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Die ständig steigende Nachfrage nach mobiler Telefonkommunikation hat zur kontinuierlichen Entwicklung drahtloser Technologien (G) geführt, die unterschiedliche Auswirkungen auf biologische Systeme haben können. Um dies zu testen, setzten wir Ratten zwei Stunden lang einem elektromagnetischen Feld (EMF) der 4G-Langzeitevolution (LTE)-1800-MHz-Variante aus. Anschließend untersuchten wir die Wirkung einer durch Lipopolysaccharide induzierten akuten Neuroinflammation auf die räumliche Abdeckung der Mikroglia und die elektrophysiologische neuronale Aktivität im primären auditorischen Kortex (ACx). Der durchschnittliche SAR-Wert im ACx beträgt 0,5 W/kg. Multi-Unit-Aufzeichnungen zeigen, dass LTE-EMF eine Verringerung der Intensität der Reaktion auf reine Töne und natürliche Lautäußerungen sowie eine Erhöhung der akustischen Schwelle für niedrige und mittlere Frequenzen auslöst. Die Iba1-Immunhistochemie zeigte keine Veränderungen im von Mikrogliakörpern und -fortsätzen abgedeckten Bereich. Bei gesunden Ratten führte die gleiche LTE-Exposition nicht zu Veränderungen der Reaktionsintensität und der akustischen Schwellen. Unsere Daten zeigen, dass eine akute Neuroinflammation sensibilisiert Neuronen auf LTE-EMF, was zu einer veränderten Verarbeitung akustischer Reize in ACx führt.
Die elektromagnetische Umgebung der Menschheit hat sich in den letzten drei Jahrzehnten aufgrund der kontinuierlichen Verbreitung der drahtlosen Kommunikation dramatisch verändert. Derzeit nutzen mehr als zwei Drittel der Bevölkerung Mobiltelefone. Die flächendeckende Verbreitung dieser Technologie hat Bedenken und Debatten über die potenziell gefährlichen Auswirkungen gepulster elektromagnetischer Felder (EMF) im Hochfrequenzbereich (HF) ausgelöst, die von Mobiltelefonen oder Basisstationen ausgestrahlt werden und die Kommunikation verschlüsseln. Dieses Problem der öffentlichen Gesundheit hat eine Reihe von experimentellen Studien inspiriert, die sich mit der Untersuchung der Auswirkungen der Hochfrequenzabsorption in biologischem Gewebe befassen1. Einige dieser Studien untersuchten Veränderungen der neuronalen Netzwerkaktivität und der kognitiven Prozesse angesichts der Nähe des Gehirns zu HF-Quellen bei der allgegenwärtigen Nutzung von Mobiltelefonen. Viele veröffentlichte Studien befassen sich mit den Auswirkungen pulsmodulierter Signale, die im Global System for Mobile Communications (GSM) der zweiten Generation (2G) oder im Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA)/Universal Mobile Telecommunications Systems der dritten Generation (WCDMA/3G UMTS) verwendet werden2,3,4,5. Über die Auswirkungen von Hochfrequenzsignalen Generation (4G), die auf einer vollständig digitalen Internetprotokolltechnologie namens Long Term Evolution (LTE)-Technologie basieren. Der 2011 eingeführte LTE-Mobilfunkdienst wird im Januar 2022 voraussichtlich 6,6 Milliarden LTE-Abonnenten weltweit erreichen (GSMA: //gsacom.com). Im Vergleich zu GSM- (2G) und WCDMA-Systemen (3G), die auf Einzelträgermodulationsschemata basieren, verwendet LTE Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) als grundlegendes Signalformat6. Weltweit verwenden LTE-Mobilfunkdienste eine Reihe verschiedener Frequenzbänder zwischen 450 und 3700 MHz, einschließlich der auch in GSM verwendeten 900- und 1800-MHz-Bänder.
Die Fähigkeit der HF-Exposition, biologische Prozesse zu beeinflussen, wird weitgehend durch die spezifische Absorptionsrate (SAR) in W/kg bestimmt, die die in biologischem Gewebe absorbierte Energie misst. Die Auswirkungen einer akuten 30-minütigen Kopfexposition gegenüber 2,573 GHz LTE-Signalen auf die globale neuronale Netzwerkaktivität wurden kürzlich an gesunden Probanden untersucht. Mittels Ruhezustands-fMRT wurde beobachtet, dass LTE-Exposition spontane langsame Frequenzschwankungen und Veränderungen der intra- oder interregionalen Konnektivität hervorrufen kann, während die räumlichen Spitzen-SAR-Werte, gemittelt über 10 g Gewebe, gemäß den Themen 7, 8 und 9 auf 0,42 bis 1,52 W/kg geschätzt wurden. EEG-Analysen unter ähnlichen Expositionsbedingungen (30 Minuten Dauer, geschätzter Spitzen-SAR-Wert von 1,34 W/kg unter Verwendung eines repräsentativen menschlichen Kopfmodells) zeigten eine verringerte spektrale Leistung und hemisphärische Kohärenz in den Alpha- und Beta-Bändern. Zwei weitere Studien auf der Grundlage von EEG-Analysen ergaben jedoch, dass 20 oder 30 Minuten LTE-Kopfexposition mit maximalen lokalen SAR-Werten auf etwa 2 W/kg eingestellt, hatte entweder keine erkennbare Wirkung11 oder führte zu einer Verringerung der spektralen Leistung im Alpha-Band, während sich die mit dem Stroop-Test ermittelte kognitive Funktion nicht änderte12. Signifikante Unterschiede wurden auch in den Ergebnissen von EEG- oder kognitiven Studien festgestellt, die sich speziell mit den Auswirkungen einer GSM- oder UMTS-EMF-Exposition befassten. Man geht davon aus, dass diese auf Variationen im Methodendesign und in den experimentellen Parametern, einschließlich Signaltyp und -modulation, Expositionsintensität und -dauer, oder auf Heterogenität der menschlichen Probanden hinsichtlich Alter, Anatomie oder Geschlecht zurückzuführen sind.
Bisher wurden nur wenige Tierstudien durchgeführt, um zu bestimmen, wie sich die Exposition gegenüber LTE-Signalen auf die Gehirnfunktion auswirkt. Kürzlich wurde berichtet, dass die systemische Exposition von sich entwickelnden Mäusen vom späten Embryonalstadium bis zum Absetzen (30 Min./Tag, 5 Tage/Woche, mit einem mittleren Ganzkörper-SAR von 0,5 oder 1 W/kg) zu Veränderungen in der Motorik und im Appetitverhalten im Erwachsenenalter führte 14. Es wurde festgestellt, dass wiederholte systemische Exposition (2 ha pro Tag für 6 Wochen) bei erwachsenen Ratten oxidativen Stress induziert und die Amplitude visuell evozierter Potenziale, die vom Sehnerv empfangen werden, reduziert, wobei der maximale SAR-Wert auf nur 10 mW/kg geschätzt wird15.
