• 1.Effetti del segnale radar
• 1.1 Applicazioni
• 2. Effetti non termici a microonde

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1. Effetti del segnale radar

I primi studi sul bioelettromagnetismo risalgono alla fine della seconda Guerra Mondiale, negli anni 1947-1948, e presero il via in seguito al verificarsi di un effetto particolare: alcuni addetti ai servizi aeroportuali e alcuni piloti dei primi aerei dotati di radar comunicavano di aver sentito un rumore all'interno della testa, simile ad un click , passando davanti al radar dell'aereo.

Ricordiamo che il radar e' stato inventato intorno al 1944, durante la guerra; il suo funzionamento e' basato sull'invio di un segnale elettromagnetico impulsato, quindi molto condensato in tempo e di elevata potenza, su un bersaglio.

Il segnale propagandosi incide sul bersaglio: la discontinuita' dielettrica da questo rappresentata comporta che parte della potenza del segnale venga reirradiata. Se in ricezione si mette un rivelatore estremamente sensibile si e' in grado di ricevere il segnale, anche se molto debole. Elaborando il tempo necessario al segnale per andare e tornare si puo' ottenere la distanza del bersaglio; dalla differenza tra due posizioni successive si puo' inoltre ricavare la velocita' del bersaglio:

Queste percezioni di rumore sono state le prime osservazioni di fenomeni di tipo bioelettromagnetico non collegate ad un riscaldamento, perché sentire un suono non sembrava riconducibile ad un effetto termico. Trasmettendo un segnale della stessa potenza la percezione non c'era, ma cambiando la frequenza da un impulso all'altro tale cambiamento veniva percepito. Questo ha portato a ipotizzare l'esistenza di un meccanismo di percezione all'interno dell'orecchio o della testa.

Per studiare questo effetto provocato dall'esposizione ad un segnale impulsivo a microonde sono stati condotti degli esperimenti; fra gli altri si sono rivelati risolutori quelli condotti da Lin nei primi anni '80.

Il primo della serie è basato sul seguente set-up sperimentale (Fig.1): l'esperimento avviene in una camera anecoica, ossia con pareti costituite da materiale che assorbe le radiazioni elettromagnetiche nel range di frequenza delle microonde. All'esterno della stanza sono situati un generatore di segnale a microonde, un power meter e un indicatore luminoso. All'interno della stanza c'è l'operatore posto con la testa in corrispondenza di un'antenna a tromba collegata con il generatore esterno attraverso un accoppiatore direzionale. Il segnale generato dalla sorgente a microonde viene portato all'antenna attraverso l'accoppiatore direzionale che permette di conoscere la potenza trasmessa. Il segnale si propaga dall'antenna fino alla testa dell'operatore, il quale lo percepisce come un click all'interno dell'orecchio. L'operatore comunica la percezione del click tramite un interruttore collegato con l'indicatore luminoso; questa soluzione non introduce rumori o disturbi.

L' esperimento è stato ripetuto variando dei parametri, in particolare:

- la durata degli impulsi provenienti dal generatore in un range tra 1 e 32  sec;

- la potenza di picco associata al segnale nel range da 1 a 40 W/cm2;

- la potenza media associata al segnale;

- il SAR di picco (il SAR è stato calcolato utilizzando per la testa il modello sferico equivalente);

I valori scelti sono sintetizzati nella tabella che segue:

L'esperimento è stato condotto con impulsi a microonde alla frequenza di 2450 MHz; la soglia di sensibilità si raggiunge per una densità di potenza media incidente di 0.1 mW/cm².

Si può notare dalla tabella che la potenza media associata al segnale è dell'ordine delle decine di  W/cm² : stiamo analizzando campi deboli dal punto di vista termico.

La conclusione a cui si è giunti è che singoli impulsi a microonde vengono sentiti come dei click distinti originati all'interno della testa, mentre treni di impulsi come dei trilli, di tono corrispondente alla frequenza di ripetizione dell'impulso.

Conducendo lo stesso esperimento su un soggetto nel quale i neuroni sensoriali non rispondono alla frequenza di 3.5 kHz si è trovato che la potenza media richiesta per generare una risposta è circa quattro volte maggiore rispetto a quella richiesta da un soggetto sano: il neurone sensoriale danneggiato che riceve un impulso di tale frequenza non riesce a generare un impulso in uscita.

In seguito si è condotto un analogo esperimento utilizzando impulsi a microonde con caratteristiche diverse:

- frequenza compresa tra 200 e 3000 MHz;

- densità di potenza di picco dell'ordine di 0.3 W/cm2;

- densità di potenza media incidente variabile da 0.4 a 2 mW/cm2.

La frequenza di ripetizione dell'impulso varia da 200 a 400 Hz.

Da questi studi si è dedotto che in un soggetto immerso in un campo elettromagnetico a microonde, la percezione acustica del segnale si ha istantaneamente e indipendentemente dalla sua posizione nel campo.

Per approfondire queste tesi Lin ha condotto una serie di esperimenti sugli animali.

Il primo di questi ha avuto come soggetti i topi di laboratorio per verificare se anche gli animali percepivano il segnale a microonde. Dapprima sono stati addestrati dei ratti a premere un pulsante per avere il cibo solo in presenza di un impulso acustico di durata pari a 3  sec e frequenza di 7.5 KHz. Una volta che il comportamento dei topi era diventato condizionato dallo stimolo acustico, questo è stato sostituito con un impulso a microonde di 918 MHz, con densità di potenza media incidente di 15 mW/cm2 e di durata di 10  sec, proveniente da un'antenna ad apertura quadrata. Si è osservato che il comportamento dei topi in presenza del segnale a microonde e di quello acustico era lo stesso.

Per essere sicuri che il segnale percepito fosse di tipo acustico e non termico è cominciata un'altra serie di esperimenti nel 1974.

Nel primo si è studiato il comportamento di un gatto. All'animale sono stati applicati due tipi di stimoli: il primo, proveniente da un generatore di impulsi sonori, viene trasmesso attraverso gli auricolari; il secondo, di potenza nota, proviene da un generatore di segnali a microonde. Durante tutto l'esperimento viene osservata la temperatura del gatto per escludere l'insorgenza di fenomeni termici.

Il set-up sperimentale è costituito (Fig.2) da un amplificatore differenziale, un oscilloscopio per visualizzare l'andamento del potenziale, un registratore di informazione e un elettrodo, applicato al gatto al livello del cervello per registrare l'attività cerebrale (il gatto, naturalmente, è stato anestetizzato).

Confrontando i segnali misurati (Fig.3) si riscontra che il loro andamento è molto simile.

Per avvalorare queste conclusioni sono state fatte delle misure di potenziale al livello del nervo acustico: lungo il percorso uditivo si possono individuare varie aree nelle quali si possono impiantare dei microelettrodi. In particolare vengono registrate in presenza di segnale a microonde le attività elettriche neuronali in cinque livelli del sistema uditivo centrale: corteccia uditiva primaria, nucleo genicolare medio, nucleo collicolare inferiore, nucleo lemnisco laterale, nucleo olivare superiore.

