими изменениями в профиле транскриптома, включая повышение экспрессии генов, кодирующих провоспалительные цитокины или ферменты, которые влияют на нейронные сети (Activity 22, 23, 24).
Изучая эффекты однократного 2-часового воздействия ЭМП GSM-1800 МГц на голову крыс, обработанных ЛПС, мы обнаружили, что сигнализация GSM запускает клеточные реакции в коре головного мозга, влияя на экспрессию генов, фосфорилирование рецепторов глутамата, вызванную мета-активность нейронов и морфологию микроглии в коре головного мозга. Эти эффекты не были обнаружены у здоровых крыс, подвергшихся такому же воздействию GSM, что предполагает, что вызванное ЛПС нейровоспалительное состояние повышает чувствительность клеток ЦНС к сигнализации GSM. Сосредоточившись на слуховой коре (СК) крыс, обработанных ЛПС, где локальная удельная поглощенная мощность (SAR) в среднем составляла 1,55 Вт/кг, мы наблюдали, что воздействие GSM приводило к увеличению длины или ветвления отростков микроглии и снижению нейронных ответов, вызванных чистыми тонами и естественной стимуляцией 28.
В данном исследовании мы стремились изучить, может ли воздействие сигналов LTE-1800 МГц только на голову также изменять морфологию микроглии и нейронную активность в ACx, снижая мощность воздействия на две трети. Мы показали, что сигнализация LTE не оказывала влияния на отростки микроглии, но при этом вызывала значительное снижение вызванной звуком кортикальной активности в ACx у крыс, получавших ЛПС, при значении SAR 0,5 Вт/кг.
Учитывая ранее полученные данные о том, что воздействие GSM-1800 МГц изменяет морфологию микроглии в условиях провоспалительного процесса, мы исследовали этот эффект после воздействия сигнала LTE.
Взрослым крысам вводили ЛПС за 24 часа до контрольного воздействия только на голову или воздействия ЛТЕ-1800 МГц. После воздействия в коре головного мозга возникали нейровоспалительные реакции, вызванные ЛПС, что проявлялось в повышении экспрессии провоспалительных генов и изменениях морфологии кортикальной микроглии (рис. 1). Мощность воздействия ЛТЕ на голову устанавливалась таким образом, чтобы получить средний уровень SAR 0,5 Вт/кг в ACx (рис. 2). Чтобы определить, реагируют ли активированные ЛПС микроглии на ЭМП ЛТЕ, мы анализировали срезы коры головного мозга, окрашенные антителами к Iba1, которые избирательно метили эти клетки. Как показано на рисунке 3a, в срезах ACx, зафиксированных через 3-4 часа после контрольного воздействия или воздействия ЛТЕ, микроглия выглядела удивительно похожей, демонстрируя «плотную» клеточную морфологию, вызванную провоспалительным воздействием ЛПС (рис. 1). В соответствии с отсутствием морфологических реакций, количественный анализ изображений не выявил существенных различий в общей площади. (непарный t-тест, p = 0,308) или площадь (p = 0,196) и плотность (p = 0,061) иммунореактивности Iba1 при сравнении воздействия на окрашенные Iba1 клеточные тела у крыс LTE и животных, подвергнутых фиктивному воздействию (рис. 3b-d).
Влияние внутрибрюшинной инъекции ЛПС на морфологию кортикальной микроглии. Репрезентативное изображение микроглии на корональном срезе коры головного мозга (дорсомедиальная область) через 24 часа после внутрибрюшинной инъекции ЛПС или контрольного раствора. Клетки были окрашены антителом к ​​Iba1, как описано ранее. Провоспалительная обработка ЛПС привела к изменениям морфологии микроглии, включая проксимальное утолщение и увеличение количества коротких вторичных ветвей клеточных отростков, что привело к «плотному» виду. Масштабная линейка: 20 мкм.
Дозиметрический анализ удельной скорости поглощения (SAR) в головном мозге крысы при воздействии LTE 1800 МГц. Для оценки локальной SAR в головном мозге использовалась ранее описанная гетерогенная модель фантомной крысы и петлевой антенны62 с кубической сеткой 0,5 мм³. (a) Общий вид модели крысы в ​​условиях воздействия с петлевой антенной над головой и металлической термопрокладкой (желтая) под телом. (b) Распределение значений SAR в головном мозге взрослой особи с пространственным разрешением 0,5 мм³. Область, ограниченная черным контуром на сагиттальном сечении, соответствует первичной слуховой коре, где анализируется активность микроглии и нейронов. Цветовая шкала значений SAR применяется ко всем численным моделям, показанным на рисунке.