Neben Analysen auf mehreren Ebenen, einschließlich der zellulären und molekularen Ebene, können Nagetiermodelle verwendet werden, um die Auswirkungen von HF-Exposition während einer Krankheit zu untersuchen. Der Schwerpunkt lag zuvor auf GSM- oder WCDMA/3G UMTS-EMF im Zusammenhang mit akuter Neuroinflammation. Studien haben die Auswirkungen von Krampfanfällen, neurodegenerativen Erkrankungen oder Gliomen gezeigt 16,17,18,19,20.
Mit Lipopolysacchariden (LPS) injizierte Nagetiere sind ein klassisches präklinisches Modell für akute neuroinflammatorische Reaktionen im Zusammenhang mit gutartigen Infektionskrankheiten, die durch Viren oder Bakterien verursacht werden und jedes Jahr den Großteil der Bevölkerung betreffen. Dieser entzündliche Zustand führt zu einer reversiblen Erkrankung und einem depressiven Verhaltenssyndrom, das durch Fieber, Appetitlosigkeit und verringerte soziale Interaktion gekennzeichnet ist. Residente Phagozyten im ZNS wie Mikroglia sind wichtige Effektorzellen dieser neuroinflammatorischen Reaktion. Die Behandlung von Nagetieren mit LPS löst eine Aktivierung der Mikroglia aus, die durch eine Umgestaltung ihrer Form und zellulären Prozesse sowie tiefgreifende Änderungen im Transkriptomprofil gekennzeichnet ist, einschließlich einer Hochregulierung von Genen, die proinflammatorische Zytokine oder Enzyme kodieren, die neuronale Netzwerke beeinflussen (Aktivitäten 22, 23, 24).
Bei der Untersuchung der Auswirkungen einer einmaligen zweistündigen Exposition des Kopfes gegenüber GSM-1800 MHz EMF bei mit LPS behandelten Ratten stellten wir fest, dass GSM-Signale zelluläre Reaktionen in der Großhirnrinde auslösen und die Genexpression, die Glutamatrezeptor-Phosphorylierung, neuronale Meta-evozierte Entladungen und die Morphologie der Mikroglia in der Großhirnrinde beeinflussen. Diese Effekte konnten bei gesunden Ratten, die der gleichen GSM-Exposition ausgesetzt waren, nicht festgestellt werden, was darauf hindeutet, dass der durch LPS ausgelöste neuroinflammatorische Zustand die ZNS-Zellen für GSM-Signale sensibilisiert. Bei der Konzentration auf den auditorischen Kortex (ACx) von mit LPS behandelten Ratten, wo die lokale SAR durchschnittlich 1,55 W/kg betrug, beobachteten wir, dass die GSM-Exposition zu einer Verlängerung oder Verzweigung der Mikroglia-Fortsätze und einer Abnahme der durch reine Töne und natürliche Stimulation hervorgerufenen neuronalen Reaktionen führte 28.
In der vorliegenden Studie wollten wir untersuchen, ob eine reine Kopfexposition gegenüber LTE-1800-MHz-Signalen auch die Mikrogliamorphologie und die neuronale Aktivität in ACx verändern und die Expositionsstärke um zwei Drittel reduzieren kann. Wir zeigen hier, dass die LTE-Signalisierung keine Auswirkungen auf Mikrogliaprozesse hatte, aber dennoch eine signifikante Verringerung der durch Schall hervorgerufenen kortikalen Aktivität in den ACx von mit LPS behandelten Ratten mit einem SAR-Wert von 0,5 W/kg auslöste.
Angesichts früherer Belege, dass die Exposition gegenüber GSM-1800 MHz die Mikrogliamorphologie unter entzündungsfördernden Bedingungen veränderte, untersuchten wir diesen Effekt nach der Exposition gegenüber LTE-Signalen.
Erwachsene Ratten erhielten 24 Stunden vor der Scheinexposition des Kopfes oder der Exposition mit LTE-1800 MHz LPS-Injektionen. Nach der Exposition traten in der Großhirnrinde LPS-ausgelöste neuroinflammatorische Reaktionen auf, die sich in einer Hochregulierung entzündungsfördernder Gene und Veränderungen der Morphologie der kortikalen Mikroglia zeigten (Abbildung 1). Die vom LTE-Kopf exponierte Leistung wurde so eingestellt, dass ein durchschnittlicher SAR-Wert von 0,5 W/kg in ACx erreicht wurde (Abbildung 2). Um festzustellen, ob LPS-aktivierte Mikroglia auf LTE-EMF reagierten, analysierten wir kortikale Schnitte, die mit Anti-Iba1 gefärbt waren, das diese Zellen selektiv markierte. Wie in Abbildung 3a gezeigt, sahen die Mikroglia in ACx-Schnitten, die 3 bis 4 Stunden nach der Schein- oder LTE-Exposition fixiert wurden, bemerkenswert ähnlich aus und zeigten eine „dichte“ Zellmorphologie, die durch die entzündungsfördernde LPS-Behandlung hervorgerufen wurde (Abbildung 1). In Übereinstimmung mit dem Fehlen morphologischer Reaktionen ergab die quantitative Bildanalyse keine signifikanten Unterschiede in der Gesamtfläche (ungepaarter t-Test, p = 0,308) oder Fläche (p = 0,196) und Dichte (p = 0,061) der Iba1-Immunoreaktivität beim Vergleich der Exposition gegenüber Iba-1-gefärbten Zellkörpern bei LTE-Ratten mit der von scheinexponierten Tieren (Abb. 3b-d).
Auswirkungen der intraperitonealen Injektion von LPS auf die Morphologie kortikaler Mikroglia. Repräsentative Ansicht von Mikroglia in einem Koronarschnitt der Großhirnrinde (dorsomediale Region) 24 Stunden nach intraperitonealer Injektion von LPS oder Vehikel (Kontrolle). Die Zellen wurden wie zuvor beschrieben mit Anti-Iba1-Antikörpern gefärbt. Die entzündungsfördernde Behandlung mit LPS führte zu Veränderungen der Mikroglia-Morphologie, einschließlich einer proximalen Verdickung und einer Zunahme kurzer sekundärer Verzweigungen der Zellfortsätze, was zu einem „dichten“ Erscheinungsbild führte. Maßstab: 20 µm.
Dosimetrische Analyse der spezifischen Absorptionsrate (SAR) im Rattenhirn während der Exposition mit 1800 MHz LTE. Zur Bestimmung des lokalen SAR im Gehirn wurde ein zuvor beschriebenes heterogenes Modell einer Phantomratte und einer Rahmenantenne62 mit einem kubischen Gitter von 0,5 mm3 verwendet. (a) Gesamtansicht eines Rattenmodells in einer Expositionsumgebung mit einer Rahmenantenne über dem Kopf und einem metallischen Wärmeleitpad (gelb) unter dem Körper. (b) Verteilung der SAR-Werte im erwachsenen Gehirn bei einer räumlichen Auflösung von 0,5 mm3. Der durch die schwarze Umrandung im Sagittalschnitt abgegrenzte Bereich entspricht dem primären auditorischen Kortex, in dem die Mikroglia- und neuronale Aktivität analysiert wird. Die farbcodierte Skala der SAR-Werte gilt für alle in der Abbildung gezeigten numerischen Simulationen.
