Введение

БИОМАГНЕТИЗМ – это магнитные поля биологических объектов. Жизнедеятельность любого организма сопровождается протеканием внутри него очень слабых электрических токов – биотоков (они возникают как следствие электрической активности клеток, главным образом мышечных и нервных). Биотоки порождают магнитное поле с индукцией 10-14-10-11 Тл, выходящее и за пределы организма. Его называют б и о м а - г н и т н ы м. Измерение биомагнитного поля и получение на этой основе информации о генерирующих его биотоках составляют метод и предмет возникшего в 70-х гг. 20 века направления исследований, получившего наименование “биомагнетизм”, в отличие от магнитобиологии, изучающей воздействие магнитного поля на живые организмы.

В конце 1960-х годов развитие физики сверхпроводимости привело к созданию нового измерительного прибора, получившего название сквид. Сквид представляет собой чувствительный элемент магнитометров, применяемых для измерения магнитного поля и, следовательно, таких физических величин, как электрический ток, магнитная восприимчивость, перемещение магнетика и т.п. Чувствительность этих новых приборов по крайней мере в 1000 раз выше, чем у лучших несверхпроводниковых магнитометров. Для поддержания сверхпроводящего состояния, которое возможно при очень низкой температуре, сквид помещают в сосуд Дьюара с жидким гелием (с обнаружением в 1986 году оксидных высокотемпературных сверхпроводников появилась принципиальная возможность создания “азотных” сквидов, работающих при температуре 77 К). Если стенки сосуда металлические, то возникающие в них токи искажают магнитные поля от источников, находящихся снаружи. В последнее время разработаны специальные диэлектрические сосуды Дьюара из стеклопластика. В них сквид или его специальное входное устройство из сверхпроводящей проволоки (так называемый трансформатор магнитного потока) размещены всего лишь в сантиметре от наружной стенки сосуда и могут без искажений воспринимать магнитное поле от внешнего источника, находящегося при комнатной температуре.

Такой прибор (сквид-магнитометр) очень быстро нашел применение для измерения магнитных полей, порождаемых живыми организмами, и прежде всего человеком. Стала развиваться новая область исследований, основанных на анализе информации, поставляемой этими слабыми полями, и получившая наименование биомагнетизма в отличие от магнитобиологии, занимающейся изучением влияния сильных магнитных полей на биопроцессы. Резкое увеличение чувствительности магнитометров, достигнутое благодаря сквиду, практически открыло биомагнетизм. Биомагнитные сигналы очень слабы, и их измерение представляет собой непростую физическую задачу. Прежде всего это объясняется высоким уровнем магнитных шумов в окружающем нас

пространстве (рис. 1). Без применения специальных мер защиты от них проведение биомагнитных измерений невозможно.

Большинство исследований сердца, плода, скелетных мышц, глаза, сетчатки глаза, магнитных загрязнений легких, постоянных токов в коже человека и т.п. возможны только в условиях тщательного экранирования от “шумовых” магнитных полей самой различной природы. Существуют разные способы подхода к устранению влияния шумов. Наиболее радикальный — создание сравнительно большого объема (комнаты), в котором магнитные шумы резко уменьшены с помощью магнитных экранов. Для наиболее тонких биомагнитных исследований (на мозге) шумы необходимо снижать примерно в миллион раз, что может быть обеспечено многослойными стенками из магнитомягкого ферромагнитного сплава (например, пермаллоя). Экранированная комната—дорогостоящее сооружение, и лишь крупнейшие научные центры могут позволить себе ее сооружение. Количество таких комнат в мире в настоящее время исчисляется единицами.

Есть и другой, более доступный способ ослабить влияние внешних шумов. Он основан на том, что в большинстве своем магнитные шумы в окружающем нас пространстве порождаются хаотическими колебаниями (флуктуациями) земного магнитного поля и промышленными электроустановками. Вдали от резких магнитных аномалий и электрических машин магнитное поле хотя и флуктуирует со временем, но пространственно однородно, слабо меняясь ни расстояниях, сравнимых о размерами человеческого тела. Собственно же биомагнитные поля быстро ослабевают при удалении от живого организма. Это означает, что внешние поля, хотя и намного более сильные, имеют меньшие градиенты (т.е. скорость изменения с удалением от объекта), чем биомагнитные поля.

Приемное устройство прибора со сквидом в качестве чувствительного элемента изготовляется так, что оно чувствительно только к градиенту магнитного поля, - в этом случае прибор называют градиометром. Однако, часто внешние (шумовые) поля обладают все же заметными градиентами, тогда приходится применять прибор, измеряющий вторую пространственную производную индукции магнитного поля — градиометр второго порядка. Такой прибор можно применять уже в обычной лабораторной обстановке. Но все же и градиометры предпочтительно применять в местах с «магнитно-спокойной» обстановкой, и некоторые исследовательские группы работают и в специально сооружаемых немагнитных домах в сельской местности.

В настоящее время интенсивные биомагнитные исследования ведутся как в магнитоэкранированных комнатах, так и без них, с применением градиометров. В широком спектре биомагнитных явлений есть много задач, допускающих разный уровень ослабления внешних шумов.

Природа биомагнитных полей

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

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