электромагнитное поле мозга человека

Новое в блогах

b

Мозг человека, электромагнитное излучение, раскрываем загадки

Мозг человека, электромагнитное излучение, раскрываем загадки

Мозг, пожалуй, самый загадочный орган в нашем теле. Ученые до сих пор не все знают о его возможностях и скрытых резервах.

Мозг работает по принципу электрической цепи, посылая импульсы по нервным волокнам таким же образом, как ток идет по проводам. Подобные волокна могут достигать метра.

Однако область, покрытая частью нерва, контролирующего передачу сообщений, не больше ширины человеческого волоса.

Мозг человека так же излучает электромагнитные импульсы очень малой интенсивности. Их частота измеряется в циклах в секунду, или в Герцах, и находятся в диапазоне от 0 до 30 Гц.

Каждую минуту десятки тысяч электрических импульсов передают сообщения между нервными клетками в нашем мозге. Выявление белков, инициирующих эти импульсы, поможет нам разгадать, как работает мозг”,-

утверждает доктор Мэтью Нолан из университетского Центра по Интегративной Физиологии.

Выделяют пять основных групп этих волн

Такие колебания обычно преобладают, когда мы находимся либо в сонном, либо в бессознательном состоянии, но некоторые могут находиться в дельта-диапазоне и в сознательном состоянии.

Стимуляция мозга в дельта-диапазоне позволяет избавиться от бессонницы, повысить профессиональные способности психологов и психотерапевтов к подстройке к пациентам, обеспечить глубокий отдых и полностью нивелировать эффект «выгорания».

Тета-волны (4-7 Гц, амплитуда 10-30 мкВ): Возникают во время сна, глубокой релаксации и медитации. Увеличивают способности памяти, фокусировку внимания, стимулируют фантазию, способствуют ярким снам.

Некоторые люди отмечают, что полчаса тета-волн в день заменяют 4 часа обычного сна. И именно этот уровень работы мозга мы связываем с интуицией.

Обычно эти волны преобладают, когда человек находится в состоянии между сном и бодрствованием, т.е. в предсонном или «сумеречном» состоянии.

Часто оно сопровождается видением неожиданных, сноподобных образов и открывает доступ к бессознательной части ума.

Тренировка мозга в тета-диапазоне значительно увеличивает творческие способности человека, способность его к обучению. Также значительно снижается потребность в алкоголе и наркотиках.

Альфа-волны (8-13 Гц, амплитуда 30-60 мкВ): Фиксируются в состоянии, пограничном между сном и пробуждением, медитации, вызывают положительные эмоции, чувство комфорта и гармонии. Характерны для состояния неглубокого расслабления.

Используются в различных «скоростных» методиках аудио/видео обучения, например, на кассетах с курсами по изучению иностранных языков. В своих тренингах записанных на диски, я иногда использую этот метод, что помогает эффективно достигать результата.

Даже чтение учебника под альфа-волной способствует большему усвоению материала. В альфа-диапазоне лежит также полоса частот, известная как «резонанс Шульмана» (частоты, резонирующие с магнитным полем Земли).

У людей имеющих пониженный уровень активности альфа-ритмов обычно нарушается способность к полноценному отдыху, это вызывается сильным стрессом. Поэтому стимуляция в альфа-диапазоне рекомендуется для помощи в преодолении стрессовых состояний.

Бета-волны (13-30 Гц, амплитуда 3-10 мкВ): Возникают в активном, бодром состоянии. Настороженность, быстрое мышление, тревога. Высокая активность бета-волн всегда соответствует большому выделению стресс-гормонов.

Преобладают в обычном бодрствующем состоянии, когда мы с открытыми глазами наблюдаем мир вокруг себя, или сосредоточены на решении каких-то текущих проблем.

Бета-волны обычно связаны с бодрствованием, пробужденностью, сосредоточенностью, познанием и, в случае их избытка, — с беспокойством, страхом и паникой.