Mit LPS injizierte Mikroglia im auditorischen Kortex von Ratten nach LTE- oder Scheinexposition. (a) Repräsentative gestapelte Ansicht von mit Anti-Iba1-Antikörper gefärbten Mikroglia in Coronalschnitten des mit LPS perfundierten auditorischen Kortex von Ratten 3 bis 4 Stunden nach Schein- oder LTE-Exposition (Exposition). Maßstab: 20 µm. (bd) Morphometrische Beurteilung von Mikroglia 3 bis 4 Stunden nach Schein- (offene Punkte) oder LTE-Exposition (exponiert, schwarze Punkte). (b, c) Räumliche Abdeckung (b) des Mikrogliamarkers Iba1 und Bereiche Iba1-positiver Zellkörper (c). Die Daten stellen den Anti-Iba1-Färbungsbereich dar, der auf den Mittelwert der Schein-exponierten Tiere normalisiert wurde. (d) Anzahl der Anti-Iba1-gefärbten Mikrogliazellkörper. Unterschiede zwischen Schein- (n = 5) und LTE-Tieren (n = 6) waren nicht signifikant (p > 0,05, ungepaarter t-Test). Die Ober- und Unterseite des Im Kasten stellen die oberen und unteren Linien das 25.–75. Perzentil bzw. das 5.–95. Perzentil dar. Der Mittelwert ist im Kasten rot markiert.
Tabelle 1 fasst die Tierzahlen und Multi-Unit-Aufzeichnungen zusammen, die im primären auditorischen Kortex von vier Rattengruppen (Schein, Exposition, Schein-LPS, Exposition-LPS) erhalten wurden. In die folgenden Ergebnisse schließen wir alle Aufzeichnungen ein, die ein signifikantes spektrales temporales rezeptives Feld (STRF) aufweisen, d. h. durch Töne hervorgerufene Reaktionen, die mindestens 6 Standardabweichungen höher sind als die spontanen Feuerraten (siehe Tabelle 1). Unter Anwendung dieses Kriteriums wählten wir 266 Aufzeichnungen für die Scheingruppe, 273 Aufzeichnungen für die Expositionsgruppe, 299 Aufzeichnungen für die Schein-LPS-Gruppe und 295 Aufzeichnungen für die Expositions-LPS-Gruppe aus.
In den folgenden Abschnitten beschreiben wir zunächst die aus dem spektral-zeitlichen rezeptiven Feld (d. h. die Reaktion auf reine Töne) und die Reaktion auf xenogene spezifische Lautäußerungen extrahierten Parameter. Anschließend beschreiben wir die Quantifizierung des für jede Gruppe erhaltenen Frequenzantwortbereichs. Da in unserem Versuchsaufbau „verschachtelte Daten“30 vorhanden sind, wurden alle statistischen Analysen auf Grundlage der Anzahl der Positionen im Elektrodenarray (letzte Zeile in Tabelle 1) durchgeführt, aber alle unten beschriebenen Effekte basierten ebenfalls auf der Anzahl der Positionen in jeder Gruppe. Gesamtzahl der gesammelten Multiunit-Aufzeichnungen (dritte Zeile in Tabelle 1).
Abbildung 4a zeigt die optimale Frequenzverteilung (BF, die bei 75 dB SPL eine maximale Reaktion hervorruft) kortikaler Neuronen, die bei mit LPS behandelten, scheinbehandelten und exponierten Tieren erhalten wurde. Der Frequenzbereich von BF wurde in beiden Gruppen von 1 kHz bis 36 kHz erweitert. Die statistische Analyse zeigte, dass diese Verteilungen ähnlich waren (Chi-Quadrat, p = 0,278), was darauf hindeutet, dass Vergleiche zwischen den beiden Gruppen ohne Stichprobenverzerrung durchgeführt werden konnten.
Wirkung der LTE-Exposition auf quantifizierte Parameter kortikaler Reaktionen bei LPS-behandelten Tieren. (a) BF-Verteilung in kortikalen Neuronen von LPS-behandelten Tieren, die LTE (schwarz) und LTE (weiß) scheinexponiert wurden. Zwischen den beiden Verteilungen besteht kein Unterschied. (bf) Wirkung der LTE-Exposition auf Parameter, die das spektrale temporale rezeptive Feld (STRF) quantifizieren. Die Reaktionsstärke war sowohl bei STRF (Gesamtreaktionsstärke) als auch bei optimalen Frequenzen signifikant reduziert (*p < 0,05, ungepaarter t-Test) (b,c). Reaktionsdauer, Reaktionsbandbreite und Bandbreitenkonstante (df). Sowohl die Stärke als auch die zeitliche Zuverlässigkeit der Reaktionen auf Lautäußerungen waren reduziert (g, h). Spontane Aktivität war nicht signifikant reduziert (i). (*p < 0,05, ungepaarter t-Test). (j,k) Wirkung der LTE-Exposition auf kortikale Schwellen. Die mittleren Schwellen waren bei LTE-exponierten Ratten signifikant höher als bei scheinexponierten Ratten. Dieser Effekt ist bei niedrigen und mittleren Frequenzen stärker ausgeprägt.
Die Abbildungen 4b-f zeigen die Verteilung der aus dem STRF für diese Tiere abgeleiteten Parameter (Mittelwerte durch rote Linien gekennzeichnet). Die Auswirkungen der LTE-Exposition auf mit LPS behandelte Tiere schienen auf eine verringerte neuronale Erregbarkeit hinzudeuten. Erstens waren die Gesamtreaktionsintensität und die Reaktionen bei BF-Tieren im Vergleich zu Sham-LPS-Tieren signifikant niedriger (Abb. 4b,c, ungepaarter t-Test, p = 0,0017; und p = 0,0445). Ebenso nahmen die Reaktionen auf Kommunikationsgeräusche sowohl hinsichtlich der Reaktionsstärke als auch der Inter-Trial-Reliabilität ab (Abb. 4g,h; ungepaarter t-Test, p = 0,043). Die spontane Aktivität war reduziert, aber dieser Effekt war nicht signifikant (Abb. 4i; p = 0,0745). Reaktionsdauer, Abstimmungsbandbreite und Reaktionslatenz wurden durch die LTE-Exposition bei mit LPS behandelten Tieren nicht beeinflusst (Abb. 4d–f), was darauf hindeutet, dass die Frequenzselektivität und Präzision der Onset-Reaktionen durch die LTE-Exposition bei mit LPS behandelten Tieren nicht beeinflusst wurden Tiere.