Gli andamenti dei potenziali ricavati in seguito a stimolazione acustica e alle microonde sono simili e questo conferma che la percezione è effettivamente acustica e non termica.

Attraverso un esperimento analogo sono stati misurati i potenziali in corrispondenza dell'ottavo nervo del cranio e della finestra ovale della coclea di un gatto: anche in questo caso le risposte relative a stimolazione acustica ed a quella dovuta alle microonde non si differenziano.

In seguito a queste osservazioni si è supposto che il centro della percezione uditiva e del segnale a microonde è la coclea; questo è stato definitivamente confermato da un successivo esperimento su un soggetto con la coclea danneggiata, in quanto in questo caso non si è avuta nessuna risposta allo stimolo.

A questo punto ci si è chiesti in che modo le microonde possano agire sul sistema uditivo .Per meglio comprendere cio' diamo dei cenni sulla struttura e sulle funzionalita' dell'orecchio:

L'organo orecchio si divide in orecchio interno, medio ed esterno.L'orecchio esterno e' costituito dal padiglione e dal condotto uditivo esterno che raccoglie le onde sonore, termina con il timpano (la membrana che trasmette le onde dall'aria all'ambiente acquoso dell'orecchio interno). L'orecchio medio e' costituito da una catena di tre ossicini: il martello l'incudine e la staffa che va a chiudere la finestra ovale (inizio dell'orecchio interno). L'orecchio interno e' formato dal vestibolo dalla chiocciola e dai tre canali semicircolari; e' qui che si trovano l'organo del Corti e l'apparato responsabile del senso dell'equilibrio. L'organo del Corti, situato nel condotto cocleare della chiocciola, ha il compito di rilevare le vibrazioni sonore che giungono dall'esterno e trasformarle in impulsi nervosi attraverso il ganglio spirale del Corti:

Sono state fatte due ipotesi : la prima riconducibile ad un'azione di tipo elettrico, la seconda dovuta ad un effetto di pressione.

Da un confronto fra i possibili meccanismi in grado di causare la necessaria pressione è stato dimostrato che quello dell'espansione termoelastica è il più efficace, la tensione termoelastica che esso genera nel tessuto cerebrale è infatti anche migliaia di volte maggiore di quella relativa a qualunque altro fenomeno.

E' stato sviluppato un modello per effettuare studi teorici di simulazione dei segnali acustici generati nella testa di animali e di esseri umani sottoposti ad onde piane a microonde considerando la testa una sfera contenente solo materia cerebrale.

L'aumento piccolissimo ( 10-6 °C/sec), ma rapido (10 sec), di temperatura risultante dall'assorbimento dell'energia del segnale a microonde, crea un'espansione termoelastica della materia cerebrale. Questa espansione genera a sua volta un'onda acustica di pressione che viene rilevata dalle cellule cigliate nella coclea attraverso la conduttività ossea.

E' stato dimostrato che esistono infinite frequenze di risonanza corrispondenti al modo di vibrazione della sfera cranica, ma tali frequenze risultano indipendenti dal modello di assorbimento a microonde e dipendono solo dal raggio e dalle proprietà acustiche della sfera cranica.

La Fig.5 mostra la frequenza dei microsuoni cocleari misurati nei gatti e nei porcellini d'India e la frequenza fondamentale acustica calcolata. Sul grafico i simboli corrispondono ai valori misurati, mentre le curve rappresentano gli andamenti calcolati. Si vede chiaramente che esiste una convergenza tra i dati calcolati e quelli misurati.

In ascissa è riportato il raggio della sfera e in ordinata la frequenza del suono percepito. Dal grafico si ricava che, essendo la testa dell'uomo assimilabile ad una sfera di raggio pari circa a 9 cm, la frequenza corrispondente è di 8 kHz.

In particolare, le frequenze fondamentali di vibrazione sono date da:

.fc = 0.74 v/a superficie limitata

fs = 0.50 v/a superficie libera

con:

v = velocità di propagazione dell'onda acustica

a = raggio del modello sferico del cervello

Da queste relazioni si vede come la frequenza del suono percepito da un soggetto esposto ad un segnale a microonde sia indipendente dalla frequenza del segnale incidente, in quanto è funzione solo della velocità di propagazione del segnale e del raggio della sfera; osservando i microsuoni cocleari generati in seguito all'esposizione a due segnali, uno di frequenza pari a 918 MHz e l'altro di 2450 MHz, si vede che sono uguali.

In Fig.5 sono anche mostrate le capacità di risentire della fondamentale da parte di superfici libere e superfici limitate: più è piccola la testa, più sono alte le frequenze che si percepiscono.

In Fig.6 sono riportati gli andamenti dei potenziali misurati con un applicatore a contatto che viene portato nelle zone occipitale, frontale, temporale destra e sinistra e mastoidale destra e sinistra. Da questi si deduce che l'ampiezza e l'andamento nel tempo sono indipendenti dalla posizione dell'applicatore.

La frequenza percepita è indipendente dall'energia assorbita come è dimostrato da un esperimento di Tyazhelov del 1979.

Il soggetto viene posto con la testa parzialmente immersa in una vasca, riempita di una soluzione salina, e viene esposto ad un segnale di ampiezza di 50  sec; quello che si osserva è che la frequenza del suono percepito dalla persona non cambia in corrispondenza ad una maggiore o minore immersione, mentre l'intensità del suono diminuisce all'aumentare della profondità di immersione tanto è vero che quando la testa è totalmente sotto il livello dell'acqua il soggetto non sente più nulla.

Aumentando la durata dell'impulso oltre i 50  sec si osserva una perdita della percezione anche per un'immersione parziale del capo.

Le conclusioni alle quali si è giunti sono che la frequenza di percezione non dipende dalla distribuzione di energia, mentre l'ampiezza del suono udito dipende dal tasso di energia assorbita. Si comprende, ora, che in totale immersione non si percepisce nulla perchè l'energia che raggiunge la testa è molto attenuata (al di sotto della soglia di percezione), mentre la mancata percezione in corrispondenza a suoni di durata maggiore di 50  sec è dovuta al fatto che l'uomo sente bene impulsi di durata minore di 50  sec.

Riguardo la percezione acustica generata dall'esposizione ad un segnale a microonde, utilizzando per la testa il modello sferico chiuso, si ottengono da simulazioni i seguenti risultati:

 nell'uomo  

• il livello di soglia di pressione acustica richiesto per percepire il suono generato da un impulso a microonde è pari a 62 dB relativi a 0.0002(dyne/cm²) ;
• per frequenze comprese fra 6 e 14 kHz la minima pressione acustica udibile per conduzione ossea è pari a 60 dB relativi a 0.0002 dyne/cm² ;

nel gatto

•  - a frequenza di 30 kHz la minima pressione acustica udibile per conduzione ossea è 120 dB relativi a 0.0002 dyne/cm2;
• -in corrispondenza della soglia, l'ampiezza della pressione di picco è 100 dB relativi a 0.0002 dyne/cm2.

