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EFECTO DE LOS CAMPOS MAGNÉTICOS ELF DÉBILES SOBRE LA
ACTIVIDAD DE LA MOTONEURONA
Nombre y afiliación de los atores
• Lorias Espinoza Daniel. Departamento de Ingeniería Eléctrica, Sección
Bioelectrónica.
CINVESTAV. México D.F. email: [email protected]
• Delgado Rodolfo. Departamento de fisiología. CINVESTAV. México DF
e-mail: [email protected]
• Elías Viñas David. Departamento de Ingeniería Eléctrica, Sección Bioelectrónica.
CINVESTAV.
México
D.F.
e-mail:
[email protected]
SUMMARY
Numerous investigations have revealed that the electric activity of the central nervous
system can be affected by the exposure to weak magnetic fields of extremely low frequency
(ELF) this has been seen in Vitro in complete structures. [1].
In this work studies with segments of spinal marrow of turtle in Vitro, were carried out and
the technique of intracellular registration was used.
An electronic equipment was developed, the equipment consists of a alternating magnetic
field excitement system controlled with the technique of PWM, the frequency of the
magnetic field lies in the range of extremely low frequencies (ELF). The equipment also
contains a system of registration of variables which consists of a Hall effect sensor and a
temperature sensor, both, with their respective circuits of signal conditioning. The third part
is a system of data acquisition in a radiometric arrange, which interfaces with a computer
trough an eight-channel interface. The last part of the equipment is a program for storing
and viewing the results during the experiment or after they have concluded.
The magnetic field is guided by a ferromagnetic material and is applied in punctual form, to
a marrow segment.
The marrow segment was exposed during 4 min. to an alternating magnetic field of 16 and
40 Hz with 1.9 G magnitude. The effect of the magnetic field was evaluated at different
intensities of exciting current of the cell. Registrations of unique action potential (PA) were
carried out in the control cellular registry and then a magnetic field was applied.
Registrations were also carried out in order to be able to calculate the membrane resistance.
With the application of the field there was a significant statistical variation in the number of
spikes or PA in the shot populations. The statistical tool of evaluation of data was the
independent t-test.
EFECTO DE LOS CAMPOS MAGNÉTICOS ELF DEVILES SOBRE
LA ACTIVIDAD DE LA MOTONEURONA
Lorias Espinoza D**, Delgado Rodolfo*, Linares Justo *, Elías V. David
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Sección Bioelectrónica
*Departamento de fisiología. CINVESTAV. México DF
** Tel. 5061-3800 Ext. 6203 e-mail [email protected]
RESUMEN
Numerosas investigaciones han revelado que la
actividad eléctrica del sistema nervioso puede
ser afectada por la exposición a campos
magnéticos débiles de baja frecuencia (ELF
extremely low frequency, ELF) esto se ha visto
in vitro en estructuras completas. [1].
En el presente trabajo se estudió el efecto del
campo magnético de baja frecuencia (16 y 40
Hz) en la excitabilidad y resistencia
transmembranal de las motoneuronas de la
médula espinal in vitro de la tortuga. Los cuales
se registraron con la técnica de registro
intracelular.
Se desarrollo un sistema electrónico el cual
consiste de un sistema de excitación magnética
alterna controlada con la técnica de modulación
por ancho de pulso (PWM) trabajando a bajas
frecuencias (ELF). Se construyo, un sistema de
registro de variables el cual consta de sensores
de efecto Hall y de temperatura con sus
respectivos circuitos de tratamiento de la señal,
un sistema de adquisición de datos en
configuración radiometrica, una interface de
ocho canales para comunicación con una
computadora y un programa de registro y
almacenamiento de variables involucradas en el
experimento.
El campo magnético es conducido por un
material ferromagnético y aplicado en forma
puntual al segmento de médula espinal.
Se registró la respuesta de una motoneurona a la
aplicación de un pulso rectangular de corriente
intracelular despolarizante (1s de duración) e
hiperpolarizante (500 ms) sin campo magnético
(control) y en su presencia (prueba).