(a) Репрезентативное изображение микроглии, окрашенной антителами к Iba1, в корональных срезах перфузированной ЛПС слуховой коры крысы через 3-4 часа после воздействия LTE или контрольного воздействия (воздействие). Масштабная линейка: 20 мкм. (bd) Морфометрическая оценка микроглии через 3-4 часа после контрольного воздействия (пустые точки) или воздействия LTE (воздействие, черные точки). (b, c) Пространственное покрытие (b) маркера микроглии Iba1 и областей Iba1-положительных клеточных тел (c). Данные представляют собой площадь окрашивания антителами к Iba1, нормированную по среднему значению для животных контрольной группы. (d) Количество окрашенных антителами к Iba1 клеточных тел микроглии. Различия между контрольной группой (n = 5) и группой LTE (n = 6) были незначительными (p > 0,05, непарный тест). (t-критерий). Верхняя и нижняя границы прямоугольника, верхняя и нижняя линии представляют собой 25-й-75-й и 5-й-95-й процентили соответственно. Среднее значение отмечено красным цветом в прямоугольнике.
В таблице 1 приведены данные о количестве животных и результатах многоканальных записей, полученных в первичной слуховой коре четырех групп крыс (контрольная группа, группа, подвергшаяся воздействию, контрольная группа с ЛПС, группа, подвергшаяся воздействию ЛПС). В приведенных ниже результатах мы включили все записи, демонстрирующие значимое спектральное временное рецептивное поле (STRF), т.е. вызванные тоном ответы, как минимум на 6 стандартных отклонений выше, чем спонтанная частота разрядов (см. таблицу 1). Применяя этот критерий, мы отобрали 266 записей для контрольной группы, 273 записи для группы, подвергшейся воздействию, 299 записей для контрольной группы с ЛПС и 295 записей для группы, подвергшейся воздействию ЛПС.
В следующих параграфах мы сначала опишем параметры, извлеченные из спектрально-временного рецептивного поля (то есть, ответ на чистые тоны) и ответ на специфические ксеногенные вокализации. Затем мы опишем количественную оценку площади частотной характеристики, полученной для каждой группы. Учитывая наличие «вложенных данных»30 в нашей экспериментальной схеме, все статистические анализы проводились на основе количества позиций в электродном массиве (последняя строка в таблице 1), но все эффекты, описанные ниже, также основывались на количестве позиций в каждой группе. Общее количество собранных многоканальных записей (третья строка в таблице 1).
На рисунке 4a показано оптимальное распределение частот (BF, вызывающее максимальный ответ при 75 дБ SPL) корковых нейронов, полученное у животных контрольной группы, подвергнутых воздействию ЛПС, и у животных, подвергнутых воздействию ЛПС. Диапазон частот BF в обеих группах был расширен от 1 кГц до 36 кГц. Статистический анализ показал, что эти распределения были схожи (хи-квадрат, p = 0,278), что позволяет проводить сравнения между двумя группами без систематической ошибки выборки.
Влияние воздействия LTE на количественные параметры кортикальных ответов у животных, обработанных LPS. (a) Распределение BF в кортикальных нейронах животных, обработанных LPS и подвергнутых воздействию LTE (черный), и животных, подвергнутых фиктивному воздействию LTE (белый). Различий между двумя распределениями нет. (bf) Влияние воздействия LTE на параметры, количественно определяющие спектральное временное рецептивное поле (STRF). Сила ответа была значительно снижена (*p < 0,05, непарный t-тест) как по STRF (общая сила ответа), так и по оптимальным частотам (b,c). Длительность ответа, ширина полосы ответа и постоянная ширины полосы (df). Как сила, так и временная надежность ответов на вокализации были снижены (g, h). Спонтанная активность не была значительно снижена (i). (*p < 0,05, непарный t-тест). (j,k) Влияние воздействия LTE на кортикальные пороги. Средние пороги были значительно выше у крыс, подвергнутых воздействию LTE, по сравнению с к крысам, подвергнутым фиктивному воздействию. Этот эффект более выражен на низких и средних частотах.
На рисунках 4b-f показано распределение параметров, полученных из STRF для этих животных (средние значения обозначены красными линиями). Влияние воздействия LTE на животных, обработанных LPS, по-видимому, указывает на снижение нейронной возбудимости. Во-первых, общая интенсивность ответа и сами ответы были значительно ниже у животных BF по сравнению с животными Sham-LPS (рис. 4b,c, непарный t-тест, p = 0,0017; и p = 0,0445). Аналогично, ответы на коммуникационные звуки снизились как по силе ответа, так и по межэкспериментальной надежности (рис. 4g,h; непарный t-тест, p = 0,043). Спонтанная активность была снижена, но этот эффект не был значимым (рис. 4i; p = 0,0745). Длительность ответа, полоса пропускания настройки и латентность ответа не изменялись под воздействием LTE у животных, обработанных LPS (рис. 4d–f), что указывает на то, что частотная избирательность и точность начальных ответов не изменялись под воздействием LTE у животных, обработанных LPS. животные, обработанные ЛПС.