Als nächstes untersuchten wir, ob die kortikalen Hörschwellen für reine Töne durch die LTE-Exposition verändert wurden. Aus dem Frequenzgangbereich (FRA), der aus jeder Aufzeichnung gewonnen wurde, bestimmten wir die Hörschwellen für jede Frequenz und berechneten den Durchschnitt dieser Schwellen für beide Tiergruppen. Abbildung 4j zeigt die mittleren (± sem) Schwellen von 1,1 bis 36 kHz bei mit LPS behandelten Ratten. Ein Vergleich der Hörschwellen der Schein- und Expositionsgruppen zeigte einen erheblichen Anstieg der Schwellen bei den exponierten Tieren im Vergleich zu den Scheintieren (Abb. 4j), ein Effekt, der bei niedrigen und mittleren Frequenzen stärker ausgeprägt war. Genauer gesagt, bei niedrigen Frequenzen (< 2,25 kHz) stieg der Anteil der A1-Neuronen mit hoher Schwelle, während der Anteil der Neuronen mit niedriger und mittlerer Schwelle abnahm (Chi-Quadrat = 43,85; p < 0,0001; Abb. 4k, linke Abbildung). Derselbe Effekt war bei mittleren Frequenzen (2,25 < Freq(kHz) < 11) zu beobachten: ein höherer Anteil kortikaler Aufzeichnungen mit mittleren Schwellen und ein kleinerer Anteil von Neuronen mit niedrigen Schwellen im Vergleich zur nicht exponierten Gruppe (Chi-Quadrat = 71,17; p < 0,001; Abbildung 4k, mittleres Feld). Es gab auch einen signifikanten Unterschied bei den Schwellen für Hochfrequenzneuronen (≥ 11 kHz, p = 0,0059); der Anteil der Neuronen mit niedriger Schwelle nahm ab und der Anteil der Neuronen mit mittlerer bis hoher Schwelle nahm zu (Chi-Quadrat = 10,853; p = 0,04, Abbildung 4k, rechtes Feld).
Abbildung 5a zeigt die optimale Frequenzverteilung (BF, die eine maximale Reaktion bei 75 dB SPL hervorruft) kortikaler Neuronen, die bei gesunden Tieren für die Schein- und Expositionsgruppen ermittelt wurde. Die statistische Analyse zeigte, dass die beiden Verteilungen ähnlich waren (Chi-Quadrat, p = 0,157), was darauf hindeutet, dass Vergleiche zwischen den beiden Gruppen ohne Stichprobenverzerrung durchgeführt werden konnten.
Auswirkungen der LTE-Exposition auf quantifizierte Parameter kortikaler Reaktionen bei gesunden Tieren. (a) BF-Verteilung in kortikalen Neuronen gesunder Tiere, die LTE-exponiert (dunkelblau) und LTE-scheinexponiert (hellblau) waren. Zwischen den beiden Verteilungen besteht kein Unterschied. (bf) Die Wirkung der LTE-Exposition auf Parameter, die das spektrale temporale rezeptive Feld (STRF) quantifizieren. Es gab keine signifikante Veränderung der Reaktionsintensität über das STRF und die optimalen Frequenzen (b,c). Es gab eine leichte Erhöhung der Reaktionsdauer (d), aber keine Veränderung der Reaktionsbandbreite und Bandbreite (e, f). Weder die Stärke noch die zeitliche Verlässlichkeit der Reaktionen auf Lautäußerungen änderten sich (g, h). Es gab keine signifikante Veränderung der spontanen Aktivität (i). (*p < 0,05 ungepaarter t-Test). (j,k) Auswirkungen der LTE-Exposition auf kortikale Schwellen. Im Durchschnitt waren die Schwellen bei LTE-exponierten Ratten im Vergleich zu scheinexponierten Ratten nicht signifikant verändert, aber die Schwellen für höhere Frequenzen waren bei den exponierten Tieren etwas niedriger.
Die Abbildungen 5b-f zeigen Boxplots, die die Verteilung und den Mittelwert (rote Linie) der aus den beiden STRF-Sätzen abgeleiteten Parameter darstellen. Bei gesunden Tieren hatte die LTE-Exposition selbst nur geringe Auswirkungen auf den Mittelwert der STRF-Parameter. Im Vergleich zur Scheingruppe (hell- vs. dunkelblaue Kästen für die exponierte Gruppe) veränderte die LTE-Exposition weder die Gesamtreaktionsintensität noch die BF-Reaktion (Abb. 5b,c; ungepaarter t-Test, p = 0,2176 bzw. p = 0,8696). Es gab auch keine Auswirkungen auf die spektrale Bandbreite und Latenz (p = 0,6764 bzw. p = 0,7129), aber es gab eine signifikante Verlängerung der Reaktionsdauer (p = 0,047). Es gab auch keine Auswirkungen auf die Stärke der Lautäußerungen (Abb. 5g, p = 0,4375), die Inter-Trial-Reliabilität dieser Reaktionen (Abb. 5h, p = 0,3412) und die spontane Aktivität (Abb. 5).5i; p = 0,3256).
Abbildung 5j zeigt die mittleren (± sem) Schwellen von 1,1 bis 36 kHz bei gesunden Ratten. Es zeigte sich kein signifikanter Unterschied zwischen Schein- und exponierten Ratten, außer einer etwas niedrigeren Schwelle bei exponierten Tieren bei hohen Frequenzen (11–36 kHz) (ungepaarter t-Test, p = 0,0083). Dieser Effekt spiegelt die Tatsache wider, dass es bei exponierten Tieren in diesem Frequenzbereich (Chi-Quadrat = 18,312, p = 0,001; Abbildung 5k) etwas mehr Neuronen mit niedrigen und mittleren Schwellen gab (während es bei hohen Schwellen weniger Neuronen gab).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der Exposition gesunder Tiere gegenüber LTE keine Auswirkungen auf die Reaktionsstärke auf reine Töne und komplexe Geräusche wie Lautäußerungen auftraten. Darüber hinaus waren die kortikalen Hörschwellen bei gesunden Tieren bei exponierten und Scheintieren ähnlich, während bei mit LPS behandelten Tieren die LTE-Exposition zu einer erheblichen Erhöhung der kortikalen Schwellen führte, insbesondere im niedrigen und mittleren Frequenzbereich.
Unsere Studie zeigte, dass bei erwachsenen männlichen Ratten mit akuter Neuroinflammation die Exposition mit LTE-1800 MHz und einem lokalen SARACx von 0,5 W/kg (siehe Methoden) zu einer signifikanten Verringerung der Intensität der durch Schall hervorgerufenen Reaktionen in primären Kommunikationsaufzeichnungen führte. Diese Veränderungen der neuronalen Aktivität traten ohne erkennbare Veränderung des Ausmaßes des von Mikroglia-Prozessen abgedeckten räumlichen Bereichs auf. Dieser Effekt von LTE auf die Intensität der kortikalen evozierten Reaktionen wurde bei gesunden Ratten nicht beobachtet. In Anbetracht der Ähnlichkeit der optimalen Frequenzverteilung zwischen den Aufzeichnungseinheiten bei LTE-exponierten und schein-exponierten Tieren können die Unterschiede in der neuronalen Reaktivität eher auf biologische Effekte der LTE-Signale als auf einen Stichprobenfehler zurückgeführt werden (Abb. 4a). Darüber hinaus deutet das Fehlen von Veränderungen der Reaktionslatenz und der spektralen Abstimmungsbandbreite bei LTE-exponierten Ratten darauf hin, dass diese Aufzeichnungen höchstwahrscheinlich aus denselben kortikalen Schichten stammen, die sich eher im primären ACx als in sekundären Regionen befinden.