Nei dati riportati:

-si considerano livelli di pressione acustica in dB relativi alla pressione atmosferica di 20 *10^-6 N/m², relativa alla soglia di udibilita' a 1000 Hz.

-si considera valido anche per il gatto il meccanismo di conduzione ossea caratteristico dell'uomo.

In Fig.7 è riportato l'andamento calcolato dell'onda di pressione acustica in dyne/cm² nella testa di un gatto, sottoposto ad un campo a microonde di frequenza pari a 2450 MHz.

Come si osserva nel grafico la pressione acustica è maggiore al centro del cervello, in quanto qui è massima l'energia assorbita.

Misurando la pressione del suono si vede che questa inizialmente cresce con l'ampiezza dell'impulso, poi, una volta raggiunto il picco, gradualmente oscilla verso valori più bassi per successivi aumenti di ampiezza.

In Fig.8 è mostrato l'andamento della pressione acustica all'interno del cervello di un gatto, in funzione della durata dell'impulso: la curva tratteggiata rappresenta l'andamento ricavato sperimentalmente, mantenendo costanti la potenza di picco ed il tasso di ripetizione dell'impulso; la curva continua mostra l'andamento ricavato utilizzando le due relazioni:

 dove

t0 è la durata dell'impulso;

 m è la frequenza di risonanza;

v è la velocità di propagazione dell'onda acustica;

Am, Hm, U0, G sono costanti relative alle proprietà termoelastiche del

tessuto cerebrale ed al tasso di assorbimento specifico di picco (SAR).

Dalla figura si vede che le due curve non sono esattamente coincidenti, ma la correlazione è comunque evidente.

In entrambi i casi all'aumentare della durata si ha dapprima un aumento dell'ampiezza della potenza fino ad un plateau, e successivamente una oscillazione; questo è equivalente a dire che all'aumentare della durata diminuisce il SAR necessario a provocare una risposta da parte del cervello.

Le differenze nel grafico sono imputabili al fatto che nella simulazione è stato usato per la testa un modello sferico chiuso, mentre nella realtà la testa del gatto non è ne' sferica ne' chiusa.

1.1 Applicazioni

..L'analisi precedente sui fenomeni uditivi conseguenti all'esposizione alle microonde sottolinea la risposta del sistema uditivo e i meccanismi di interazione tra il segnale e il sistema stesso. I risultati che si ottengono sono molto diversi da quelli che si ottengono per irradiazione con un'onda continua, tanto che l'esposizione ad un segnale impulsato alle microonde può implicare la possibilità di interazioni neurofisiologiche.

I risultati descritti mostrano come il segnale a microonde venga percepito sia dagli animali che dagli esseri umani. Il fenomeno uditivo legato all'esposizione al segnale passa da una diretta interazione del segnale a microonde con il nervo cocleare o i neuroni a più alte strutture (il cervello) lungo il percorso uditivo centrale. L'energia dell'impulso alle microonde crea un'onda di pressione termoelastica nel tessuto cerebrale che si propaga fino ad attivare i recettori interni all'orecchio. Gli studi sulle caratteristiche di questo fenomeno hanno portato a trovare le relazioni che legano i parametri del segnale (frequenza, potenza di picco, durata dell'impulso, tasso di ripetizione) con le caratteristiche di percezione ( intensità del suono, frequenza).

Comunque rimangono ancora due domande senza una risposta.

I fenomeni uditivi dovuti a segnali alle microonde creano rischi per la salute dell'individuo?

Sotto quali condizioni l'esposizione al segnale a microonde diventa pericolosa?

Il problema si può affrontare inizialmente partendo dall'equivalenza delle risposte ai segnali a microonde e acustici e da un'osservazione dell'esposizione al suono degli esseri umani (Lin 1980).

Gli effetti noti dovuti all'esposizione di suoni si possono dividere in due tipi:

- effetti uditivi (effetti sull'udito dell'esposizione al suono);

- effetti non uditivi (reazioni fisiologiche e psicologiche).

Sfortunatamente non ci sono molti dati che riguardano gli effetti sull'udito dovuti all'esposizione alle microonde, inoltre è sconosciuta la relazione che lega l'esposizione ad un suono in aria e il suono indotto dalle microonde.

Gli effetti non uditivi sono molto simili alle risposte ad uno stress generale e possono essere individuati in dolore e stress motorio. Un senso di fastidio è il sintomo maggiormente riportato in seguito all'esposizione alle microonde. Le reazioni di fastidio sono state avvertite sia dagli uomini che dagli animali.

E' comunque improbabile che l'esposizione ad un campo con densità di potenza incidente prossima alla soglia sia pericolosa, mentre la pressione termoelastica generata da campi la cui intensità è superiore al livello di soglia è indubbiamente dannosa per gli esseri umani. I dati raccolti, comunque, non sono sufficienti per avere un quadro esauriente della situazione.

Un'applicazione interessante e potenzialmente utile della pressione termoelastica indotta dall'esposizione a microonde è stata introdotta negli anni '80.

Si è pensato di utilizzare le onde termoelastiche per creare un'immagine dei tessuti biologici. In un sistema progettato per acquisire digitalmente informazioni e per creare una proiezione dei tessuti del corpo attraverso le onde di pressione termoelastica del tessuto, si pone un array bidimensionale di trasduttori piezoelettrici vicino ad una regione del corpo, mentre una sorgente di impulsi è posizionata nella parte opposta del corpo stesso. Un prototipo con un array 20   20 di trasduttori piezoelettrici ha fornito una proiezione di ossa, muscoli ed altri materiali equivalenti ai tessuti con una risoluzione migliore del cm. In Fig.1 sono mostrati due tubi del diametro di 0.9 cm formati da materiali equivalenti al muscolo e al grasso e posti in una vasca piena di acqua. I materiali sono omogenei, le differenze di intensità che si osservano sono dovute a fenomeni di attenuazione.

La formazione di onde termoelastiche è un processo che dipende dalla temperatura, quindi un sistema che evidenzia questi fenomeni può essere utilizzato per avere un'immagine dei valori di temperatura all'interno del corpo (questa applicazione è molto utile nella cura dei tumori attraverso l'ipertermia poiché in questi casi è necessario un modello termico del corpo biologico che altrimenti si potrebbe ottenere solo con tecniche invasive attraverso l'inserimento di sonde all'interno del corpo).

2.Effetti non termici a microonde

E' dimostrato che il punto di interazione tra l'apparato acustico ed un segnale a microonde è la coclea, ma è possibile che ci sia anche una interazione a livello neurofisiologico, ossia con i neuroni ?

E' stato un interrogativo di questo tipo che ha aperto la via ad una serie di studi e di esperimenti per verificare se ed eventualmente in che modo si esplichi l'azione di un segnale a microonde su un neurone e se si tratti di un effetto termico o no.