Далее мы оценили, изменяются ли пороги слуха в коре головного мозга при воздействии LTE. На основе площади частотной характеристики (FRA), полученной из каждой записи, мы определили слуховые пороги для каждой частоты и усреднили эти пороги для обеих групп животных. На рисунке 4j показаны средние (± стандартная ошибка среднего) пороги в диапазоне от 1,1 до 36 кГц у крыс, обработанных LPS. Сравнение слуховых порогов контрольной и экспериментальной групп показало существенное увеличение порогов у экспериментальных животных по сравнению с контрольными животными (рис. 4j), причем этот эффект был более выражен на низких и средних частотах. Точнее, на низких частотах (< 2,25 кГц) доля нейронов A1 с высоким порогом увеличилась, в то время как доля нейронов с низким и средним порогом уменьшилась (хи-квадрат = 43,85; p < 0,0001; рис. 4k, левый рисунок). Аналогичный эффект наблюдался на средних частотах (2,25 < Freq(kHz) < 11): более высокая доля кортикальных записей с промежуточными порогами и меньшая доля нейронов с низкими порогами по сравнению с группой, не подвергавшейся воздействию (хи-квадрат = 71,17; p < 0,001; рисунок 4k, средняя панель). Также наблюдалась значительная разница в порогах для высокочастотных нейронов (≥ 11 кГц, p = 0,0059); доля нейронов с низким порогом уменьшилась, а доля нейронов со средним и высоким порогом увеличилась (хи-квадрат = 10,853; p = 0,04; рисунок 4k, правая панель).
На рисунке 5a показано оптимальное распределение частот (BF, вызывающее максимальный ответ при 75 дБ SPL) корковых нейронов, полученное у здоровых животных в группах «ложной операции» и «экспериментальной группы». Статистический анализ показал, что оба распределения были схожи (хи-квадрат, p = 0,157), что позволяет проводить сравнения между двумя группами без систематической ошибки выборки.
Влияние воздействия LTE на количественные параметры кортикальных ответов у здоровых животных. (a) Распределение BF в кортикальных нейронах здоровых животных, подвергшихся воздействию LTE (темно-синий) и контрольных животных, подвергшихся воздействию LTE (светло-синий). Различий между двумя распределениями нет. (bf) Влияние воздействия LTE на параметры, количественно определяющие спектральное временное рецептивное поле (STRF). Не наблюдалось значительных изменений интенсивности ответа в пределах STRF и оптимальных частот (b,c). Наблюдается небольшое увеличение длительности ответа (d), но не наблюдается изменений полосы пропускания ответа и полосы пропускания (e, f). Ни сила, ни временная надежность ответов на вокализации не изменились (g, h). Не наблюдалось значительных изменений спонтанной активности (i). (*p < 0,05, непарный t-критерий). (j,k) Влияние воздействия LTE на кортикальные пороги. В среднем пороги у крыс, подвергшихся воздействию LTE, не претерпели значительных изменений по сравнению с контрольными крысами, но наблюдались более высокие частотные пороги. У подвергшихся воздействию животных эти показатели были несколько ниже.
На рисунках 5b-f показаны диаграммы размаха, представляющие распределение и среднее значение (красная линия) параметров, полученных из двух наборов STRF. У здоровых животных само воздействие LTE оказало незначительное влияние на среднее значение параметров STRF. По сравнению с контрольной группой (светло-синие прямоугольники против темно-синих прямоугольников для группы, подвергшейся воздействию), воздействие LTE не изменило ни общую интенсивность ответа, ни ответ BF (рис. 5b,c; непарный t-тест, p = 0,2176 и p = 0,8696 соответственно). Также не было влияния на спектральную ширину полосы и задержку (p = 0,6764 и p = 0,7129 соответственно), но наблюдалось значительное увеличение длительности ответа (p = 0,047). Также не было влияния на силу вокальных ответов (рис. 5g, p = 0,4375), межэкспериментальную надежность этих ответов (рис. 5h, p = 0,3412) и спонтанную активность (рис. 5).5i; p = 0,3256).
На рисунке 5j показаны средние (± стандартная ошибка среднего) пороговые значения в диапазоне от 1,1 до 36 кГц у здоровых крыс. Значимой разницы между контрольной группой и группой, подвергшейся воздействию, не выявлено, за исключением несколько более низкого порога у животных, подвергшихся воздействию, на высоких частотах (11–36 кГц) (непарный t-тест, p = 0,0083). Этот эффект отражает тот факт, что у животных, подвергшихся воздействию, в этом частотном диапазоне (хи-квадрат = 18,312, p = 0,001; рис. 5k) было несколько больше нейронов с низкими и средними порогами (в то время как при высоких порогах нейронов было меньше).
В заключение, при воздействии LTE на здоровых животных не наблюдалось влияния на силу ответа на чистые тоны и сложные звуки, такие как вокализации. Кроме того, у здоровых животных кортикальные пороги слуха были схожими у животных, подвергшихся воздействию LTE, и у животных контрольной группы, тогда как у животных, получавших LPS, воздействие LTE привело к существенному увеличению кортикальных порогов, особенно в низкочастотном и среднечастотном диапазоне.