Unseres Wissens nach wurde über die Wirkung von LTE-Signalen auf neuronale Reaktionen bisher nicht berichtet. Frühere Studien haben jedoch die Fähigkeit von GSM-1800 MHz oder 1800 MHz Dauerstrich (CW) dokumentiert, die neuronale Erregbarkeit zu verändern, wenn auch mit signifikanten Unterschieden, abhängig vom experimentellen Ansatz. Kurz nach der Exposition mit 1800 MHz CW bei einem SAR-Wert von 8,2 W/kg zeigten Aufzeichnungen von Schneckenganglien verringerte Schwellenwerte für die Auslösung von Aktionspotentialen und neuronaler Modulation. Andererseits wurde die Spike- und Burst-Aktivität in primären neuronalen Kulturen aus Rattenhirn durch Exposition mit GSM-1800 MHz oder 1800 MHz CW für 15 Minuten bei einem SAR-Wert von 4,6 W/kg reduziert. Diese Hemmung war innerhalb von 30 Minuten nach der Exposition nur teilweise reversibel. Eine vollständige Stilllegung der Neuronen wurde bei einem SAR-Wert von 9,2 W/kg erreicht. Die Dosis-Wirkungs-Analyse zeigte, dass GSM-1800 MHz wirksamer als 1800 MHz CW bei der Unterdrückung von Burst-Aktivität, was darauf hindeutet, dass neuronale Reaktionen von der HF-Signalmodulation abhängen.
In unserem Setting wurden kortikale evozierte Reaktionen 3 bis 6 Stunden nach Ende der 2-stündigen reinen Kopf-Exposition in vivo gesammelt. In einer früheren Studie untersuchten wir die Wirkung von GSM-1800 MHz bei SARACx von 1,55 W/kg und fanden keine signifikante Wirkung auf durch Geräusche hervorgerufene kortikale Reaktionen bei gesunden Ratten. Hier war die einzige signifikante Wirkung, die bei gesunden Ratten durch Exposition mit LTE-1800 bei 0,5 W/kg SARACx hervorgerufen wurde, eine leichte Verlängerung der Reaktionsdauer bei Darbietung reiner Töne. Dieser Effekt ist schwer zu erklären, da er nicht mit einer Erhöhung der Reaktionsintensität einhergeht, was darauf hindeutet, dass diese längere Reaktionsdauer bei der gleichen Gesamtzahl von Aktionspotentialen auftritt, die von kortikalen Neuronen ausgelöst werden. Eine Erklärung könnte sein, dass die LTE-Exposition die Aktivität einiger inhibitorischer Interneuronen reduzieren könnte, da dokumentiert wurde, dass bei primärem ACx die Feedforward-Hemmung die Dauer der Pyramidenzellreaktionen steuert, die durch exzitatorische thalamische Eingaben ausgelöst werden33,34,35 36, 37.
Im Gegensatz dazu hatte die LTE-Exposition bei Ratten, die einer durch LPS ausgelösten Neuroinflammation ausgesetzt waren, keine Auswirkungen auf die Dauer der durch Geräusche hervorgerufenen neuronalen Aktivität, es wurden jedoch signifikante Auswirkungen auf die Stärke der hervorgerufenen Reaktionen festgestellt. Tatsächlich zeigten Neuronen bei mit LPS behandelten und LTE-exponierten Ratten im Vergleich zu den neuronalen Reaktionen, die bei mit LPS scheinexponierten Ratten aufgezeichnet wurden, eine Verringerung der Intensität ihrer Reaktionen, ein Effekt, der sowohl bei der Darbietung reiner Töne als auch bei natürlichen Lautäußerungen beobachtet wurde. Die Verringerung der Intensität der Reaktion auf reine Töne erfolgte ohne eine Verengung der spektralen Abstimmungsbandbreite von 75 dB, und da sie bei allen Schallintensitäten auftrat, führte sie zu einer Erhöhung der akustischen Schwellen kortikaler Neuronen bei niedrigen und mittleren Frequenzen.
Die Verringerung der Stärke der evozierten Reaktion deutete darauf hin, dass die Wirkung der LTE-Signalisierung bei 0,5 W/kg SARACx bei mit LPS behandelten Tieren ähnlich war wie die von GSM-1800 MHz, das bei dreimal höherer SARACx (1,55 W/kg) angewendet wurde 28 . Was die GSM-Signalisierung betrifft, kann die Kopfexposition bei LTE-1800 MHz die neuronale Erregbarkeit in ACx-Neuronen von Ratten verringern, die einer durch LPS ausgelösten Neuroinflammation ausgesetzt waren. Im Einklang mit dieser Hypothese beobachteten wir auch eine Tendenz zu einer verringerten Versuchszuverlässigkeit neuronaler Reaktionen auf Lautäußerungen (Abb. 4h) und zu einer verringerten spontanen Aktivität (Abb. 4i). Es war jedoch schwierig, in vivo zu bestimmen, ob die LTE-Signalisierung die neuronale intrinsische Erregbarkeit verringert oder den synaptischen Input reduziert und dadurch die neuronalen Reaktionen in ACx steuert.
Erstens könnten diese schwächeren Reaktionen auf die intrinsisch verringerte Erregbarkeit kortikaler Zellen nach Exposition mit LTE 1800 MHz zurückzuführen sein. Diese Annahme wird dadurch gestützt, dass GSM-1800 MHz und 1800 MHz-CW die Burst-Aktivität verringerten, wenn sie direkt auf Primärkulturen kortikaler Rattenneuronen mit SAR-Werten von 3,2 W/kg bzw. 4,6 W/kg angewendet wurden. Allerdings war ein SAR-Schwellenwert erforderlich, um die Burst-Aktivität signifikant zu verringern. Für eine verringerte intrinsische Erregbarkeit sprechen auch die von uns beobachteten niedrigeren Raten spontaner Feuerungen bei exponierten Tieren als bei scheinexponierten Tieren.
Zweitens kann die LTE-Exposition auch die synaptische Übertragung von thalamokortikalen oder kortikal-kortikalen Synapsen beeinflussen. Zahlreiche Aufzeichnungen zeigen nun, dass im auditorischen Kortex die Breite der spektralen Abstimmung nicht allein durch afferente thalamische Projektionen bestimmt wird, sondern dass intrakortikale Verbindungen zusätzlichen spektralen Input an kortikale Stellen liefern39,40. In unseren Experimenten deutete die Tatsache, dass kortikale STRF bei exponierten und scheinexponierten Tieren ähnliche Bandbreiten aufwiesen, indirekt darauf hin, dass die Wirkungen der LTE-Exposition keine Auswirkungen auf die kortikal-kortikale Konnektivität waren. Dies deutet auch darauf hin, dass eine höhere Konnektivität in anderen kortikalen Regionen, die bei SAR exponiert waren als bei ACx gemessen (Abb. 2), möglicherweise nicht für die hier berichteten veränderten Reaktionen verantwortlich ist.
Dabei zeigte ein größerer Anteil der LPS-exponierten kortikalen Aufzeichnungen hohe Schwellen im Vergleich zu den LPS-scheinexponierten Tieren. Da angenommen wurde, dass die kortikale akustische Schwelle in erster Linie durch die Stärke der thalamokortikalen Synapse gesteuert wird39,40, kann vermutet werden, dass die thalamokortikale Übertragung durch die Exposition teilweise reduziert wird, entweder auf präsynaptischer (reduzierte Glutamatfreisetzung) oder postsynaptischer Ebene (reduzierte Rezeptoranzahl oder -affinität).