Prima di cominciare la trattazione, vediamo brevemente le caratteristiche ed il funzionamento del neurone.

Il sistema nervoso si divide in centrale e periferico; il sistema nervoso centrale (SNC) è costituito dal cervello, dal cervelletto e dal midollo spinale. Il sistema nervoso periferico (SNP) è costituito dai nervi cranici e dai nervi spinali.

Il SNC è costituito da cellule nervose dette neuroni; il SNP non è costituito da cellule nervose, ma dai loro prolungamenti.

I neuroni "dialogano" tra loro chimicamente tramite alcune molecole dette neurotrasmettitori.

Il neurone è costituito da un corpo cellulare, detto pirenoforo, e da due tipi di prolungamenti: i dendriti e l'assone.

La zona di contatto fra due neuroni assicura la propagazione degli stimoli nervosi ed è detta sinapsi. La sinapsi, in genere, avviene al contatto tra assoni e dendriti o tra assoni e corpo cellulare.

I neuroni hanno la peculiarità di eccitarsi e quindi di trasmettere l'impulso nervoso. Nel momento in cui un neurone si attiva, il suo potenziale di membrana subisce una brusca variazione, passando da -70mV a +30mV. Quando un neurone si depolarizza, (cioè il potenziale di membrana aumenta), si genera un impulso (potenziale d'azione) che dura circa 1 msec, in questa fase la membrana diventa meno permeabile al sodio e più permeabile al potassio. Il substrato biochimico della trasmissione dei treni di impulsi nervosi è questo scambio di ioni attraverso la membrana del neurone.

Descriviamo una serie di esperimenti condotti da Lin sui neuroni di lumache per studiare gli effetti prodotti da un segnale a microonde impulsivo e modulato sull'attività dei neuroni stessi.

Il trattamento dei neuroni delle lumache dopo l'espianto è il seguente: appena prelevato, per mantenerlo in attività, il neurone viene immerso in soluzione di Ringer contenente NaCl 80 mM, KCl 4 mM, CaCl2 7 mM e MgCl2 5 mM, con pH pari a 7.4.

Il neurone viene fissato con aghi di cactus ad un disco di cera e quindi inserito in una celletta di materiale plastico, trasparente alle microonde, riempita di soluzione di Ringer. La celletta, a sua volta, viene posta all'interno di una guida d'onda, in posizione centrale.

In esperimenti di questo tipo la temperatura deve essere controllata, per questo all'esterno della cella scorre acqua, tenuta a temperatura di 21 0.1 C, da una parte all'altra della guida.

Il controllo della temperatura deve essere effettuato in quanto in letteratura si accettano come non termici effetti rilevati in condizioni nelle quali la variazione di temperatura non supera il valore di 0.1 C.

Durante l'esperimento la temperatura viene continuamente misurata attraverso una sonda in fibra ottica posta ad una distanza di 4mm dal neurone.

Come si vede dalla Fig.1a la parte superiore del tratto di guida è riempita di acqua, mentre nella parte inferiore c'è aria: questa discontinuità dà luogo ad un disadattamento che si elimina introducendo, in corrispondenza della superficie di separazione, un adattatore a  /4, costituito da uno strato di materiale dielettrico di spessore ed  r opportuni.

L'attività del neurone viene registrata con due elettrodi: uno di riferimento (inserito nel bagno) e l'altro attivo (inserito nel neurone). Gli elettrodi, formati da micropipette di vetro, sono riempiti con una soluzione 1.0 M di KCl , questo garantisce che siano minime le interferenze e le perturbazioni dovute al campo a microonde.

Il sistema di esposizione è completato da un generatore di impulsi a microonde (sorgente del segnale), un accoppiatore direzionale per rilevare la potenza trasmessa e quella riflessa, un amplificatore che riceve il segnale dall'elettrodo, lo amplifica e lo manda ad un dispositivo ad alta impedenza di ingresso che lo registra.

Il segnale inviato è modulato con portante di 2450 MHz, ha impulsi di durata pari a 10  sec e tasso di ripetizione di 100 Hz.

Il calcolo del SAR viene eseguito utilizzando la seguente espressione:

dove

• alfa = coefficiente di attenuazione della guida piena di acqua (a 2.45 GHz si ha  alfa=0.62 cm^-1);
• Pi = potenza incidente;
• Pr = potenza riflessa;
• d = distanza del neurone dalla discontinuità acqua / dielettrico;
• A = area della sezione trasversale della guida;
• ro = densità dell'acqua (1.0 g/cm³);

Negli esperimenti sono stati usati due tipi di comportamento dei neuroni: pacemaker che emette impulsi in maniera regolare nel tempo, e burst che emette due o tre impulsi, si riposa per un intervallo di tempo e quindi ricomincia.

Cominciamo a considerare gli esperimenti sui neuroni di lumaca con comportamento pacemaker. Il tempo di osservazione scelto è di 25 sec.

In primis viene analizzato l'ISI (interspike interval: tempo che intercorre tra due picchi successivi nell'attività del neurone) al variare della potenza incidente. Come si vede in Fig.2, per potenze incidenti di 0.1 W l'ISI non subisce alcuna variazione; portando la potenza incidente a 0.2 W si nota un leggero incremento e passando a un valore di 0.3 W si ha un notevole aumento della distanza fra due picchi (l'ISI supera la soglia).

Confrontando l'effetto provocato dall'esposizione di un neurone, ancora di tipo pacemaker, ad un segnale a microonde, (a frequenza di 1.5 GHz), con potenza associata di 1W, continuo o impulsato, e quello provocato da un riscaldamento, equivalente in termini di potenza, con acqua calda, si trovano dei risultati interessanti: per i due segnali a microonde, continuo e impulsato, si ha un andamento simile dell'ISI, mentre nel caso del riscaldamento si ha ancora un incremento, ma con un andamento sensibilmente diverso (come si può vedere in Fig.3). Questo significa che un segnale a microonde influenza l'attività di un neurone, ma lo fa in modo diverso rispetto ad un fenomeno termico.

Lo stesso confronto è stato effettuato su neuroni di tipo burst e i risultati sull'IBI (interburst interval) sono stati analoghi, (Fig.4).

Diminuendo la potenza associata al segnale a microonde (0.5 W) e ripetendo l'osservazione si vede che si ha un'interruzione dell'attività del neurone, mentre nel caso del riscaldamento si ha un aumento dell'attività (Fig.5): questo avvalora la tesi di un effetto non termico, dato che i due comportamenti sono opposti fra loro.

A questo punto si presenta l'esigenza di capire in che modo il campo elettromagnetico agisce sul neurone.

Consideriamo, allora, una prova che dimostra che un flusso di corrente attraverso un neurone determina una variazione della sua frequenza di funzionamento.