Наше исследование показало, что у взрослых самцов крыс, испытывающих острое нейровоспаление, воздействие LTE-1800 МГц с локальной SARACx 0,5 Вт/кг (см. Методы) привело к значительному снижению интенсивности вызванных звуком ответов в первичных записях коммуникации. Эти изменения нейронной активности происходили без каких-либо видимых изменений в объеме пространственной области, охватываемой отростками микроглии. Этот эффект LTE на интенсивность кортикальных вызванных ответов не наблюдался у здоровых крыс. Учитывая сходство оптимального распределения частот между регистрирующими единицами у животных, подвергшихся воздействию LTE, и животных контрольной группы, различия в нейронной реактивности можно объяснить биологическими эффектами сигналов LTE, а не смещением выборки (рис. 4а). Кроме того, отсутствие изменений в латентности ответа и полосе пропускания спектральной настройки у крыс, подвергшихся воздействию LTE, предполагает, что, скорее всего, эти записи были получены из одних и тех же кортикальных слоев, которые расположены в первичной ACx, а не во вторичных областях.
Насколько нам известно, влияние LTE-сигнализации на нейронные реакции ранее не описывалось. Однако предыдущие исследования показали способность GSM-1800 МГц или непрерывного излучения (CW) изменять нейронную возбудимость, хотя и со значительными различиями в зависимости от экспериментального подхода. Вскоре после воздействия непрерывного излучения 1800 МГц при уровне SAR 8,2 Вт/кг, записи из ганглиев улитки показали снижение порогов для запуска потенциалов действия и нейронной модуляции. С другой стороны, импульсная и вспышечная активность в первичных нейронных культурах, полученных из мозга крысы, снижалась при воздействии GSM-1800 МГц или непрерывного излучения 1800 МГц в течение 15 минут при SAR 4,6 Вт/кг. Это ингибирование было лишь частично обратимым в течение 30 минут воздействия. Полное подавление активности нейронов было достигнуто при SAR 9,2 Вт/кг. Анализ зависимости доза-эффект показал, что GSM-1800 МГц был более Более эффективен, чем непрерывный сигнал 1800 МГц, в подавлении импульсной активности, что позволяет предположить, что нейронные реакции зависят от модуляции радиочастотного сигнала.
В наших условиях кортикальные вызванные ответы регистрировались in vivo через 3–6 часов после окончания 2-часового воздействия только на голову. В предыдущем исследовании мы изучали эффект GSM-1800 МГц при SARACx 1,55 Вт/кг и не обнаружили значимого влияния на вызванные звуком кортикальные ответы у здоровых крыс. Здесь единственным значимым эффектом, вызванным у здоровых крыс воздействием LTE-1800 при SARACx 0,5 Вт/кг, было небольшое увеличение длительности ответа при предъявлении чистых тонов. Этот эффект трудно объяснить, поскольку он не сопровождается увеличением интенсивности ответа, что предполагает, что эта более длительная длительность ответа происходит при том же общем количестве потенциалов действия, генерируемых кортикальными нейронами. Одно из объяснений может заключаться в том, что воздействие LTE может снижать активность некоторых тормозных интернейронов, поскольку было задокументировано, что в первичной ACx прямое торможение контролирует длительность ответов пирамидальных клеток, запускаемых возбуждающим таламусным входом33,34. 35, 36, 37.
Напротив, у крыс, подвергнутых нейровоспалению, вызванному ЛПС, воздействие ЛТЕ не влияло на длительность вызванной звуком нейронной активности, но были обнаружены значительные эффекты на силу вызванных ответов. Фактически, по сравнению с нейронными ответами, зарегистрированными у крыс, подвергнутых фиктивному воздействию ЛПС, нейроны у крыс, получавших ЛПС и подвергнутых воздействию ЛТЕ, демонстрировали снижение интенсивности своих ответов, эффект, наблюдаемый как при предъявлении чистых тонов, так и естественных вокализаций. Снижение интенсивности ответа на чистые тоны происходило без сужения полосы частотной настройки в 75 дБ, и, поскольку оно происходило при всех интенсивностях звука, это привело к повышению акустических порогов корковых нейронов на низких и средних частотах.
Снижение силы вызванного ответа показало, что эффект сигнализации LTE при SARACx 0,5 Вт/кг у животных, обработанных ЛПС, был аналогичен эффекту GSM-1800 МГц, применяемого при в три раза более высоком SARACx (1,55 Вт/кг) 28. Что касается сигнализации GSM, воздействие на голову LTE-1800 МГц может снизить нейронную возбудимость в нейронах ACx крыс, подвергнутых нейровоспалению, вызванному ЛПС. В соответствии с этой гипотезой мы также наблюдали тенденцию к снижению надежности проб нейронных ответов на вокализацию (рис. 4h) и снижению спонтанной активности (рис. 4i). Однако было сложно определить in vivo, снижает ли сигнализация LTE внутреннюю нейронную возбудимость или снижает синаптический вход, тем самым контролируя нейронные ответы в ACx.
