Клуб выпускников МГУ: МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ (биомагнетизм)

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" темп-ре (с обнаружением в 1986 оксидных высокотемпературных сверхпроводников появилась принципиальная возможность создания "азотных" сквидов, работающих при темп-ре 77 К).

Магнитные поля живого организма могут быть вызваны тремя причинами. Прежде всего, это ионные точки, возникающие вследствие электрической активности клеточных мембран (главным образом мышечных и нервных клеток). Другой источник магнитных полей-мельчайшие ферромагнитные частицы, попавшие или специально введенные в организм. Эти два источника создают собственные магнитные поля. Кроме того, при наложении внешнего магнитного поля проявляются неоднородности магнитной восприимчивости различных органов, искажающие наложенное внешнее поле.

Магнитное поле в двух последних случаях не сопровождается появлением электрического, поэтому при исследовании поведения магнитных частиц в организме и магнитных свойств различных органов применимы лишь магнитометрические методы. Биотоки же, кроме магнитных полей, создают и распределение электрических потенциалов на поверхности тела. Регистрация этих потенциалов уже давно используется в исследованиях и клинической практике - это электрокардиография, электроэнцефалография и т.п. Казалось бы, что их магнитные аналоги, т.е. магнитокардиография и магнитоэнцефалография, регистрирующие сигналы от тех же электрических процессов в организме, будут давать практически аналогичную информацию об исследуемых органах. Однако, как следует из теории электромагнетизма, строение источника тока в электропроводящей среде (организме) и неоднородность самой это среды существенно по-разному отражаются на распределении магнитных и электрических полей: некоторые виды биоэлектрической активности проявляют себя преимущественно в электрическом поле, давая слабый магнитный сигнал, другие - наоборот. Поэтому есть много процессов, наблюдение которых магнитографически предпочтительнее.

Магнитография не требует прямого контакта с объектом, т. е. позволяет проводить измерения через повязку или другую преграду. Это не только практически удобно, но и составляет принципиальное преимущество перед электрическими методами регистрации данных, так как места крепления электродов на коже могут быть источниками медленно меняющихся контактных потенциалов. Подобных паразитных помех нет при магнитографических методах, и потому магнитография позволяет, в частности, надежно исследовать медленно протекающие процессы (на сегодняшний день с характерным временем в десятки минут).

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.

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 магнитокардиографическим, 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 некорые 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 - нейромагнетизм. 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. Магнитная запись ( б ) альфа-ритма мозга, сделанная на этой установке.

Но наиболее ярко преимущества магнитной регистрации проявляются при исследованиях откликов мозга на различные воздействия через органы чувств.
В ряде лабораторий мира проводятся исследования магнитных сигналов, сопровождающих отклики мозга на осязательное, звуковое и зрительное раздражение. Уже первые результаты показали, что эти так называемые вызванные магнитные поля (ВМП) мозга обладают сравнительно простой структурой и по ним можно установить расположение источника биоэлектрической активности в коре головного мозга. Некоторые источники ВМП могут быть достаточно хорошо представлены в виде токового диполя, т. о. как бы миниатюрной батарейка с близко расположенными полюсами. Положение токового диполя, глубину его залегания в мозге, направление и значение (произведение плотности тока па объем области активности) можно определить магнитографически. В ответ на зрительное раздражение возникает токовый диполь в затылочной части головы, на слуховое - в височной части. В ответ на раздражение мизинца правой руки возникает диполь, перпендикулярный центральной борозде левого полушария (рис. 4). Этот диполь расположен в проекционной зоне чувствительных рецепторов различных частей тела, и именно в том месте, где, как показали нейрохирургические исследования, находится «представительство» мизинца.
Токовый диполь и его магнитное поле (концентрические стрелки), возникающие при электрическом раздражении правого мизинца:

Рис. 4. Проекционные зоны чувствительных рецепторов некоторых других частей тела: 1 - нога; 2 - туловище; 3 - рука; 4 - запястье; 5 - кисть; 6 - мизинец; 7 - большой палец; 8 - лицо; 9 - губы; 10 - язык

С помощью магнитографии становится возможным без хирургического вмешательства весьма точно выявить то место в коре мозга, куда приходит в где обрабатывается информация от органов чувств. Так, токовый диполь от мизинца находится на 2 см выше диполя, возникающего при раздражении большого пальца. Можно надеяться, что магнитная регистрация позволит подтвердить или определить положение и других функциональных центров в головном мозге. Столь точно устанавливать положение источника биоэлектрической активности мозга ЭЭГ не позволяет.

Перспективы

Точное измерение положения области нервной активности, сопровождающей раздражение того или иного органа чувств, позволяет строить карты активности коры головного мозга: «соматотопическую» для осязания, «тонотопическую» для слуха, «ретинотопическую» для зрения.
Такие карты могут служить основой для понимания процессов переработки поступающей в головной мозг информации и постановки более сложных нейрофизиологических экспериментов на базе полученных результатов. Причем исследования можно проводить на вполне здоровых людях без какого-либо оперативного вмешательства и существенных неудобств для испытуемого.
Если же учесть, что пока мы рассматриваем лишь простейшие проявления нервной активности и что более сложные процессы и мозге, которые тоже картируются магнитографически, будут иметь, скорее всего, ярко выраженные индивидуальные черты, то подобное применение бесконтактных методов магнитометрии представляется чрезвычайно перспективным.
Вполне реально создание набора, скажем, из ста чувствительных элементов, одновременно регистрирующих магнитные поля в разных точках вокруг головы человека. Обработка этих данных на ЭВМ даст картину распределения источников поля по всему объему мозга. Такая система во многом схожа с уже существующими системами компьютерной рентгеновской томографии и ЯМР-интроскопии, из которых первая дает полную картину распределения плотности вещества и мозге на основании данных о поглощении рентгеновских лучей, а вторая- картину распределения определенных химических веществ, полученную методом ядерного магнитного резонанса.
Магнитные методы обещают в перспективе построение трехмерной картины электрической активности мозга.
Магнитные исследования мозга реально ведутся всего лишь несколько лет, но уже первые результаты показали большую перспективность метода. Биомагнетизм оказался не только важной частью биологической науки, но и обеспечил базу для развития других применений сверхчувствительной магнитометрии.

Лит.: Введенский В. Л., Ожогин В. II., Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм, М., 1986