Consideriamo due casi: nel primo si applica, attraverso un microelettrodo, una corrente di 1nA e si ottiene una densità di corrente di 3 10^-6A/cm² :

nel secondo caso si applica un segnale a microonde e si ottiene una corrente di spostamento di 3mA/cm²

 Come si vede, la densità di corrente che si trova nel secondo caso è di circa tre ordini di grandezza maggiore e questo rapporto (di maggiorazione) aumenta all'aumentare della frequenza del segnale.

Per determinare una relazione di tipo dose/effetto tra la potenza incidente e gli effetti conseguenti sul neurone, Seeman ha condotto una serie di studi i cui risultati possono essere sintetizzati nel grafico riportato in Fig.6; Seeman ha effettuato una valutazione dell'andamento della frequenza di firing di un neurone di tipo pacemaker al variare del SAR a cui è sottoposto e della durata degli intervalli di esposizione. In figura sono riportati in ascissa i valori di SAR incidente (0 80 mW/kg) ed in ordinata le frequenze di firing; i valori delle frequenze sono normalizzati al valore precedente alla irradiazione. I punti individuati dai simboli ( ,  ) rappresentano delle misure sperimentali, in particolare i triangolini corrispondono a misure effettuate durante i primi 10 20 secondi di esposizione, mentre i cerchietti a misure effettuate nei 20 30 secondi successivi. Le due curve riportate in figura derivano da interpolazioni.

Dal grafico si deduce che nel primo intervallo di osservazione, e quindi nei primi istanti di esposizione, il neurone ha una sensibilità minore per le microonde rispetto al secondo intervallo, tanto è vero che la frequenza non subisce grosse variazioni rispetto alla situazione di assenza di segnale; nel secondo intervallo, invece, si manifesta una diminuzione di frequenza e all'aumentare del SAR si può anche giungere a rendere silente il neurone, cioè bloccare la sua attività.

I risultati di Seeman sono in accordo con quelli di Lin, cioè che l'esposizione di un neurone ad un segnale a microonde ne causa una diminuzione dell'attività di firing, ed in più hanno dimostrato che gli effetti risultano accentuati all'aumentare del SAR incidente e della durata dell'esposizione.

Lin non si è limitato ad analizzare le variazioni dell'ISI in un neurone in presenza di un segnale a microonde, ma ha approfondito gli aspetti riguardanti il potenziale di membrana, il potenziale di soglia per l'attivazione del neurone e la resistenza di membrana, in una serie di esperimenti su neuroni di lumaca.

Facciamo una premessa di carattere generale. Quasi tutti gli esperimenti che trattiamo sono stati     condotti nello stesso modo: in un primo intervallo di osservazione si ha una fase di controllo durante la quale si rileva l'andamento delle grandezze di interesse prima dell'esposizione al segnale a microonde, seguono, poi, una o più fasi in cui si osservano le stesse grandezze dopo l'applicazione del segnale, ad esempio dopo 10, 20 ... minuti dall'inizio della esposizione, infine si effettua un'altra misura al termine dell'esperimento, quando il sistema viene riportato alla condizione iniziale.

Analizziamo in dettaglio gli esperimenti di Lin e vediamo le conclusioni a cui è giunto.

Consideriamo un neurone di lumaca in cui, per applicazione di un segnale a microonde di frequenza pari a 2450 MHz, scorre una corrente di 1nA. Il SAR è abbastanza elevato, essendo pari a 12.9W/kg. Nell'esperimento si rilevano gli andamenti del potenziale di membrana e dell'attività spontanea. Le misure vengono fatte prima dell'esposizione, dopo 30 e dopo 60 minuti di esposizione e, infine, dopo che il bagno è stato portato alla temperatura di 20 C. La temperatura di partenza è pari a 8 C. I risultati sono riportati nei grafici di Fig.7; come si vede sono presenti tre tracce: la traccia superiore rappresenta la corrente imposta dall'esterno (scorre nel neurone a causa del segnale a microonde applicato), quella intermedia rappresenta l'attività spontanea del neurone mentre la traccia inferiore rappresenta il potenziale di membrana.

Si osserva, (B), che dopo 30 minuti di esposizione l'attività spontanea del neurone presenta un andamento discontinuo rispetto alla fase di controllo, nel senso che gli intervalli tra picchi successivi hanno durata molto diversa. Dalla seconda osservazione (dopo 60 minuti di esposizione), si riscontra una notevole diminuzione dell'attività, (C), che poi torna ad aumentare al termine dell'esperimento, come si vede dall'ultima osservazione, (D).

Per quello che riguarda il potenziale di membrana si trova che l'andamento si mantiene pressochè inalterato in tutte le fasi.

Lo stesso esperimento viene condotto in condizioni leggermente diverse: il neurone, ancora a comportamento di tipo pacemaker, viene portato dapprima alla temperatura di 20 C; la particolarità della situazione è che a questa temperatura il neurone presenta un'attività spontanea caratteristica di un neurone di tipo burst, come si vede nella figura 8A.

Successivamente la temperatura viene diminuita fino ad 8  C e l'attività ritorna di tipo firing (figura 8B).

Dopo 30 e 60 minuti di esposizione si rileva una diminuzione progressiva dell'attività che però non arriva all'interruzione (figure 8B e 8C).

Infine è stato effettuato un altro esperimento analogo ai primi due che però viene condotto alla temperatura di 21 C e i cui risultati sono riportati in Fig.9. In questo caso è stata rilevata l'attività spontanea del neurone prima dell'esposizione, dopo 30 e dopo 60 minuti di irradiazione, e 60 minuti dopo il termine della irradiazione. Anche qui si nota una riduzione progressiva dell'attività durante l'esposizione ed una ripresa al termine.

Si ha una conferma: applicando un segnale a microonde con un SAR elevato ad un neurone, a temperatura controllata, si ottiene una riduzione dell'attività di firing. E' tuttavia possibile che all'interno del neurone si crei un gradiente di temperatura, anche se globalmente la cellula non si scalda, come è confermato proprio dal fatto che il firing non aumenta.

Quindi potremmo trovarci in una situazione contraddittoria: gli esperimenti, sebbene siano condotti a temperatura controllata, possono poi dare luogo anche ad effetti termici non misurabili direttamente.

Per superare la contraddizione si può

- ridurre la potenza delle radiazioni: così facendo gli effetti termici diventano trascurabili;

- lavorare in vivo, per confermare a livello macroscopico i risultati ottenuti su scala microscopica a temperatura controllata.

Vediamo un esempio di esperimento effettuato in queste condizioni; si tratta di un esperimento comportamentale sulle lumache: le lumache vengono poste al centro di una piastra calda, ma, infastidite dal calore, si spostano sul bordo, dove la piastra è meno calda. Se nella stessa condizione le lumache vengono irradiate con un segnale a microonde si vede che cominciano a spostarsi dopo un tempo più lungo: questo conferma che le microonde agiscono sui neuroni riducendone l'attività, infatti la lumaca impiega più tempo a reagire al calore.

In tutti questi esperimenti si è sempre utilizzato un segnale a microonde impulsato; per verificare che non ci fosse un fenomeno di sincronizzazione a tale segnale all'interno della cellula gli esperimenti sono stati ripetuti servendosi di un segnale a microonde modulato con un rumore bianco.