Ähnlich den Auswirkungen von GSM-1800 MHz traten im Zusammenhang mit einer durch LPS ausgelösten Neuroinflammation veränderte neuronale Reaktionen durch LTE auf, die durch mikrogliale Reaktionen gekennzeichnet waren. Aktuelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Mikroglia die Aktivität neuronaler Netzwerke in normalen und pathologischen Gehirnen stark beeinflussen41,42,43. Ihre Fähigkeit, die Neurotransmission zu modulieren, hängt nicht nur von der Produktion der von ihnen produzierten Verbindungen ab, die die Neurotransmission entweder einschränken oder hemmen können, sondern auch von der hohen Motilität ihrer zellulären Prozesse. In der Großhirnrinde lösen sowohl erhöhte als auch verringerte Aktivität neuronaler Netzwerke aufgrund des Wachstums mikroglialer Prozesse eine schnelle Ausdehnung des räumlichen Mikrogliabereichs aus44,45. Insbesondere werden mikrogliale Ausstülpungen in der Nähe aktivierter thalamokortikaler Synapsen rekrutiert und können die Aktivität exzitatorischer Synapsen durch Mechanismen hemmen, an denen eine mikrogliavermittelte lokale Adenosinproduktion beteiligt ist.
Bei mit LPS behandelten Ratten, die GSM-1800 MHz mit SARACx bei 1,55 W/kg ausgesetzt waren, kam es zu einer verringerten Aktivität der ACx-Neuronen mit Wachstum der Mikroglia-Fortsätze, gekennzeichnet durch signifikante Iba1-gefärbte Bereiche in ACx28-Anstieg. Diese Beobachtung legt nahe, dass eine durch GSM-Exposition ausgelöste Mikroglia-Umgestaltung aktiv zur GSM-induzierten Verringerung der durch Schall hervorgerufenen neuronalen Reaktionen beitragen kann. Unsere aktuelle Studie spricht gegen diese Hypothese im Kontext einer auf 0,5 W/kg begrenzten LTE-Kopf-Exposition mit SARACx, da wir keine Zunahme im von Mikroglia-Fortsätzen abgedeckten räumlichen Bereich feststellten. Dies schließt jedoch keine Auswirkungen der LTE-Signalgebung auf LPS-aktivierte Mikroglia aus, die wiederum die neuronale Aktivität beeinflussen können. Weitere Studien sind erforderlich, um diese Frage zu beantworten und die Mechanismen zu bestimmen, durch die eine akute Neuroinflammation die neuronalen Reaktionen auf die LTE-Signalgebung verändert.
Unseres Wissens nach wurde die Wirkung von LTE-Signalen auf die auditive Verarbeitung bisher nicht untersucht. Unsere früheren Studien 26,28 und die aktuelle Studie haben gezeigt, dass im Rahmen einer akuten Entzündung die Exposition des Kopfes allein gegenüber GSM-1800 MHz oder LTE-1800 MHz zu funktionellen Veränderungen der neuronalen Reaktionen in ACx führte, wie durch die Erhöhung der Hörschwelle gezeigt. Aus mindestens zwei Hauptgründen sollte die Cochlea-Funktion durch unsere LTE-Exposition nicht beeinträchtigt werden. Erstens befinden sich, wie in der in Abbildung 2 dargestellten Dosimetriestudie gezeigt, die höchsten SAR-Werte (nahe 1 W/kg) im dorsomedialen Kortex (unterhalb der Antenne) und nehmen erheblich ab, wenn man sich seitlicher und seitlicher bewegt. Der ventrale Teil des Kopfes. Es kann auf etwa 0,1 W/kg auf Höhe der Rattenohrmuschel (unterhalb des Gehörgangs) geschätzt werden. Zweitens, als Meerschweinchenohren 2 Monate lang GSM 900 MHz ausgesetzt wurden (5 Tage/Woche, 1 Stunde/Tag, SAR zwischen 1 und 4 W/kg), gab es keine erkennbaren Änderungen in der Größenordnung des Verzerrungsprodukts der otoakustischen Emissionsschwellen und der auditorischen Hirnstammreaktionen 47. Darüber hinaus hatte eine wiederholte Exposition des Kopfes gegenüber GSM 900 oder 1800 MHz bei einem lokalen SAR von 2 W/kg keine Auswirkungen auf die Funktion der äußeren Haarzellen der Cochlea bei gesunden Ratten48,49. Diese Ergebnisse spiegeln die bei Menschen erzielten Daten wider, bei denen Untersuchungen gezeigt haben, dass eine 10- bis 30-minütige Exposition gegenüber EMF von GSM-Mobiltelefonen keine konsistente Wirkung auf die auditive Verarbeitung hat, gemessen auf Cochlea-50,51,52​​oder Hirnstammebene53,54.
In unserer Studie wurden 3 bis 6 Stunden nach Ende der Exposition in vivo durch LTE ausgelöste Veränderungen der neuronalen Aktivität beobachtet. In einer früheren Studie zum dorsomedialen Teil des Kortex waren mehrere durch GSM-1800 MHz induzierte Effekte, die 24 Stunden nach der Exposition beobachtet wurden, 72 Stunden nach der Exposition nicht mehr nachweisbar. Dies ist der Fall bei der Ausdehnung von Mikroglia-Prozessen, der Herunterregulierung des IL-1ß-Gens und der posttranslationalen Modifikation von AMPA-Rezeptoren. In Anbetracht der Tatsache, dass der auditorische Kortex einen niedrigeren SAR-Wert (0,5 W/kg) als die dorsomediale Region (2,94 W/kg26) aufweist, scheinen die hier berichteten Veränderungen der neuronalen Aktivität vorübergehend zu sein.
Unsere Daten sollten die geltenden SAR-Grenzwerte und Schätzungen der tatsächlichen SAR-Werte berücksichtigen, die in der Großhirnrinde von Mobiltelefonbenutzern erreicht werden. Die aktuellen Standards zum Schutz der Öffentlichkeit legen den SAR-Grenzwert für die lokale Belastung von Kopf oder Rumpf mit Funkfrequenzen im HF-Bereich von 100 kHz und 6 GHz auf 2 W/kg fest.
Es wurden Dosissimulationen mit verschiedenen menschlichen Kopfmodellen durchgeführt, um die HF-Leistungsabsorption in verschiedenen Kopfgeweben während der allgemeinen Kopf- oder Mobiltelefonkommunikation zu bestimmen. Neben der Vielfalt der menschlichen Kopfmodelle verdeutlichen diese Simulationen erhebliche Unterschiede oder Unsicherheiten bei der Schätzung der vom Gehirn absorbierten Energie basierend auf anatomischen oder histologischen Parametern wie der äußeren oder inneren Form des Schädels, der Dicke oder dem Wassergehalt. Verschiedene Kopfgewebe variieren stark je nach Alter, Geschlecht oder Individuum 56,57,58. Darüber hinaus beeinflussen Mobiltelefoneigenschaften wie die interne Position der Antenne und die Position des Mobiltelefons relativ zum Kopf des Benutzers stark die Höhe und Verteilung der SAR-Werte in der Großhirnrinde 59,60. Betrachtet man jedoch die berichteten SAR-Verteilungen in der menschlichen Großhirnrinde, die von Mobiltelefonmodellen ermittelt wurden, die Funkfrequenzen im Bereich von 1800 MHz aussenden 58, 59, 60, scheint es, dass die im menschlichen auditorischen Kortex erreichten SAR-Werte immer noch unter der Hälfte der menschlichen Großhirnrinde liegen Cortex. Unsere Studie (SARAC x 0,5 W/kg). Daher stellen unsere Daten die aktuellen Grenzwerte der für die Öffentlichkeit geltenden SAR-Werte nicht in Frage.