Во-первых, эти более слабые реакции могут быть обусловлены изначально сниженной возбудимостью кортикальных клеток после воздействия LTE 1800 МГц. В подтверждение этой идеи, GSM-1800 МГц и 1800 МГц-CW снижали импульсную активность при непосредственном воздействии на первичные культуры кортикальных нейронов крыс с уровнями SAR 3,2 Вт/кг и 4,6 Вт/кг соответственно, но для значительного снижения импульсной активности требовался пороговый уровень SAR. В подтверждение сниженной внутренней возбудимости мы также наблюдали более низкие показатели спонтанной активности у облученных животных по сравнению с животными, подвергнутыми фиктивному воздействию.
Во-вторых, воздействие LTE может также влиять на синаптическую передачу от таламо-кортикальных или кортикально-кортикальных синапсов. Многочисленные исследования показывают, что в слуховой коре ширина спектральной настройки определяется не только афферентными таламусными проекциями, но и тем, что внутрикортикальные связи обеспечивают дополнительный спектральный вход в кортикальные участки39,40. В наших экспериментах тот факт, что кортикальные STRF демонстрировали схожую ширину полосы пропускания у животных, подвергшихся и не подвергшихся воздействию, косвенно указывал на то, что эффекты воздействия LTE не были связаны с кортикально-кортикальной связью. Это также предполагает, что более высокая связь в других кортикальных областях, подвергшихся воздействию SAR, чем измеренная в ACx (рис. 2), может не быть причиной измененных ответов, описанных здесь.
В данном случае большая доля кортикальных записей, полученных после воздействия ЛПС, демонстрировала высокие пороговые значения по сравнению с животными, подвергнутыми фиктивному воздействию ЛПС. Учитывая, что было высказано предположение о том, что кортикальный акустический порог в основном контролируется силой таламо-кортикального синапса39,40, можно предположить, что таламо-кортикальная передача частично снижается при воздействии ЛПС, либо на пресинаптическом (снижение высвобождения глутамата), либо на постсинаптическом уровне (снижение количества или сродства рецепторов).
Подобно эффектам GSM-1800 МГц, изменения нейронных реакций, вызванные LTE, происходили в контексте нейровоспаления, спровоцированного ЛПС, характеризующегося реакциями микроглии. Современные данные свидетельствуют о том, что микроглия оказывает сильное влияние на активность нейронных сетей в нормальном и патологическом мозге41,42,43. Их способность модулировать нейротрансмиссию зависит не только от выработки производимых ими соединений, которые могут ограничивать или, наоборот, усиливать нейротрансмиссию, но и от высокой подвижности их клеточных отростков. В коре головного мозга как повышенная, так и пониженная активность нейронных сетей вызывают быстрое расширение пространственной области микроглии за счет роста микроглиальных отростков44,45. В частности, микроглиальные выступы активируются вблизи активированных таламокортикальных синапсов и могут ингибировать активность возбуждающих синапсов посредством механизмов, включающих опосредованную микроглией локальную выработку аденозина.
У крыс, подвергнутых воздействию ЛПС и облучению GSM-1800 МГц с SARACx при мощности 1,55 Вт/кг, наблюдалось снижение активности нейронов ACx с ростом микроглиальных отростков, отмеченным значительным увеличением площади, окрашенной Iba1, в ACx28. Это наблюдение предполагает, что ремоделирование микроглии, вызванное воздействием GSM, может активно способствовать снижению вызванных звуком нейронных ответов, индуцированных GSM. Наше текущее исследование опровергает эту гипотезу в контексте облучения головы LTE с SARACx, ограниченным мощностью 0,5 Вт/кг, поскольку мы не обнаружили увеличения пространственной области, охватываемой микроглиальными отростками. Однако это не исключает какого-либо влияния сигнализации LTE на активированную ЛПС микроглию, что, в свою очередь, может влиять на нейронную активность. Необходимы дальнейшие исследования для ответа на этот вопрос и определения механизмов, посредством которых острое нейровоспаление изменяет нейронные ответы на сигнализацию LTE.