Недостаток бета волн связан с депрессией, плохим избирательным вниманием и проблемами с запоминанием информации. Стимуляция мозга в бета-диапазоне позволяет избавиться от депрессивных состояний, повысить уровень осознанности, внимания и кратковременной памяти.

Гамма-волны (30 Гц до 100Гц, амплитуда 5-15 мкВ): идут бок о бок с понятиями «гиперсознание», «гиперреальность». Во всяком случае, так полагает лауреат Нобелевской премии, сэр Фрэнсис Крик и некоторые другие ученые.

Их существование на данный момент является спорным вопросом.

Они характерны для состояний, которые достигаются при применении некоторых йогических техник и медитаций. Мозг человека с трудом поддается воздействию в этом диапазоне.

Или, например, вы пытаетесь что-то припомнить и обращаете задумчивый взор в пространство. Сами того не подозревая, вы настраиваете свой мозг на альфа-ритм, в котором лучше всего происходит запоминание и воспроизведение абстрактных знаний.

Заметим, что альфа-волны наблюдаются лишь у человека. Альфа-ритм характеризует процесс внутреннего «сканирования» мысленных образов при сосредоточении внимания на какой-нибудь умственной проблеме.

Наблюдается, например, любопытное совпадение между частотой альфа-волн и периодом инерции зрительного восприятия (примерно 0.1 секунды).

В состоянии альфа волн происходит:

чувство умиротворения

улучшение академической успеваемости

тепло в конечностях

повышенную производительность на рабочем месте

ощущение благополучия

снижение тревожности, улучшение сна

улучшение иммунной функции.

d61a91418363

Характер альфа-ритма сугубо индивидуален. У большинства людей, имеющих четко выраженный альфа-ритм, преобладает способность к абстрактному мышлению. У незначительной группы испытуемых обнаруживается полное отсутствие альфа-ритмов даже при закрытых глазах.

Эти люди свободно мыслят зрительными образами, однако испытывают трудности в решении проблем абстрактного характера.

«Человеческий мозг работает с весьма низким коэффициентом полезного действия: он использует всего 3-4 процента своих предельных возможностей. Очевидно, что остальные 96-97 процентов могут содержать неожиданные тайны, невиданные возможности человека.

Известно также, что зона максимально ясного сознания в психической деятельности сравнительно невелика: на сознательном уровне перерабатывается 10Е2 бит информации в секунду, на бессознательном — 10Е9″.

Максим Карпенко «Вселенная разумная»

Источник

Легко ли собрать выжигатель мозгов? История электромагнитных полей в медицине

Несмотря на то, что почти вся статья будет посвящена электромагнитным полям, мы начнем издалека, с такого феномена как температура. Температура играет ключевую роль в биологических процессах, определяя как скорость их протекания, так и вовсе саму возможность их существования. Именно её будет измерять доктор, чтобы быстро оценить состояние вашего здоровья. Ведь повышенная температура тела — это естественная защитная реакция организма на болезнь, а результаты её измерения могут служить в качестве простейшего двоичного индикатора болен/не болен. На самом деле диагностические возможности этим не ограничиваются, и температура может рассказать о состоянии здоровья человека намного больше. Например, собрав достаточно данных с поверхности тела, возможно выявить даже специфичные заболевания, вроде рака груди [1]:

10dee4eb72b82ce863c2ae33d1e6f4beИзображения с тепловизора левой и правой молочных желез пациентки с раком груди. Опухоль может быть обнаружена благодаря локально повышенной температуре кожи в районе новообразования. Стоит, однако, отметить, что такой метод не очень точен, потому не заменяет применяемую сегодня массово процедуру маммографии.

bcefb6ea0ee2be19945c8a85eb697aacАбу-ль-Касим аз-Захрави (справа) целится в опухоль на шее пациента.

Сегодня такие методы лечения кажутся варварскими, однако на тот момент это был самый топ приёмов медицины, которые могли помочь порой в самых безнадежных случаях. Абу-ль-Касим, будучи человеком учёным не просто тыкал в людей горячей кочергой, но еще и проводил исследования влияния типа металла, температуры, формы прижигающих элементов, а также погодных условий на результаты лечения, пытаясь при этом выделить наиболее важные факторы для повышения результативности терапии.