Per un esperimento di questo tipo, in Fig.10 è riportata l'attività spontanea di un neurone pacemaker (SAR= 6.8 W/kg)

• prima di applicare il segnale (A),
• dopo 16 minuti di esposizione, ossia quando è stato notato il primo cambiamento nell'attività (B),
• dopo 60 minuti di esposizione (C).

I risultati sono analoghi a quelli già trovati: il segnale a microonde provoca la diminuzione dell'attività del neurone.

A questo punto ci si può domandare dove si esplica l'azione delle microonde nel neurone. Per rispondere a questa domanda bisogna scendere ancora nella scala biologica. A questo proposito introduciamo il modello di Hodgkin e Huxley che descrive la generazione del potenziale d'azione in un'area di membrana eccitabile.

Gli esperimenti su cui tale modello è basato sono stati condotti su segmenti isolati di assone gigante di calamaro, utilizzando la tecnica del "voltage clamp". L'assone di calamaro per le sue dimensioni (arriva fino a 0.8 mm di diametro) è facilmente manipolabile. L'apparato sperimentale è il seguente

Il segmento di assone è circondato da un elettrodo a manicotto e vi è introdotto assialmente un sottile filo di platino. In questo modo, quando la fibra è stimolata e si genera il potenziale d'azione, in tutte le sezioni si hanno le stesse variazioni del potenziale e si evita la propagazione dell'impulso. La preparazione consente di controllare il potenziale V di membrana e di misurare la corrente che la attraversa mediante un sistema a controreazione in cui Vc è il segnale di riferimento ed il potenziale di membrana è la variabile controllata.

L'andamento che si ricava per la corrente risulta dalla composizione di due componenti: la prima dovuta a ioni sodio (Na+) che fluiscono verso l'interno della cellula, la seconda dovuta a ioni potassio (K+) che fluiscono verso l'esterno.

L'andamento del potenziale d'azione può calcolarsi assumendo per la corrente andamenti impulsivi di varie ampiezze oppure ponendo I=0 ed assegnando opportuni valori alla depolarizzazione iniziale V0.

In realtà il modello del neurone utilizzato è più complesso di quello di Hodgkin e Huxley appena visto, in quanto contiene un numero di canali maggiore.

Per ogni canale si ha una resistenza variabile, funzione della corrente (che scorre nel canale) e della differenza di potenziale esistente fra interno ed esterno. I canali sono tutti collegati fra loro.

Lo schema circuitale della membrana neuronale è riportato in Fig. 11.a e si ha:

Ic: corrente capacitiva che, in alta frequenza, attraversa la capacità di membrana Cm;

INa: corrente dovuta al flusso del sodio;

ICa: corrente dovuta al flusso del calcio;

IKK: corrente dovuta al flusso del potassio transiente;

IKa: corrente dovuta al flusso del potassio ritardato;

IKc: corrente dovuta al flusso del potassio attivato dal calcio;

IPm: corrente di pacemaker, genera il firing del neurone.

In figura sono anche indicati i punti in cui si ipotizza che agisca il campo elettromagnetico: sulla capacità di membrana Cm, modificando la posizione dei fosfolipidi, e sulle correnti ICa e IB.

I canali sono controllati dalla concentrazione degli ioni calcio contenuti all'interno della membrana, ma tale concentrazione dipende a sua volta dalle correnti entranti; allora esiste un meccanismo di controreazione che caratterizza il comportamento della membrana, come schematizzato in Fig. 11.b. Si tratta di un modello dinamico: ICa , IP e IB sono controllate dalla concentrazione di ioni calcio. La corrente somma delle tre correnti passa attraverso un blocco Kin (di proporzionalità, ossia un moltiplicatore) e arriva in ingresso alla catena di controreazione; il blocco di azione diretta è costituito da un integratore. In uscita dal sistema c'è la concentrazione del calcio che viene presa, confrontata con il valore iniziale [Ca]0 e la differenza fra i due valori viene portata al blocco di controreazione Kout, infine il risultato viene confrontato con

.

Se [Ca] cambia rispetto al valore iniziale [Ca]0, per l'azione di un campo elettromagnetico, l'effetto risultante viene integrato e regolato fornendo un nuovo valore di [Ca] il più possibile prossimo a quello iniziale.

Attraverso il modello si può simulare al computer il comportamento della membrana, in particolare in Fig.12 è riportata la simulazione dell'attività di firing a due diverse temperature, 10 C e 20 C. Si vede che alla temperatura maggiore è maggiore la frequenza degli impulsi, cioè è minore l'ISI, ed è minore il valore di picco degli impulsi, VPPO, che passa da  30 mV a  20 mV. Il risultato della simulazione è quindi coerente con le osservazioni sperimentali fatte precedentemente.

L'aumento della frequenza di firing all'aumentare della temperatura è riportato in Fig.13: i valori misurati sperimentalmente sono quelli indicati con il simbolo del quadratino, la curva si ottiene da una interpolazione dei dati.

Ancora attraverso una simulazione è stata ricavata la caratteristica I-V di un neurone di lumaca sottoposto ad un campo elettromagnetico, il cui andamento è rappresentato in Fig.14.

Tale andamento è stato confrontato con i dati sperimentali che si ottengono facendo scorrere una corrente di valore noto attraverso il neurone ed andando poi a misurare la tensione che si stabilisce ai capi della membrana: si riscontra un sostanziale accordo nei risultati e ciò conferma l'adeguatezza del modello adottato.

La caratteristica in questione è fortemente non lineare, nella zona compresa tra -40 e -30 mV si ha una resistenza negativa.

Finora abbiamo sempre analizzato il comportamento del neurone in termini di potenziale di membrana e di corrente che scorre attraverso la membrana.

Se si fa scorrere nel neurone una corrente Iapp e si va a misurare la differenza di potenziale che si stabilisce fra l'interno e l'esterno,  V, si può definire la resistenza di membrana come

Andiamo allora a vedere i risultati degli esperimenti descritti finora in termini di resistenza di membrana. Cominciamo considerando un neurone di lumaca esposto ad un segnale a microonde modulato con un rumore bianco; i risultati sono riportati in tabella 2. Lo studio del comportamento neuronale è complicato da fattori aleatori, perciò ciascun valore è espresso indicandone il valor medio e l'errore standard.

Si nota che

- dopo 30 minuti di esposizione la variazione della resistenza di membrana è piccolissima ( R=0.3 0.2), mentre il potenziale rimane inalterato;

- dopo 60 minuti di esposizione si ha una variazione della resistenza più accentuata ) ed in questo caso si ha anche una piccola ma significativa variazione del potenziale di membrana.

L'esperimento è stato ripetuto con due valori diversi di potenza incidente ( SAR pari a 14.4 W/kg e 6.8 W/kg).

Finora abbiamo ottenuto due risultati dall'esposizione di un neurone ad un campo a microonde: la riduzione dell'ISI, quindi la diminuzione dell'attività di firing, e la variazione della resistenza di membrana.

