研究のタイプ: 医学／生物学の研究 (experimental study)

[海馬でのシナップス伝達と長期強化に対する高出力マイクロ波パルスの影響] med./bio.

Effects of high power microwave pulses on synaptic transmission and long term potentiation in hippocampus

著者: Pakhomov AG, Doyle J, Stuck BE, Murphy MR
掲載誌: Bioelectromagnetics 2003; 24 (3): 174-181
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この研究は、高出力の短いマイクロ波パルス（EHPP）が、神経ネットワーク機能に与える影響を、単離されたラット海馬スライスモデルに電気生理学的手法を適用することによって調べた。すなわち、海馬スライスで確認されている現象（CA1領域での集合スパイク電位（PS）は、シャファー側枝の反復刺激（30秒に1回）によって誘発されること、短時間の強縮（50 Hzで2秒間）がシナプス伝達の長期増強（LTP）を誘導すること）へのEHPP照射の影響を調べた。合計160個の脳スライスを使用した3つの異なる一連の実験では、強縮の前、最中、または後にEHPP照射を行った。EHPPの搬送周波数は9.3 GHz、パルス幅と繰り返し率はそれぞれ0.5〜2　µs、0.5〜10 Hzであった。脳スライスのピークSARは最大500 mW / kgに達した。脳スライスのマイクロ波加熱は、0.5 ℃（時間平均SAR = 0.3 kW / kgの場合）から6 ℃（同3.6 kW/ kg）の範囲であった。その結果、EHPP照射によって引き起こされた唯一の影響は、PS振幅の一過性で完全に可逆的な減少であった；この影響は、温度上昇に比例したが、EHPPのどの特定のパラメータにも比例せず、連続波（CW）照射または従来の加熱によっても誘発される可能性がある；EHPP照射は、強縮に反応してLTPを生じさせるニューロンの能力、または照射前に誘導されたLTPを保持するニューロンの能力に影響しなかった、と報告している。

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研究目的（著者による）

To explore the effects of short, extremly high power microwave pulses on neuronal network function by electrophysiological techniques in the isolated rat hippocampal slice model.

影響評価項目

ばく露

ばく露 パラメータ
ばく露1: 9.3 GHz
Modulation type: pulsed
ばく露時間: continuous for 2 min
  • SAR: 330 kW/g peak
  • SAR: 0.33 kW/kg average over time
ばく露2: 9.3 GHz
Modulation type: pulsed
ばく露時間: continuous for 2 min
  • SAR: 360 kW/g peak
  • SAR: 0.7 kW/kg average over time (at 2 Hz)
  • SAR: 1.8 kW/kg average over time (at 5 Hz)
  • SAR: 3.6 kW/kg average over time (at 10 Hz)
ばく露3: 9.3 GHz
Modulation type: pulsed
ばく露時間: continuous for 7 min
  • SAR: 500 kW/g peak
  • SAR: 0.25 kW/kg average over time (at 0.5 µs)
  • SAR: 1 kW/kg average over time (at 2 µs)
ばく露4: 9.3 GHz
Modulation type: CW
ばく露時間: continuous for 7 min
  • SAR: 0.25 kW/kg average over time
  • SAR: 1 kW/kg average over time

ばく露1

主たる特性
周波数 9.3 GHz
タイプ
  • electromagnetic field
特性
  • guided field
ばく露時間 continuous for 2 min
Modulation
Modulation type pulsed
Pulse type rectangular
Additional information

pulses of 2 µs width at 0.5 Hz and 0.5 µs width at 2 Hz
ばく露装置
ばく露の発生源／構造
  • 導波管
  • WR90, 22.86 mm x 10.16 mm, magnetron transmitter
チャンバの詳細 The exposure chamber design was principally the same as described before [Pakhomov et al., 2000]. The chamber, provided with a continuous but laminar flow of fresh artificial cerebrospinal fluid (ACSF) of about 20 mm depth, was mounted on top of a waveguide opening sealed with a sapphire matching plate covered with 0.5 mm Plexiglas, which served as a chamber bottom.
ばく露装置の詳細 A brain slice was centered in a small frame (also made of 0.5 mm Plexiglas), which was fixed to the chamber bottom and aligned with the waveguide axis. MW exposures were performed essentially the same way as described before [Pakhomov et al., 2002].
Sham exposure A sham exposure was conducted.
Additional information It is important to note that the temperature stabilization system did not (and was not intended to) compensate for MW heating.
パラメータ
測定量 値 種別 Method Mass 備考
SAR 330 kW/g peak 測定値および計算値 - -
SAR 0.33 kW/kg average over time 測定値および計算値 - -
Additional parameter details

The peak E field in the waveguide reached 1.57 MV/m.