Но прогресс не стоял на месте и вот уже Луиджи Гальвани со своей женой показывают пораженным зрителям как дергаются лапки мертвой лягушки под воздействием протекающего через них электрического тока:

1ezbelowgq g7wq2lcdsb4krtwuЖена Луиджи Лючия была его ассистентом при проведении научных демонстраций.

Температура тут на первый взгляд, казалось бы, ни при чём. Но после открытия настолько живительного действия электричества его не преминули использовать где только можно, и в первую очередь конечно же в медицине. Со времен аз-Захрави менять формат методов особо не стали и взамен прижиганию (Cautery) изобрели Гальванокаустику (Galvanocautery). Суть процедуры можно описать точно такой же картинкой:

Да-да, постоянный электрический ток использовался для совершения всё той же процедуры резкого локального увеличения температуры, проще говоря прижигания. Несмотря на, казалось бы, очевидное сходство двух этих методов испепеления болячек, электричество всё же показало себя более гибким инструментом в плане контроля процедуры и её безопасности. Если раскалённая кочерга прижигает только поверхностные регионы, ток уже способен проникать вглубь тканей, нагревать их объемно, и кроме того, может быть легко отрегулирован или же быстро отключён в случае необходимости. Гальванокаустикой вполне успешно, хоть и всё ещё весьма болезненно лечили новообразования, аневризмы и даже грибок. Постепенно она переросла в то что сегодня известно под названием электрохирургия, но мы эту ветку эволюции технологий пока пропустим, ведь всякие поля гораздо интереснее.

Как только появились первые генераторы, способные вырабатывать переменный ток, обнаружился интересный факт: всё те же опыты с лягушачьими частями показывали, что при достижении определенной частоты генератора или выше её (порог был определён в районе 10 кГц) лапки переставали дёргаться, хотя ток при этом всё ещё как-то тёк по цепи. И здесь в нашей истории появляются такая неоднозначная персона как Арсен Д’Арсонваль [2].

5d6f45e36102a0bd7e7d0c099a34f961Арсен Д’Арсонваль и некоторые из его изобретений.

81907258394de548d938c6bf59b7f545«Ну что, потомки, как там поживает ваша планетарная система беспроводной передачи энергии?»

Как и его заокеанский коллега, Никола Тесла также был замечен в экспериментах с применением электричества в медицине. И также как и Д’Арсонваль, был прямым виновником того, что в газетах того времени низкочастотным токам и полям приписывались свойства новой панацеи, способной излечивать что угодно вплоть до туберкулёза. Основания для этого Тесла почерпнул из своих экспериментов, когда обнаружил что микробы (как и туберкулёзные палочки) погибают при пропускании через них тока (ну а кто б не погиб). Такую мелочь как невозможность повторить то же самое внутри легких пациентов при этом даже не рассматривали и, что закономерно, короткие клинические испытания полностью провалились [2]. Тесла вообще был великий затейник, и кроме электричества предлагал лечиться ещё и вибраторами (нет, не такими) и даже тестировал их на Марке Твене [3].