Zusammenfassend zeigt unsere Studie, dass eine einmalige Exposition des Kopfes gegenüber LTE-1800 MHz die neuronalen Reaktionen kortikaler Neuronen auf Sinnesreize stört. In Übereinstimmung mit früheren Charakterisierungen der Auswirkungen von GSM-Signalen deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Auswirkungen von LTE-Signalen auf die neuronale Aktivität je nach Gesundheitszustand variieren. Eine akute Neuroinflammation sensibilisiert Neuronen für LTE-1800 MHz, was zu einer veränderten kortikalen Verarbeitung auditiver Reize führt.
Die Daten wurden im Alter von 55 Tagen aus der Großhirnrinde von 31 erwachsenen männlichen Wistar-Ratten aus dem Janvier-Labor gesammelt. Die Ratten wurden in einer Einrichtung mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit (50–55 %) und Temperatur (22–24 °C) und einem Hell-Dunkel-Zyklus von 12 h/12 ​​​​h (Licht an um 7:30 Uhr) mit freiem Zugang zu Futter und Wasser untergebracht. Alle Experimente wurden gemäß den Richtlinien der Richtlinie des Rates der Europäischen Gemeinschaften (Richtlinie des Rates 2010/63/EU) durchgeführt, die denen in den Richtlinien der Society for Neuroscience für die Verwendung von Tieren in der neurowissenschaftlichen Forschung ähneln. Dieses Protokoll wurde vom Ethikkomitee Paris-Sud und Center (CEEA Nr. 59, Projekt 2014-25, Nationales Protokoll 03729.02) unter Verwendung der von diesem Komitee 32-2011 und 34-2012 validierten Verfahren genehmigt.
Die Tiere wurden mindestens eine Woche lang an Koloniekammern gewöhnt, bevor sie mit LPS behandelt und LTE-EMF ausgesetzt (oder Schein-Exposition) wurden.
22 Ratten wurde 24 Stunden vor der LTE- oder Scheinexposition (n pro Gruppe) E. coli LPS (250 µg/kg, Serotyp 0127:B8, SIGMA), verdünnt mit steriler, endotoxinfreier isotonischer Kochsalzlösung, intraperitoneal (ip) injiziert. = 11). Bei 2 Monate alten männlichen Wistar-Ratten ruft diese LPS-Behandlung eine neuroinflammatorische Reaktion hervor, die in der Großhirnrinde durch mehrere entzündungsfördernde Gene (Tumornekrosefaktor-Alpha, Interleukin-1ß, CCL2, NOX2, NOS2) gekennzeichnet ist, die 24 Stunden nach der LPS-Injektion hochreguliert waren, einschließlich einer 4- bzw. 12-fachen Erhöhung der Transkriptspiegel, die das NOX2-Enzym bzw. Interleukin-1ß kodieren. Zu diesem 24-Stunden-Zeitpunkt zeigten kortikale Mikroglia die typische „dichte“ Zellmorphologie, die bei einer LPS-ausgelösten entzündungsfördernden Aktivierung von Zellen zu erwarten ist (Abbildung 1), was im Gegensatz zur LPS-ausgelösten Aktivierung durch andere steht. Die zelluläre entzündungsfördernde Aktivierung entspricht 24, 61.
Die Exposition des Kopfes gegenüber LTE-EMF wurde unter Verwendung des Versuchsaufbaus durchgeführt, der zuvor zur Bewertung der Wirkung von GSM-EMF26 verwendet wurde. Die LTE-Exposition erfolgte 24 Stunden nach der LPS-Injektion (11 Tiere) oder ohne LPS-Behandlung (5 Tiere). Die Tiere wurden vor der Exposition leicht mit Ketamin/Xylazin (Ketamin 80 mg/kg, ip; Xylazin 10 mg/kg, ip) anästhesiert, um Bewegungen zu verhindern und sicherzustellen, dass sich der Kopf des Tieres in der Rahmenantenne befand, die das LTE-Signal aussendete. Reproduzierbare Position unten. Die Hälfte der Ratten aus demselben Käfig diente als Kontrolle (11 scheinexponierte Tiere von 22 mit LPS vorbehandelten Ratten): Sie wurden unter die Rahmenantenne gesetzt und die Energie des LTE-Signals wurde auf Null gesetzt. Die Gewichte der exponierten und scheinexponierten Tiere waren ähnlich (p = 0,558, ungepaarter t-Test, ns). Alle anästhesierten Tiere wurden auf ein metallfreies Heizkissen gelegt, um ihre Körpertemperatur zu halten Die Temperatur lag während des gesamten Experiments bei etwa 37 °C. Wie in den vorherigen Experimenten wurde die Expositionszeit auf 2 Stunden eingestellt. Nach der Exposition wurde das Tier im Operationssaal auf ein anderes Heizkissen gelegt. Das gleiche Expositionsverfahren wurde bei 10 gesunden Ratten (unbehandelt mit LPS) angewendet, von denen die Hälfte im selben Käfig scheinexponiert wurde (p = 0,694).
Das Expositionssystem war ähnlich den Systemen 25, 62, die in früheren Studien beschrieben wurden, wobei der Hochfrequenzgenerator ersetzt wurde, um LTE- anstelle von GSM-elektromagnetischen Feldern zu erzeugen. Kurz gesagt wurde ein HF-Generator (SMBV100A, 3,2 GHz, Rohde & Schwarz, Deutschland), der ein LTE-elektromagnetisches Feld von 1800 MHz aussendet, an einen Leistungsverstärker (ZHL-4W-422+, Mini-Circuits, USA), einen Zirkulator (D3 1719-N, Sodhy, Frankreich), einen Zweiwegekoppler (CD D 1824-2, − 30 dB, Sodhy, Frankreich) und einen Vierwege-Leistungsteiler (DC D 0922-4N, Sodhy, Frankreich) angeschlossen, wodurch vier Tiere gleichzeitig exponiert werden konnten. Ein Leistungsmesser (N1921A, Agilent, USA), der an einen Zweiwegekoppler angeschlossen war, ermöglichte die kontinuierliche Messung und Überwachung der einfallenden und reflektierten Leistung innerhalb des Geräts. Jeder Ausgang wurde an eine Rahmenantenne (Sama-Sistemi srl; Roma), wodurch eine teilweise Freilegung des Kopfes des Tieres ermöglicht wird. Die Rahmenantenne besteht aus einer gedruckten Schaltung mit zwei Metallleitungen (Dielektrizitätskonstante εr = 4,6), die auf einem isolierenden Epoxidsubstrat eingraviert sind. An einem Ende besteht das Gerät aus einem 1 mm breiten Draht, der einen Ring bildet und nahe am Kopf des Tieres platziert wird. Wie in früheren Studien26,62 wurde die spezifische Absorptionsrate (SAR) numerisch mithilfe eines numerischen Rattenmodells und einer Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethode (FDTD)63,64,65 bestimmt. Sie wurde auch experimentell in einem homogenen Rattenmodell mit Luxtron-Sonden zur Messung des Temperaturanstiegs bestimmt. In diesem Fall wird die SAR in W/kg mithilfe der Formel berechnet: SAR = C ΔT/Δt, wobei C die Wärmekapazität in J/(kg K), ΔT in °K und Δt die Temperaturänderung in Sekunden ist. Die numerisch bestimmten SAR-Werte wurden mit experimentellen SAR-Werten verglichen, die mit einem homogenen Modell, insbesondere in äquivalenten Rattenhirnregionen, erhalten wurden. Der Unterschied zwischen den numerischen SAR-Messungen und den experimentell ermittelten SAR-Werten liegt unter 30 %.