測定および計算の詳細

Incident and reflected powers in the waveguide were measured via directional couplers by a power meter with power sensors. Reflection from the exposure chamber into the waveguide was less than 3%. Local SAR values were measured in the ACSF using a microthermocouple technique [Pakhomov et al., 2000, 2002]. For field mapping, the MTC was driven in three orthogonal directions by means of a micromanipulator. An analytical approach proposed by Alekseev and Ziskin [2000] was employed to account for differences in dielectric properties of the brain tissue and ACSF. The presence of the plastic bottom cover and the brain slice holding frame in the exposure chamber decreased local SAR by 50-60%, and at the same time, reduced variations at the brain slice location to ±20%.

ばく露2

主たる特性
周波数 9.3 GHz
タイプ
  • electromagnetic field
特性
  • guided field
ばく露時間 continuous for 2 min
Modulation
Modulation type pulsed
Pulse width 1 µs
Pulse type rectangular
Additional information

pulse rates of 2, 5, and 10 Hz
ばく露装置
ばく露の発生源／構造
  • E1と同じ装置
Sham exposure A sham exposure was conducted.
パラメータ
測定量 値 種別 Method Mass 備考
SAR 360 kW/g peak 測定値および計算値 - -
SAR 0.7 kW/kg average over time 測定値および計算値 - at 2 Hz
SAR 1.8 kW/kg average over time 測定値および計算値 - at 5 Hz
SAR 3.6 kW/kg average over time 測定値および計算値 - at 10 Hz

ばく露3

主たる特性
周波数 9.3 GHz
タイプ
  • electromagnetic field
特性
  • guided field
ばく露時間 continuous for 7 min
Modulation
Modulation type pulsed
Repetition frequency 1 Hz
Pulse type rectangular
Additional information

pulse widths of 0.5 or 2 µs
ばく露装置
ばく露の発生源／構造
  • E1と同じ装置
Sham exposure A sham exposure was conducted.
パラメータ
測定量 値 種別 Method Mass 備考
SAR 500 kW/g peak 測定値および計算値 - -
SAR 0.25 kW/kg average over time 測定値および計算値 - at 0.5 µs
SAR 1 kW/kg average over time 測定値および計算値 - at 2 µs

ばく露4

主たる特性
周波数 9.3 GHz
タイプ
  • electromagnetic field
特性
  • guided field
ばく露時間 continuous for 7 min
Modulation
Modulation type CW
ばく露装置
ばく露の発生源／構造
  • E1と同じ装置
  • but sweep oscillator and amplifier instead of magnetron
Sham exposure A sham exposure was conducted.
パラメータ
測定量 値 種別 Method Mass 備考
SAR 0.25 kW/kg average over time 測定値および計算値 - -
SAR 1 kW/kg average over time 測定値および計算値 - -

Reference articles

  • Pakhomov AG et al. (2002): [ゲルに懸濁された細胞を用いた連続波と高ピーク出力マイクロ波照射の生物効果の用量依存性の比較]
  • Pakhomov AG et al. (2000): [単離されたカエルの心臓スライスのペースメーカ機能に対する高電力マイクロ波パルスと短CW照射の比較効果]
  • Alekseev SI et al. (2000): [薄い吸収膜によるミリ波の反射と吸収]

ばく露を受けた生物:

方法 影響評価項目／測定パラメータ／方法

研究対象とした生物試料:
研究対象とした臓器系:
調査の時期:
  • ばく露中
  • ばく露後

研究の主なアウトカム（著者による）

Irradiation did not affect the ability of neurons to develop long term potentiation (LTP) in response to tetanus or to retain the potentiated state that was induced before irradiation. No lasting or delayed effects of extremly high power microwave pulses were observed.

研究の種別:

研究助成

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