5e9ad289be1f86e257f4a69fc8028a57вжжжжж

Поколения учёных, гонимых жаждой открытий и взращённых на желании громкой славы их предшественников, ещё сильнее вгрызлись зубами в гранит науки в поисках влияния электромагнитных полей на бренное человеческое тело. Но всё, что удавалось наблюдать в экспериментах, раз за разом оказывались либо прямым, либо косвенным результатом действия растущей температуры. А громкие заявления персон, утверждавших об открытии новых неизвестных механизмов к 30-м годам всех уже порядком подзадолбали, и научный мир стал требовать солидных доказательств, прежде чем начинать разбираться в очередном последствии неграмотности авторов. В итоге выяснилось, что тело в электрическом плане мало чем отличается от резистора, и как подобает этому электронному компоненту, выделяет тепло, когда через него протекают токи разной природы, в том числе и наведённые внешними низкочастотными полями. Именно нагрев и приводил к повышению давления и потоотделения у пациентов Д’Арсонваля, так как таким способом их организм просто пытался себя охладить. Но учёные – пытливые ребята и просто так их не остановить. Многочисленные попытки найти хоть какие-либо значимые не термальные либо долговременные эффекты, оказываемые на организмы живых существ, продолжались (да и продолжаются по сей день, чего уж там). Причём даже не так важно, негативные эффекты или позитивные – при любом раскладе автор открытия был бы в выигрыше, не от врачей так хоть от военных. Однако никаких чудесных излечений болезней, контроля сознания, лучей поноса смерти и прочих фантастических плюшек обнаружить так и не удавалось. Реальность как обычно оказалась серой и унылой, как панельная девятиэтажка на окраине провинциального города. Однако и то, что было выяснено в процессе изучения всё равно пошло в дело: в итоге работы Д’Арсонваля и Теслы переросли в направление терапевтической медицины, названное диатермия, где тело пациента уже целенаправленно прогревались радиоизлучением.

Несмотря на то, что технологии стали в разы лучше со времён Д’Арсонваля и Теслы, дух раздолбайства еще не до конца покинул умы медицинских экспериментаторов. Интересный момент касается того, что рабочая частота первых аппаратов вроде того, что представлен выше, была выбрана практически произвольно. Первая причина — это то, что магнетрон для частоты 2.45 ГГц будет не слишком большим по размеру, а вторая состоит в том, что действующая на тот момент Федеральная Комиссия Связи США (FCC) выделила для медицинского применения только этот диапазон (ну и еще один в районе 27 МГц) исходя из каких-то своих странных предположений. То есть самый ключевой параметр, который надо учитывать при нагреве живого человека полями – рабочую частоту выбрали буквально пальцем в небо, просто потому что. У кухонных микроволновок кстати ровно такая же история. Величина рабочей частоты там тоже скорее исторически сложилась, а не была выведена в результате кропотливых изысканий в секретных лабораториях и поиска пиков поглощения воды, как некоторые ошибочно полагают.

Безусловно, термический эффект полей был уже для всех устоявшимся фактом, однако было мало данных о том, как именно электромагнитные поля фокусируются внутри организма, какой размер нагреваемой области и где она, собственно, будет находится. И тем не менее, это не останавливало никого, процедура пользовалась популярностью.

24075e15431733a601295e9819e2d667

Посмотрим глубже в процессы взаимодействия электромагнитных полей и человеческого организма с Эвереста наших сегодняшних знаний. Так как частота электромагнитной волны обратно пропорциональна её физическим размерам, а точнее длине, то вполне очевидно, что волны с частотами, например 27 МГц и 5 ГГц, будут взаимодействовать с тканями и органами человека совершенно по-разному:

60b3e689f825ce65d6b4d1b22632f9bfДлины радиоволн различной частоты по сравнению с телом человека. Амплитуды у них могут быть вполне одинаковые, так что не обращайте внимания на разницу в вертикальном масштабе и жирноту линий, это как говорится artist view.

Но конденсатор – элемент как правило маленький, а человек по сравнению с ним довольно большой. Это значит, что некоторые волны, подходящие по размеру, могут вполне помещаться внутри тела или его части целиком. А совсем высокочастотные и даже не один а много раз. Когда такое происходит, и электромагнитная волна находится внутри среды, она всё ещё распространяется, но при этом уменьшает свою скорость (а ещё свои физические размеры). На анимации ниже показан примерный механизм того, как это работает на простой модельке с шариками и пружинами:

image loaderПружинки иллюстрируют молекулярные взаимодействия диэлектрика с электромагнитной волной, распространяющейся слева-направо. Синими и красными шариками могут быть как атомы, так и молекулы какого-нибудь вещества.