El segmento de medula fue sometido durante 4
min. a un campo magnético alterno con una
magnitud de 1.94 G. Los cambios eléctricos en
la motoneurona debidos al campo magnético se
evaluaron a diferentes valores de corriente de
fijación de la misma
El campo magnético produjo un cambio
estadísticamente significativo (prueba de t) en
el número de potenciales de acción evocados.
Palabras clave: campo magnético alterno,
ELF, Potenciales de acción, células, efecto Hall.
1. INTRODUCCIÓN
William F. Ganong. En su libro Fisiología
medica reporta que las células se pueden
excitar por métodos mecánicos, eléctricos, o
químicos [2]. En cambio existen trabajos que
reportan
afectación
de
los
campos
electromagnéticos Hacia Las células o
motoneuronas los más relevantes entre otros
son.
H. Sonnier en su articulo resting potential of
excitable Neuroblastoma cell in weak magnetic
fields. Reporta que el mecanismo por el cual los
campos magnéticos estáticos y de baja
frecuencia son inducidos dentro de las señales
biológicas y responsables de generar efectos
sobre la actividad eléctrica aun no se sabe con
certeza ellos trabajaron con bobinas generando
1
campos electromagnéticos sobre la célula SHSY5Y, aplicando un campo magnético estático
in vitro sobre el hipocampo de ratas macho
reportando una alteración en la actividad
R
6
5
4
3
E1
OC
RT
CT
DTC
FBK
C2
E2
Ref
Out
R
9
11
3
10
+
14
R
U4
TL494C
TL 494 C
8
C1
I n2+
I n2-
Tl494C
A
26
27
28
1
2
3
4
5
V+
13
8
OUT
2
-
12
16
1
10
9
7
V-
16
15
I n1+
I n1-
U3
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
REF+
REFCLK
OE
EOC
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
A0
A1
A2
START
ALE
17
14
15
8
18
19
20
21
25
24
23
6
22
E
ADC0808
R
4
1
2
C
D
ADC0808CCN
Sistema de registro intracelular
M
Sensor hall effect
Temperatura
Magnitud B
Amplificador
Axoclamp-2B
AxoScope9
F
Fig. 2. Diagrama a bloques del sistema de excitación y registro. A.-Control de velocidad usando la
técnica PWM. B.-Sensores SM. C.- electrónica analógica para acondicionamiento y medida de las
variables. D.- interfase compuesta del ADC0808 y buffer. E.- programa grafico de visualización y
registro de variables. F.- sistema de registro con la técnica intracelular.
y alterno de 1 a 75 G y 1-5 G respectivamente a
una frecuencia de 1500 Hz [3].
Fiorenzo Marinelli reporta en su trabajo titulado
Cell Menbrane and Electromagnetic Fields que
Los campos electromagnéticos pueden tener
muchos y diferentes blancos afectando el
sistema
biológico.
Los
campos
electromagnéticos afectan la distribución de las
proteínas transmembranales IMP en el plasma
El campo electromagnético fue generado por un
par de bobina rectangulares alimentadas por
una corriente en forma de onda triangular [4].
Figura1. Líneas de campo
magnético, en el extremo
maquinado del material
ferromagnético.
rítmica de este. El campo magnético aplicado
fue mediante un arreglo de bobinas helmholtz a
una frecuencia de 16 Hz y magnitud de 280 µT
[1].
Suzanne M. Bawin, en su articulo Influences of
Sinusoidal Electric Fields on Excitability in the
Rat Hippocampal Slice. Reporta que a breves
estimulaciones
de tiempo (5-30 s)
y
frecuencia especifica 5 y 60 Hz, a menudo
generan un incremento en la población de
espigas y los campos a 60 Hz generan una
depresión de la población de espigas (1-6 min.)
O trascientes posteriores a la excitación con
campo electromagnéticos [5].
En cambio trabajo o artículos que reporten
haber trabajado con campos magnéticos
permanentes no se encontraron.