Abbildung 2a zeigt die SAR-Verteilung im Rattenhirn im Rattenmodell, die der Verteilung hinsichtlich Körpergewicht und Größe der in unserer Studie verwendeten Ratten entspricht. Der mittlere SAR-Wert des Gehirns betrug 0,37 ± 0,23 W/kg (Mittelwert ± SD). Die SAR-Werte sind im kortikalen Bereich direkt unter der Rahmenantenne am höchsten. Der lokale SAR-Wert in ACx (SARACx) betrug 0,50 ± 0,08 W/kg (Mittelwert ± SD) (Abb. 2b). Da die Körpergewichte der exponierten Ratten homogen sind und Unterschiede in der Dicke des Kopfgewebes vernachlässigbar sind, ist zu erwarten, dass der tatsächliche SAR-Wert von ACx oder anderen kortikalen Bereichen bei den exponierten Tieren sehr ähnlich ist.
Am Ende der Exposition erhielten die Tiere zusätzliche Dosen Ketamin (20 mg/kg, ip) und Xylazin (4 mg/kg, ip), bis nach dem Kneifen der Hinterpfote keine Reflexbewegungen mehr beobachtet wurden. Ein Lokalanästhetikum (Xylocain 2 %) wurde subkutan in die Haut und den Schläfenmuskel oberhalb des Schädels injiziert und die Tiere wurden auf ein metallfreies Heizsystem gelegt. Nachdem das Tier in den stereotaktischen Rahmen gelegt worden war, wurde eine Kraniotomie über dem linken Temporalkortex durchgeführt. Wie in unserer vorherigen Studie66 war die Öffnung, beginnend an der Verbindung von Scheitel- und Schläfenbein, 9 mm breit und 5 mm hoch. Die Dura über dem ACx wurde vorsichtig unter binokularer Kontrolle entfernt, ohne die Blutgefäße zu beschädigen. Am Ende des Verfahrens wurde eine Basis aus zahnärztlichem Acrylzement zur atraumatischen Fixierung des Tierkopfes während der Aufzeichnung konstruiert.
Die Daten wurden aus Multi-Unit-Aufzeichnungen im primären auditorischen Kortex von 20 Ratten gewonnen, darunter 10 mit LPS vorbehandelte Tiere. Extrazelluläre Aufzeichnungen wurden von einem Array aus 16 Wolframelektroden (TDT, ø: 33 µm, < 1 MΩ) gewonnen, das aus zwei Reihen mit je 8 Elektroden im Abstand von 1000 µm besteht (350 µm zwischen den Elektroden in derselben Reihe). Ein Silberdraht (ø: 300 µm) zur Erdung wurde zwischen dem Schläfenbein und der kontralateralen Dura eingeführt. Die geschätzte Lage des primären ACx liegt 4-7 mm posterior des Bregma und 3 mm ventral der Sutura supratemporale. Das Rohsignal wurde 10.000-fach verstärkt (TDT Medusa) und anschließend von einem Mehrkanal-Datenerfassungssystem (RX5, TDT) verarbeitet. Die von jeder Elektrode gesammelten Signale wurden gefiltert (610–10.000 Hz), um Multi-Unit-Aktivität (MUA). Die Triggerpegel wurden für jede Elektrode sorgfältig eingestellt (von Koautoren, die über die exponierten oder scheinexponierten Zustände im Unklaren waren), um das größte Aktionspotential aus dem Signal auszuwählen. Die Online- und Offline-Untersuchung der Wellenformen zeigte, dass die hier gesammelte MUA aus Aktionspotentialen bestand, die von 3 bis 6 Neuronen in der Nähe der Elektroden erzeugt wurden. Zu Beginn jedes Experiments legten wir die Position des Elektrodenarrays so fest, dass zwei Reihen mit je acht Elektroden Neuronen von niedrigen bis hohen Frequenzreaktionen abtasten konnten, wenn sie in rostraler Ausrichtung durchgeführt wurden.
Akustische Reize wurden in Matlab erzeugt, an ein RP2.1-basiertes Sound Delivery System (TDT) übertragen und an einen Fostex-Lautsprecher (FE87E) gesendet. Der Lautsprecher wurde 2 cm vom rechten Ohr der Ratte entfernt platziert, in welcher Entfernung der Lautsprecher ein flaches Frequenzspektrum (± 3 dB) zwischen 140 Hz und 36 kHz erzeugte. Die Lautsprecherkalibrierung wurde mithilfe von Rauschen und reinen Tönen durchgeführt, die mit einem Bruel- und Kjaer-Mikrofon 4133 aufgezeichnet wurden, das an einen Vorverstärker B&K 2169 und einen digitalen Rekorder Marantz PMD671 gekoppelt war. Das Spectral Time Receptive Field (STRF) wurde mithilfe von 97 Gammatonfrequenzen bestimmt, die 8 Oktaven (0,14–36 kHz) abdecken und in zufälliger Reihenfolge bei 75 dB SPL bei 4,15 Hz präsentiert wurden. Der Frequenzgangbereich (FRA) wird mithilfe desselben Satzes von Tönen bestimmt und in zufälliger Reihenfolge bei 2 Hz von 75 bis 5 präsentiert dB SPL. Jede Frequenz wird achtmal mit jeder Intensität dargestellt.
Reaktionen auf natürliche Reize wurden ebenfalls bewertet. In früheren Studien haben wir beobachtet, dass Lautäußerungen von Ratten selten starke Reaktionen in ACx hervorriefen, unabhängig von der neuronalen Optimalfrequenz (BF), während xenograft-spezifische Lautäußerungen (z. B. Lautäußerungen von Singvögeln oder Meerschweinchen) typischerweise die gesamte Tonkarte abdecken. Daher haben wir die kortikalen Reaktionen auf Lautäußerungen bei Meerschweinchen getestet (das bei 36 ​​verwendete Pfeifen war mit 1 s langen Reizen verbunden, die 25 Mal präsentiert wurden).

Wir können die passiven HF-Komponenten auch an Ihre Anforderungen anpassen. Sie können die Anpassungsseite aufrufen, um die gewünschten Spezifikationen anzugeben.
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