Но как уже было сказано, прохождение волны сквозь диэлектрик связано с потерями энергии и соответственно сопровождается нагревом последнего. Пружинная модель весьма показательна даже в этом плане, так как те же пружинки при колебаниях тоже нагреваются, хоть и совсем чуть-чуть. Зная это, логично будет предположить, что чем медленнее будет распространяться волна, тем больше она будет успевать терять энергии по пути и, тем самым быстрее нагревать среду. А ведь это так и есть! Волны более высоких частот с более короткими длинами скоропостижно растрачивают свою энергию и скорее греют поверхностные слои, нежели глубокие зоны. Ага, пюрешка из микроволновки, так вот почему ты постоянно такая холодная внутри!

Относительная диэлектрическая проницаемость — это не одна единственная цифра для конкретного типа материала, как любят рисовать в табличках школьных учебников по физике. Она сильно зависит от частоты (да и от температуры кстати тоже, но пока не будем усложнять). То есть не прокатит измерить один раз эту величину для какого-нибудь подкожного жира или там мышц на частоте 80 МГц и использовать её же на 5 ГГц. Нужно будет озаботиться построением полноценного графика или продвинутой аналитической предсказательной модели, чтобы можно было знать какой всё-таки будет размер волны внутри тела пациента, если хотим полноценно использовать электромагнитные поля как терапевтический инструмент.

Но не будем отходить от темы. При должных знаниях и наличии времени для объектов примитивных форм можно вывести формулы, которые полностью будут описывать поведение электромагнитных волн внутри них. Это даст знания как можно управлять ими, например, чтобы фокусировать энергию в нужном месте. При этом даже получится принять во внимание эффекты вроде затуханий или всякого рода резонансов. Но наш мир сложен и в целом плохо поддается аналитическому описанию, особенно когда речь заходит о такой непростой структуре как человеческое тело. Конечно, голову человека можно условно представить в виде показанного цилиндра. Но адекватно работать такая модель будет только для очень длинных волн, превышающих её размеры, где как мы уже поняли прогрев будет практически однородным. Если же взять частоту 2.45 ГГц, применявшуюся на заре становления диатермии, такие упрощения уже становятся недопустимы. И дело тут даже не в сложности формы головы, а в том, что своему составу и строению ткани организма очень разнородные. Параметры какого-нибудь жирового слоя сильно отличаются от параметров мышц, костей или там кожи. А ведь есть еще и всякие полости с воздухом и жидкости. Так что же там будет происходить внутри? Со времён диатермии никто долгое время не мог ответить на этот вопрос, пока наконец завесу тайны не приоткрыл вот этот человек:

caa340ad85f01cfc85fcc634e4e2a65b

image loaderЧПУ (человеко-пильное устройство) за работой

image loaderПолученный датасет

Так в историю вошёл Visible Human Project. Кроме Джернигана подобным операциям впоследствии подверглись ещё несколько тел. Полученные данные были применены где только можно: в фильме Пятый элемент, компьютерных тренажёрах для врачей, численном моделировании, анатомических атласах и литературе. Но нас они интересуют конечно же с электромагнитной точки зрения. Так как на датасете прекрасно различим тип тканей (благо они отличаются по цвету), то уже не составляет труда присвоить им нужные значения диэлектрической проницаемости и проводимости, чтобы объединить в реалистичную электромагнитную 3d-модель. Уже из беглого анализа пространственного распределения этих параметров выяснились интересные вещи. Посмотрим на голову и то что у неё внутри [4]:

82b174f0ce0f1c5269a35aee170be743Относительная диэлектрическая проницаемость и проводимость тканей внутри человеческой головы на частоте 1 ГГц. Это модель женщины. Она была сделана много позже Джозефа и более гуманными методами (МРТ).