2. MATERIALES Y METODOS
K.A. Jenrow en su articulo
Weak ELF Magnetic Field
Effects On Hippocampal
Rhythmic Slow Activity
realizo estudios trabajando
2.1.Sistema de excitación
Un campo magnético se genera con un imán
permanente y se conduce por un material
ferromagnético, el cual se maquina en uno de
sus extremos [6] un ángulo de 5°, figura 1. El
2
dispositivo entrega un campo magnético
puntual con una magnitud de 1.94 G
perpendicular al segmento de medula. Se utilizo
un imán permanente 9G. Este se hace girar
mediante un motor de DC de 3V. El control de
la frecuencia se consigue mediante la técnica
PWM con el CI TL494 este trabaja con una
frecuencia portadora de 121.2 kHz..
El segmento de medula fue sometido a un
campo magnético sinusoidal de 16 [1] y 39 Hz
esta ultima seleccionada para utilizar la
frecuencia de resonancia del Ion de K+ [3]. .El
campo geomagnético no fue compensado de
cualquier modo estuvo presente todo el tiempo
en los experimentos.
2.2. Sistema de registro
Consiste en un sensor de efecto hall salida
diferencial, para medir la frecuencia y la
magnitud del campo, la señal proveniente del
sensor se conecta a un amplificador diferencial
y se entrega a dos circuitos. Uno de medición
de frecuencia y magnitud, respectivamente.
La medición de frecuencia se realiza mediante
un sistema de comparador con histerisis,
entregando una señal TTL la cual es enviada a
la PC mediante un sistema de adquisición.
La medición de magnitud se logra mediante un
amplificador con un ajuste de voltaje a 2.5V tal
señal se envía al sistema de adquisición.
El
sistema de adquisición se compone del
ADC808 en de 8 bits con 8 canales de entrada
en configuración radiometrica. La frecuencia de
reloj es de 700Hz, generándola con el CI
74HCT14 con un arreglo RC. Un diagrama a
bloques del sistema de excitación y registro se
presenta en la Figura 2.
La salida del ADC se conecta al buffer de tres
estados CI74LS244M. Para protección del
puerto paralelo de la computadora. Tal sistema
de adquisición es controlado por un programa.
El programa tiene la capacidad de registrar
graficar y almacenar las variables de magnitud
y frecuencia del campo magnético, y
la
temperatura de desarrollo del experimento. El
programa se desarrolla con el software
Microsoft Visual Basic 6.0
en forma
estructurada. El valor de la variable se puede
Registros
Numero De Espigas por Barrido
N°
Barrido
038
037
control Cm
i=0.32nA
058
055
control Cm
i=0.34nA
074
068
control
Cm
i=0.44nA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
4
4
3
3
4
3
2
3
3
2
3
3
3
4
3
3
3
4
3
2
4
3
3
4
3
4
3
4
3
4
4
4
4
3
4
3
4
3
4
3
3
4
4
4
3
3
3
3
4
3
2
3
2
3
3
3
3
3
3
1
3
3
3
2
2
3
4
2
2
2
2
3
1
2
3
3
3
2
3
3
3
2
3
4
3
3
3
3
2
4
3
4
2
3
3
3
2
2
3
4
6
6
6
6
5
5
6
5
5
6
5
5
6
6
5
6
6
6
6
5
6
5
5
6
5
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
5
6
6
6
6
5
6
6
6
Total
Espigas
80
85
63
73
139
148
P
0.018
0.05
0.04
Tabla 1.- tabla comparativa de espigas entre registros. En
control y sometidas al campo magnético Indicando la
intensidad de corriente y la diferencia significativa
estadística (P).
visualizar en modo grafico y modo numérico,
cada uno con un color distintivo Cada segundo
3
se realiza la actualización de las variables. El
programa puede mandar a almacenar las
variables generando el archivo de texto con
extensión: txt, dat, doc o xls el archivo
generado puede ser actualizado cada ves que se
requieran registrar nuevas variables sin perder
los valores ya almacenados.
2.3. Preparación de la médula espinal de la
tortuga.
Se emplearon tortugas (Kinosternon) de 10-15
cm
de
longitud.