Насколько нам известно, влияние сигналов LTE на обработку слуховой информации ранее не изучалось. Наши предыдущие исследования 26,28 и настоящее исследование показали, что в условиях острого воспаления воздействие только на голову сигнала GSM-1800 МГц или LTE-1800 МГц приводило к функциональным изменениям нейронных ответов в ACx, что подтверждается повышением порога слуха. По крайней мере, по двум основным причинам функция улитки не должна быть затронута нашим воздействием LTE. Во-первых, как показано в дозиметрическом исследовании на рисунке 2, самые высокие уровни SAR (близкие к 1 Вт/кг) расположены в дорсомедиальной коре (ниже антенны) и существенно снижаются по мере перемещения в латеральном направлении. Вентральная часть головы может быть оценена примерно в 0,1 Вт/кг на уровне ушной раковины крысы (ниже слухового канала). Во-вторых, когда уши морских свинок подвергались воздействию GSM 900 МГц в течение 2 месяцев (5 дней в неделю, 1 час/день, SAR от 1 до 4 Вт/кг), не было обнаружено заметных изменений в величине искажения продукта отоакустических порогов излучения и слуховых вызванных потенциалов ствола мозга 47. Кроме того, повторное воздействие на голову излучения GSM 900 или 1800 МГц при локальном SAR 2 Вт/кг не влияло на функцию наружных волосковых клеток улитки у здоровых крыс48,49. Эти результаты подтверждают данные, полученные на людях, где исследования показали, что 10-30-минутное воздействие ЭМП от сотовых телефонов GSM не оказывает последовательного влияния на обработку слуховой информации, оцениваемую на уровне улитки50,51,52 или ствола мозга53,54.
В нашем исследовании изменения нейронной активности, вызванные LTE, наблюдались in vivo через 3–6 часов после окончания облучения. В предыдущем исследовании дорсомедиальной части коры головного мозга некоторые эффекты, вызванные GSM-1800 МГц и наблюдаемые через 24 часа после облучения, перестали обнаруживаться через 72 часа после облучения. Это относится к расширению микроглиальных отростков, снижению экспрессии гена IL-1ß и посттрансляционной модификации AMPA-рецепторов. Учитывая, что слуховая кора имеет более низкое значение SAR (0,5 Вт/кг), чем дорсомедиальная область (2,94 Вт/кг26), изменения нейронной активности, описанные здесь, по-видимому, носят транзиторный характер.
Наши данные должны учитывать установленные предельные значения SAR и оценки фактических значений SAR, достигаемых в коре головного мозга пользователей мобильных телефонов. Действующие стандарты, используемые для защиты населения, устанавливают предельный уровень SAR в 2 Вт/кг для локального воздействия радиочастот в диапазоне 100 кГц и 6 ГГц на голову или туловище.
Были проведены симуляции доз с использованием различных моделей человеческой головы для определения поглощения радиочастотной мощности в различных тканях головы во время обычной связи через голову или мобильный телефон. Помимо разнообразия моделей человеческой головы, эти симуляции выявляют значительные различия или неопределенности в оценке энергии, поглощаемой мозгом, на основе анатомических или гистологических параметров, таких как внешняя или внутренняя форма черепа, его толщина или содержание воды. Различные ткани головы сильно различаются в зависимости от возраста, пола или индивидуальных особенностей 56,57,58. Кроме того, характеристики сотового телефона, такие как внутреннее расположение антенны и положение телефона относительно головы пользователя, сильно влияют на уровень и распределение значений SAR в коре головного мозга59,60. Однако, учитывая сообщенные распределения SAR в коре головного мозга человека, которые были установлены на основе моделей сотовых телефонов, излучающих радиочастоты в диапазоне 1800 МГц58, 59, 60, кажется, что уровни SAR, достигаемые в слуховой коре головного мозга человека, все еще не соответствуют половине уровней, применяемых в человеческой слуховой коре. кора головного мозга. Наше исследование (SARACx 0,5 Вт/кг). Следовательно, наши данные не ставят под сомнение существующие пределы значений SAR, применимые к населению.
В заключение, наше исследование показывает, что однократное воздействие LTE-1800 МГц только на голову нарушает нейронные реакции корковых нейронов на сенсорные стимулы. В соответствии с предыдущими исследованиями влияния GSM-сигнализации, наши результаты предполагают, что влияние LTE-сигнализации на нейронную активность варьируется в зависимости от состояния здоровья. Острое нейровоспаление повышает чувствительность нейронов к LTE-1800 МГц, что приводит к изменению корковой обработки слуховых стимулов.
Данные были собраны в возрасте 55 дней из коры головного мозга 31 взрослого самца крыс породы Вистар, полученных в лаборатории Жанвье. Крысы содержались в помещении с контролируемой влажностью (50-55%) и температурой (22-24 °C) при 12-часовом световом/темновом цикле (свет включался в 7:30 утра) со свободным доступом к пище и воде. Все эксперименты проводились в соответствии с руководящими принципами, установленными Директивой Совета Европейских Сообществ (Директива Совета 2010/63/ЕС), которые аналогичны тем, что описаны в Руководстве Общества нейронаук по использованию животных в нейробиологических исследованиях. Данный протокол был одобрен Комитетом по этике Париж-Юг и Центр (CEEA № 59, проект 2014-25, национальный протокол 03729.02) с использованием процедур, утвержденных этим комитетом 32-2011 и 34-2012.
Животных приучали к условиям содержания в колонии в течение как минимум одной недели до обработки ЛПС и воздействия (или фиктивного воздействия) ЭМП ЛТЕ.