Структура новообразований в человеческом теле обычно связана с неконтролируемым ростом клеток. В связи с этим нарушается строение сосудистой сетки в регионе новообразования. Помните самую первую картинку этой статьи с кадрами тепловизора? Вот именно из-за нарушений в расположении сосудов и появляется регион где ткани охлаждаются током крови хуже чем остальные и который можно выявить термометрией. В какой-то момент, ещё даже до того, как были получены первые цифровые модели, люди задумались, что это свойство может сослужить хорошую службу, ведь если начать греть весь регион, то опухоль перегреется гораздо раньше. Так диатермия превратилась в гипертермию, следующую ступень эволюции электромагнитной терапии:

820921b791b7c3da24728d39533c8d33Иллюстрация того, как выглядит сосудистая сетка новообразования в тазовой области и аппарат гипертермии на частоте 8 МГц для выжигания подобных опухолей.

Итак, если диатермия была лишь баловством, то теперь мы добрались уже до полноценного выжигания тканей при помощи электромагнитных полей. Задача гипертермии состоит в том, чтобы нагреть больные клетки до температур денатурации белков в районе 44—45°С, что замедлит их рост или вовсе убьёт. Долгое время на неё возлагали большие надежды как на перспективный метод борьбы с раком, который мог бы быть использован наравне с химио- и радиотерапией, ну или хотя-бы в комбинации с ними. Однако несмотря на огромное количество исследований и кучи произведённого коммерческого оборудования, вроде того аппарата с картинки выше, клиническая значимость этого метода всё ещё остаётся под вопросом. Но изначально идея была хороша: мы могли бы лечить что-то без какого-либо хирургического вмешательства, в труднодоступных регионах (а голова как раз один из таких), да ещё и не повреждая здоровые ткани как при лучевой терапии. Электромагнитная гипертермия должна была превратится во что-то такое:

ddb1e18858932d4263cb69438e811912Пациент помещен в устройство Sigma Eye компании PYREXAR, которое является массивом антенн-диполей. Вся конструкция вдвигается в аппарат МРТ, который может производить термометрию. 2004 год.

Аппарат МРТ может не только показывать распределение воды в организме, но ещё и измерять относительные изменения температуры объектов во времени, ведь резонансная частота протонов, сигналы которых он измеряет тоже зависит от температуры. Будучи скомбинированным с массивом антенн, способных фокусировать энергию внутри тела пациента он превращается в этакий прообраз машины из Элизиума способной как на диагностику, так и на терапию используя только лишь электромагнитные волны! Сперва при помощи МРТ создаётся трехмерная цифровая модель пациента, по которой ведётся расчет фаз и амплитуд для каждой излучающей антенны, а потом начинается нагрев, который чередуется со снимками термометрии для полноценного контроля процесса.

5930eb2b79b232f4d1cfd3416683f9edЦифровой двойник тела пациента создаётся в виде тетраэдальной меш-сетки, которая используется для решения уравнений Максвелла и последующего расчета области фокусировки электромагнитной энергии. Примеры термометрии с нагревом опухоли до 30 градусов в двух срезах показаны справа. Обратите внимание что есть участки перегрева и вне опухоли.

В общем несмотря на то, что идея уже очень старая по нашим меркам, до сих пор эксперименты в области проводятся на пике возможностей наших технологий. Один лишь расчет фокусировки для подробной модели человеческого тела может требовать пару часов работы не самого слабого GPU, а алгоритмы для таких расчётов до сих пор совершенствуются и усложняются, как, собственно, и сами модели. Но, наверное, самой главной проблемой на пути гипертермии всё ещё остается непонимание того как использовать температуру для лечения. Как выяснилось, просто выжечь что-то внутри тела это не такая уж и хорошая идея, а потому все исследования в области сменили направление в поисках чего-то более удачного. Одним из таких решений в перспективе может стать применение наночастиц-носителей лекарства, активируемых нагревом. Но пока выходит, что одними лишь электромагнитными полями не обойтись.

Эпилог

Спасибо за внимание! Вот вам напоследок электромагнитная симуляция наносекундного радиоимпульса, испускаемого близко расположенными широкополосными антеннами прямо в мозг. Обратите внимание сколько энергии теряется на периферии:

Источник

Adblock
detector