C'è però un altro risultato da considerare che non abbiamo ancora trattato: in tutti gli esperimenti non si verifica nessuno degli effetti visti se all'interno del neurone viene mantenuta costante la concentrazione del calcio.

Consideriamo i grafici 15.a e 15.b: si tratta di grafici derivati dal modello precedentemente descritto, nei quali è riportata l'influenza della concentrazione di calcio intracellulare sul comportamento della membrana neuronale in termini, rispettivamente, di resistenza (di membrana) e di attività di firing.

Consideriamo il grafico 15.a:

Passiamo ad analizzare il grafico 15.b):

In conclusione possiamo asserire che l'esposizione di un neurone alle microonde rallenta l'attività di firing, ma l'attività di firing viene diminuita dall'aumento della concentrazione del calcio, allora il campo a microonde sembra aumentare la concentrazione del calcio, quindi sembra ridurre la resistenza di membrana e l'attività di firing; in contrasto, l'incremento di temperatura fa aumentare l'attività di firing.

Per gli esperimenti sui neuroni è anche possibile effettuare un'analisi di tipo statistico dei risultati che si ottengono.

Consideriamo un esperimento condotto da Bernardi, D'Inzeo, Pisa e Lin nell'ambito di uno studio sugli effetti causati da un segnale a microonde modulato sull'attività delle cellule neuronali di un lumaca.

Il neurone è sottoposto ad un'onda PAM, (impulsi rettangolari, modulati in ampiezza), con frequenza della portante di 2.45GHz, durata dell'impulso pari a

10  sec, tasso di ripetizione di 100 Hz e potenza trasmessa (Pi -Pr) pari a 6W. Facendo riferimento alla espressione del SAR data in precedenza, si trova un valore del SAR di 174 mW /g.

Ogni esperimento è stato diviso in tre fasi e, in corrispondenza, il periodo di osservazione in tre intervalli di tempo:

- 30 minuti per il controllo (prima dell'esposizione),

- 40 minuti per l'esposizione,

- 30 minuti per riportare il neurone allo stato iniziale.

Attraverso un computer vengono analizzati l'ISI e la tensione di soglia necessaria a generare l'impulso (VT).

In Fig.16 è riportato l'andamento del potenziale di membrana con indicati l'ISI, VT, Vmax e Vmin.

Vmax e Vmin sono, rispettivamente, i valori massimo e minimo del potenziale di membrana durante un impulso.

VT e l'ISI sono caratterizzati dal valor medio (M), dalla deviazione standard (varianza, SD), dalla funzione densità di probabilità (PDF) e dall'autocorrelazione (AC).

Ponendo Tj la grandezza di interesse, VT o l'ISI, ed N pari al numero di campioni che si considerano, si può scrivere

La PDF viene stimata con istogrammi ottenuti dividendo le sequenze in classi di uguale lunghezza. Per studiare gli effetti delle microonde sull'attività neuronale sono stati comparati gli istogrammi relativi all'intervallo di controllo con quelli dell'esposizione e della ripresa usando il test di Kolmogorov-Smirnov. Questo metodo converte una sequenza di valori dei dati in uno stimatore della distribuzione di probabilità, la funzione di distribuzione cumulativa (CDF), e valuta il parametro D, definito come il massimo valore della differenza, in valore assoluto, tra due funzioni di distribuzione cumulative CDF1 e CDF2.

La funzione di probabilità QKS( ) si può ottenere come

Se QKS( ) è minore di 0.05 le due distribuzioni si considerano significativamente differenti.

L'autocorrelazione si stima con la funzione

R(n) è il coefficiente di correlazione, normalizzato al valore massimo 1 per n=0; se R(n)=0 significa che non c'è correlazione

In Fig. 17.a) sono riportati gli andamenti della tensione di soglia VT, dei potenziali di membrana massimo (Vmax) e minimo (Vmin) in funzione del tempo, per ciascuna delle tre fasi di osservazione.

In Fig.17.b) è invece riportato l'andamento dell'ISI al variare del tempo.

Si può osservare che il valore del potenziale d'azione (Vmax-Vmin) si mantiene costante durante l'esperimento. Questo significa che il neurone è rimasto in vita per più di 100 minuti dopo l'applicazione del microelettrodo.

Per ogni intervallo di osservazione sono stati ricavati gli istogrammi di VT e dell'ISI considerando 300 campioni; ad esempio in Fig. 18.a) è riportato l'istogramma relativo all'ISI per la fase di controllo ed in Fig.18.b) c'è la sua distribuzione complessiva.

L'esperimento è stato ripetuto tre volte ed i risultati ottenuti sono riportati in tabella 1.

TAB.1

Analizziamo dapprima il comportamento dei parametri che caratterizzano VT ed in seguito quello dei parametri caratteristici dell'ISI.

  caratterizzazione di VT

- Durante la fase di esposizione la deviazione standard (SD) aumenta rispetto al valore assunto nella fase di controllo ed è maggiore del valore che si trova per il recupero;

- il valor medio M non subisce apprezzabili variazioni;

- nella fase di esposizione, gli istogrammi subiscono un'alterazione della forma, tendendo ad assumere un andamento più simmetrico alle estremità (laterali). Durante l'esposizione l'emissione dell'impulso in alcuni casi può essere anticipata; facendo riferimento al test di Kolmogorov e Smirnov, i valori del parametro D nelle ultime due fasi sono molto significativi, in quanto risulta p<0.001; quindi non è possibile attribuire in modo inequivocabile l'effetto sulla distribuzione di VT all'esposizione alle microonde, in quanto questo potrebbe essere dovuto ad uno shift del valore di VT durante gli esperimenti, tale da indurre non stazionarietà nei dati;

- per quello che riguarda il fattore di correlazione H si nota un sostanziale incremento nella fase di esposizione ed un ritorno al valore di partenza nella successiva fase in cui è cessata l'irradiazione. In particolare, negli esperimenti 2 e 3, H risulta non significativo, (p>0.05), nelle fasi di controllo e di ripresa, ma diviene significativo, (p<0.05), durante l'esposizione. Allora l'esposizione alle microonde sembra indurre un incremento reversibile nel parametro H e ciò suggerisce un aumento di correlazione tra le sequenze di VT.

  caratterizzazione dell'ISI

- La deviazione standard (SD) ha un comportamento diverso nei tre esperimenti: nel primo si ha una diminuzione dalla fase di controllo alla esposizione e un successivo aumento nella ripresa, fase in cui assume proprio il valore massimo; nel secondo si ha ancora una diminuzione dalla fase di controllo alla fase di esposizione, ma nella fase di ripresa continua la diminuzione; nel terzo caso, infine, si ha un aumento nella fase di esposizione, rispetto alla fase di controllo, e poi una diminuzione nella ripresa;

- il valor medio (M) nei primi due esperimenti aumenta progressivamente dalla fase di controllo a quella di esposizione e infine a quella di ripresa, mentre nell'ultimo caso diminuisce progressivamente nelle tre fasi successive;

- i valori di D indicano che nell'istogramma non esistono alterazioni attribuibili all'esposizione alle microonde;

- i valori assunti dal coefficiente di correlazione H sono diversi per ogni esperimento e queste differenze non sono prodotte dalle microonde.