Двадцать две крысы были интраперитонеально (ip) инъецированы ЛПС E. coli (250 мкг/кг, серотип 0127:B8, SIGMA), разведенным стерильным изотоническим физиологическим раствором, не содержащим эндотоксинов, за 24 часа до воздействия LTE или контрольной группы (n в каждой группе). = 11). У 2-месячных самцов крыс Вистар эта обработка ЛПС вызывает нейровоспалительную реакцию, которая в коре головного мозга характеризуется повышением экспрессии нескольких провоспалительных генов (фактор некроза опухоли-альфа, интерлейкин 1ß, CCL2, NOX2, NOS2) через 24 часа после инъекции ЛПС, включая 4- и 12-кратное увеличение уровней транскриптов, кодирующих фермент NOX2 и интерлейкин 1ß, соответственно. Через 24 часа кортикальная микроглия демонстрировала типичную «плотную» клеточную морфологию, ожидаемую при вызванной ЛПС провоспалительной активации клеток (Рисунок 1), что контрастирует с вызванной ЛПС активацией, описанной другими исследователями. Клеточная провоспалительная активация соответствует 24, 61.
Воздействие ЭМП LTE только на голову проводилось с использованием экспериментальной установки, ранее применявшейся для оценки эффекта ЭМП GSM26. Воздействие LTE проводилось через 24 часа после инъекции ЛПС (11 животных) или без обработки ЛПС (5 животных). Перед воздействием животные были слегка анестезированы кетамином/ксилазином (кетамин 80 мг/кг, внутрибрюшинно; ксилазин 10 мг/кг, внутрибрюшинно), чтобы предотвратить движение и убедиться, что голова животного находится в петлевой антенне, излучающей сигнал LTE (воспроизводимое местоположение ниже). Половина крыс из одной клетки служила контрольной группой (11 животных, подвергнутых фиктивному воздействию, из 22 крыс, предварительно обработанных ЛПС): их помещали под петлевую антенну, а энергия сигнала LTE устанавливалась на ноль. Вес животных, подвергнутых и подвергнутых фиктивному воздействию, был одинаковым (p = 0,558, непарный t-критерий, ns). Все анестезированные животные были помещены на грелку без металла. В течение всего эксперимента поддерживалась температура тела животных на уровне около 37°C. Как и в предыдущих экспериментах, время воздействия было установлено на 2 часа. После воздействия животное помещали на другую грелку в операционной. Та же процедура воздействия была применена к 10 здоровым крысам (не получавшим ЛПС), половина из которых подвергалась фиктивному воздействию из той же клетки (p = 0,694).
Система облучения была аналогична системам 25, 62, описанным в предыдущих исследованиях, с заменой генератора радиочастот на генератор электромагнитных полей LTE вместо GSM. Вкратце, генератор радиочастот (SMBV100A, 3,2 ГГц, Rohde & Schwarz, Германия), излучающий электромагнитное поле LTE - 1800 МГц, был подключен к усилителю мощности (ZHL-4W-422+, Mini-Circuits, США), циркулятору (D3 1719-N, Sodhy, Франция), двухстороннему ответвителю (CD D 1824-2, −30 дБ, Sodhy, Франция) и четырехстороннему разветвителю мощности (DC D 0922-4N, Sodhy, Франция), что позволяло одновременно облучению четырех животных. Измеритель мощности (N1921A, Agilent, США), подключенный к двунаправленному ответвителю, позволял непрерывно измерять и контролировать падающую и отраженную мощность внутри устройства. Каждый выход был подключен к петлевой антенне. (Sama-Sistemi srl; Рим), обеспечивающая частичное обнажение головы животного. Петлевая антенна состоит из печатной платы с двумя металлическими линиями (диэлектрическая постоянная εr = 4,6), выгравированными на изолирующей эпоксидной подложке. На одном конце устройство представляет собой проволоку шириной 1 мм, образующую кольцо, расположенное близко к голове животного. Как и в предыдущих исследованиях26,62, удельная скорость поглощения (SAR) определялась численно с использованием численной модели крысы и метода конечных разностей во временной области (FDTD)63,64,65. Они также определялись экспериментально в однородной модели крысы с использованием зондов Luxtron для измерения повышения температуры. В этом случае SAR в Вт/кг рассчитывается по формуле: SAR = C ΔT/Δt, где C — теплоемкость в Дж/(кг·К), ΔT — в °К, а Δt — изменение температуры, время — в секундах. Численно определенные значения SAR сравнивались с экспериментальными значениями SAR. Получено с использованием однородной модели, особенно в эквивалентных областях мозга крысы. Разница между численными измерениями SAR и экспериментально обнаруженными значениями SAR составляет менее 30%.