Anestesiada
intramuscularmente con pentobarbital se
perfundió con solución de Ringer. La médula
espinal lumbar se extrajo y se hicieron
rebanadas transversales de 3 mm de longitud
[7]
2.4. Registro de una motoneurona
Se fijó una rebanada en una cámara de lucita
perfundida con solución de Ringer a 20° C. Con
un microelectrodo de vidrio con una resistencia
50-60 MΩ, lleno con acetato de potasio (0.8 M)
y cloruro de potasio (0.2 M), se impalaron
motoneuronas en el asta ventral (trabajo que
acabamos de publicar). El registro eléctrico de
la neurona se amplificó (Axoclamp-2B de Axon
Instruments), se capturó en una computadora
empleando una tarjeta digitalizadora (Digidata
de Axon Instruments) y se visualizó con el
programa Axoscope9.
En la tabla se presentan el número de PA que se
evocaron en cada trazo en condiciones control y
en presencia del campo magnético con las tres
corrientes aplicadas. El campo magnético
produjo un incremento estadísticamente
significativo en el número de PA para todas las
corrientes. El valor de P nos indica que tan
significativamente diferentes son las dos
columnas.
Evaluada con la prueba de t
independiente.
El aumento significativo en el número de PA en
presencia del campo magnético podría ser
debido a un incremento en la excitabilidad de la
neurona. Cuando las motoneuronas se someten
a un campo eléctrico se produce un incremento
en la excitabilidad asociado con la activación de
los canales de calcio del tipo L [9]. Otra
posibilidad es que se inactiven canales de
potasio en presencia del campo magnético.
3. RESULTADOS
La acción del campo magnético sobre la
actividad de la neurona se evaluó contando el
número de potenciales de acción
(PA)
evocados por un pulso de corriente intracelular.
En la figura 3 se presenta la respuesta control de
una motoneurona (25 trazos superpuestos) a la
aplicación de un pulso de corriente intracelular
de 0.32 nA, 0.34 nA y 0.44 nA y en presencia
de un campo magnético de 1.9 G y de 16 y 40
Hz con las respectivas corrientes.
4
2A.- 038 control i=0.32nA
2B.- 037 cm i=0.32nA
2E.- 074 control i=0.44nA
2F.- 068 control i=0.44nA
2C.- 058 control i=0.34nA
Figura 3.- población de espigas a diferentes valores de
corriente. Figura 2A disparo de la célula en control y 2B
disparo de la célula en campo magnético. Se obtuvieron
con i= 0.44nA. en control se aprecia la población de
disparos en paquetes mientras que sometidas al campo se
observa una dispersión de las espigas. 2C y 2D registros
en control y campo magnético con i= 0.34nA. 2E y 2F
registros en control y campo magnético con i= 0.44nA
generando 5 o 6 PA por barrido.
2D.- 055 cm i=0.34nA
Effects On Hippocampal Rhythmic Slow
Activity” Experimental Neurology, 153,
pp.328-334, 1998.
4. REFERENCIAS
[1] K.A. Jenrow, X. Zhang, W.E. Renehan, and
A.R. Liboff “ Weak ELF Magnetic Field
[2] William F. Ganong. Fisiología medica.
Editorial. el Manual moderno edición 18,
pp.57-65, México 2003.
5
[3] H. Sonnier, O. Kolomytkin and A. A.
Marino “Resting Potential Of Excitable
Neuroblastoma Cells In Weak Magnetic Fields”
CMLS, Cell. Mol. Life Sci. 57, pp. 514-520,
2000.
[6] Oleg A. Kuznetsov and Karl H. Hasenstein
“Magnetophoretic induction of curvature in
coleoptiles and hypocotyls
Journal of Experimental Botany, 316, pp.
1951–1957, November 1997
[4] Fiorenzo Marinelli “Call Membrane and
electromagnetic
Fields”
www.landsbg.gv.at/at/celltower.
[7] J. Schulte and P.C Endler, eds. Fundamental
research in ultra-high dilution and homeopathy
Kluwer Acad.. Publ., Dordrecht, the
Netherlands, pp. 127-142
[5] Suzanne M. Bawin, Asher R. Sheppard,
Michael D. Mahoney and W. Ross Adey “
Influences of Sinusoidal Electric Fields on
Excitability in the Rat Hippocampal Slice”
Brain Research. 323, pp. 227-237, 1984.
6