Da tutto ciò si deduce che un'onda PAM ha un effetto rilevante sull'andamento di VT, mentre, praticamente, non ha influenza sull'ISI. Per spiegare questo consideriamo quali sono i parametri fisiologici che governano le due grandezze considerate: l'ISI è condizionato da tutti i canali ionici, da varie proteine intracellulari, dalle sinapsi e dalla temperatura; VT è controllato solo dal canale del sodio e dalla temperatura. Allora una perturbazione esterna, quale è un campo a microonde, può alterare più facilmente l'andamento di VT (che dipende da pochi parametri) che quello dell'ISI.

In conclusione, gli studi sperimentali sui neuroni di lumaca hanno dimostrato che in seguito ad una esposizione ad un'onda PAM (con frequenza della portante di 2.45 GHz , durata degli impulsi di 10 sec, tasso di ripetizione di 100 Hz, SAR medio di 174mW/g) si ha un'alterazione reversibile del potenziale di soglia.

Dato che VT dipende dal comportamento del canale del sodio, un possibile meccanismo per spiegare questo effetto potrebbe riguardare l'azione dei campi a microonde sui canali del sodio nella membrana neuronale. Un altro meccanismo possibile potrebbe essere anche un effetto microtermico di espansione termoelastica .

E' in fase di studio un modello stocastico-elettrofisiologico dell'attività della membrana neuronale, comprendente numerosi canali ionici e la dipendenza di questi dalla temperatura, per verificare proprio queste ipotesi di funzionamento.

Il funzionamento dei neuroni di tipo pacemaker è analogo a quello delle cellule cardiache che sono comandate da un motoneurone.

Alla luce di questo ci si è posti il problema se un campo a microonde possa agire sulle cellule cardiache come fa sui neuroni.

Presso l'Università di Palermo è stata condotta una serie di esperimenti proprio per analizzare le variazioni del battito cardiaco in presenza di un segnale a microonde. Si tratta di esperimenti in vitro su cuori di embrioni di pulcino; il cuore è mantenuto in una soluzione di nutrimento che gli consente di battere pur essendo staccato dal sistema nervoso centrale, quindi conserva le sue caratteristiche fisiologiche, ma non ha un'autonomia completa.

In Fig.19 è mostrato il set-up sperimentale costituito da:

- due contenitori: il più esterno (un termoregolatore) è riempito con acqua; per mantenere il liquido a temperatura costante si fa passare del vapore in tubi immersi nel contenitore; nel più interno è contenuto il cuore immerso in soluzione di Ringer;

- un radiatore a microonde il cui campo elettrico è diretto dal conduttore interno a quello esterno di un cavo coassiale: come si vede dalla figura i due conduttori sono allargati per ottenere un adattamento di impedenza tra il cavo e l'oggetto;

-un elettrodo di carbonato di teflon immerso in una micropipetta introdotta all'interno del cuore per misurare la variazione di potenziale che si manifesta ai capi del sistema. Viene utilizzato il teflon carbonato (materiale a bassa conducibilità) per evitare di trasferire corrente all'interno del cuore attraverso l'elettrodo; inoltre l'elettrodo viene posto in posizione verticale, ossia perpendicolare al campo (orizzontale).

Gli andamenti del battito cardiaco possono essere ottenuti con un modello elettrico simile a quello del neurone: si considerano 9 canali e si accentra l'attenzione specialmente su quello per l'assunzione del calcio.

L'esperimento è anche descritto dallo schema a blocchi di Fig.20; si nota come diversi blocchi sono completamente controllati dal calcolatore quali il generatore del segnale a microonde e il sistema di termoregolazione.

La registrazione del battito cardiaco riportata dall'oscilloscopio è visualizzata in Fig.21.a), mentre in Fig.21.b) si trovano gli andamenti delle frequenze del segnale modulante e del battito (fi).

Fig.19

Dopo 20 minuti dall'inizio dell'esperimento viene inviato un segnale a microonde modulato con impulsi rettangolari di durata di circa 200  sec.

In Fig.21.a) si vede che dopo circa 10 secondi il battito cardiaco tende ad uniformarsi con il segnale (sincronizzazione) e riesce a seguirlo per circa 4 minuti, quando si sgancia a causa dalla fatica (disincronizzazione). La stessa considerazione si può fare osservando la Fig.21.b) dalla quale si deduce che nei primi 10 secondi l'andamento della frequenza del battito è sostanzialmente diverso da quello del segnale; nei successivi 4 minuti, invece, si ha una uniformità dei due andamenti. Quando il cuore si sgancia la frequenza dei battiti torna all'andamento iniziale.

Lo stesso fenomeno di disincronizzazione si ha quando viene interrotto l'invio del segnale a microonde, in questo caso il cuore non pulsa più alla frequenza che era stata imposta dal segnale a microonde.

 .

Nei grafici in Fig.22 sono descritti i risultati relativi ad un altro studio condotto sul cuore dei pulcini: il segnale ha una frequenza di 2.45 GHz ed è modulato con impulsi rettangolari; l'esperimento è condotto a temperatura costante ed ha una durata di 45 sec. Il cuore viene prima esposto al segnale modulante e dopo 30 sec viene applicato anche il segnale a microonde. Dal primo grafico si vede come il battito cardiaco sia regolare all'inizio dell'esperimento quando il cuore, non essendo affaticato, segue la sincronizzazione imposta; dopo 15 sec dall'applicazione del segnale modulante il cuore entra in aritmia e ne esce solo dopo 6-7 sec dall'applicazione del segnale a microonde; a questo punto il battito cardiaco torna ad essere regolare. Il ritorno ad una condizione di normalità per il cuore sembra essere correlata con la presenza del segnale a microonde.

Un'altra considerazione si può fare osservando il grafico 22.b): in corrispondenza dell'aritmia è presente anche un aumento del rumore associato al segnale cardiaco. In Fig.22.d) è evidenziato il momento in cui il segnale alle microonde e quello cardiaco si sincronizzano (1:33:07); lo stesso fenomeno è anche descritto in Fig.23: il primo grafico rappresenta il battito cardiaco, ottenuto tramite simulazione al computer, e un segnale impulsivo con frequenza di 1 Hz, mentre nel secondo è evidenziato l'andamento della frequenza e si nota chiaramente come dopo 10 sec le due frequenze coincidano.

In Fig.24 viene descritto il comportamento del battito quando il segnale al quale il cuore viene esposto ha una frequenza variabile: si nota come il cuore, dopo un primo periodo, si sincronizza con il segnale, ma non riesce a mantenere tale sincronizzazione all'aumentare dalla frequenza.