На рисунке 2a показано распределение SAR в мозге крысы в ​​экспериментальной модели, которое соответствует распределению по массе тела и размеру крыс, использованных в нашем исследовании. Среднее значение SAR в мозге составило 0,37 ± 0,23 Вт/кг (среднее ± стандартное отклонение). Значения SAR наиболее высоки в кортикальной области непосредственно под петлевой антенной. Локальное значение SAR в ACx (SARACx) составило 0,50 ± 0,08 Вт/кг (среднее ± стандартное отклонение) (рис. 2b). Поскольку масса тела облученных крыс однородна, а различия в толщине тканей головы незначительны, ожидается, что фактическое значение SAR в ACx или других кортикальных областях будет очень похожим у разных облученных животных.
По окончании эксперимента животным дополнительно вводили кетамин (20 мг/кг, внутрибрюшинно) и ксилазин (4 мг/кг, внутрибрюшинно) до тех пор, пока не исчезали рефлекторные движения после щипка задней лапы. Местный анестетик (ксилокаин 2%) вводили подкожно в кожу и височную мышцу над черепом, после чего животных помещали на систему обогрева без использования металла. После помещения животного в стереотаксическую раму проводили краниотомию над левой височной корой. Как и в нашем предыдущем исследовании66, начиная от соединения теменной и височной костей, отверстие имело ширину 9 мм и высоту 5 мм. Твердую мозговую оболочку над передней мозговой оболочкой аккуратно удаляли под бинокулярным контролем, не повреждая кровеносные сосуды. В конце процедуры из стоматологического акрилового цемента изготавливали основание для атравматической фиксации головы животного во время записи. Стереотаксическую раму, поддерживающую животное, помещали в камеру акустического затухания. (IAC, модель AC1).
Данные были получены в результате многоканальной регистрации активности нейронов в первичной слуховой коре 20 крыс, включая 10 животных, предварительно обработанных ЛПС. Внеклеточные записи были получены с помощью массива из 16 вольфрамовых электродов (TDT, ø: 33 мкм, < 1 МОм), состоящего из двух рядов по 8 электродов, расположенных на расстоянии 1000 мкм друг от друга (350 мкм между электродами в одном ряду). Серебряный провод (ø: 300 мкм) для заземления был введен между височной костью и контралатеральной твердой мозговой оболочкой. Предполагаемое местоположение первичной слуховой коры находится на расстоянии 4-7 мм кзади от брегмы и 3 мм вентральнее супратемпорального шва. Исходный сигнал был усилен в 10 000 раз (TDT Medusa), а затем обработан многоканальной системой сбора данных (RX5, TDT). Сигналы, собранные с каждого электрода, были отфильтрованы. (610–10 000 Гц) для выделения многонейронной активности (МНА). Уровни срабатывания были тщательно установлены для каждого электрода (соавторами, не знавшими о состоянии облучения или фиктивного облучения), чтобы выбрать наибольший потенциал действия из сигнала. Онлайн и офлайн анализ волновых форм показал, что собранная здесь МНА состояла из потенциалов действия, генерируемых от 3 до 6 нейронов вблизи электродов. В начале каждого эксперимента мы устанавливали положение электродной решетки таким образом, чтобы два ряда по восемь электродов могли регистрировать нейроны, от низкочастотных до высокочастотных ответов при выполнении эксперимента в ростральной ориентации.
Акустические стимулы генерировались в Matlab, передавались в систему передачи звука (TDT) на базе RP2.1 и направлялись на громкоговоритель Fostex (FE87E). Громкоговоритель располагался на расстоянии 2 см от правого уха крысы, на этом расстоянии он воспроизводил плоский частотный спектр (± 3 дБ) в диапазоне от 140 Гц до 36 кГц. Калибровка громкоговорителя проводилась с использованием шума и чистых тонов, записанных микрофоном Bruel and Kjaer 4133, подключенным к предусилителю B&K 2169 и цифровому диктофону Marantz PMD671. Спектральное время рецептивного поля (STRF) определялось с использованием 97 частот гамма-тона, охватывающих 8 октав (0,14–36 кГц), представленных в случайном порядке при уровне звукового давления 75 дБ на частоте 4,15 Гц. Площадь частотной характеристики (FRA) определялась с использованием того же набора тонов, представленных в случайном порядке на частоте 2 Частота в диапазоне от 75 до 5 дБ SPL. Каждая частота представлена ​​восемь раз при каждой интенсивности.
Также оценивались реакции на естественные стимулы. В предыдущих исследованиях мы наблюдали, что вокализация крыс редко вызывала сильные реакции в ACx, независимо от оптимальной частоты нейронов (BF), тогда как специфичные для ксенотрансплантатов (например, вокализация певчих птиц или морских свинок) обычно затрагивали всю тональную карту. Поэтому мы протестировали кортикальные реакции на вокализацию у морских свинок (свисток, использованный в 36 исследованиях, был подключен к стимулам длительностью 1 с, предъявляемым 25 раз).

Мы также можем изготовить пассивные радиочастотные компоненты на заказ в соответствии с вашими требованиями. Вы можете перейти на страницу настройки и указать необходимые вам характеристики.
https://www.keenlion.com/customization/

Эмали:
sales@keenlion.com
tom@keenlion.com