现代生活中,人们的生活环境面临着越来越多的极低频电磁场暴露,如日常照明灯、电视机、电脑以及自然地磁环境中等均可产生极低频电磁辐射。外界极低频电磁场对生物体的影响效应是产生多种多样的,而中枢神经系统是电磁敏感的主要器官之一,外界电磁场对其影响逐渐引起了学者们的广泛关注。流行病学研究表明人群电磁场暴露与多种中枢神经系统疾病的发生或心理情绪状态的改变之间存在一定的相关性。近年来,也有学者发现电磁场暴露对某些中枢神经系统疾病具有一定的辅助性治疗作用。中枢神经系统有特征性的脑电活动机制,神经元细胞膜表面的离子通道(Na+、K+和Ca2+)的流动形成了跨膜电位,神经细胞膜电位的极化或者超极化状态可以产生膜电位脉冲,从而实现神经细胞内或细胞之间的不同电活动形式。大脑内的电活动形式主要包括δ、α、θ和β四种主要低频脑电震荡节律。不同节律的脑电震荡反映着不同的脑神经功能状态和机体的行为学、认知功能、记忆乃至思维状态。已有研究表明,外加电磁场对中枢神经系统脑电活动产生了显著的生物学和行为学效应,例如头晕、记忆力减退、睡眠质量差等,但是相关机制尚不完全明确。因此,明确电磁场对中枢神经系统的效应及相关调控机制已成为神经科学研究中的热点,主要涉及两个方面:一方面,电磁场对于机体健康的不利影响以及防护措施的研究;另一方面,电磁场也可以作为多种中枢神经系统疾病的辅助性治疗方式,如精神分裂症、脑退行性疾病和中枢神经系统损伤性疾病的修复性治疗等。海马是中枢神经系统中生理功能研究较为明确的核团之一,是神经科学领域学者们普遍采用的研究对象之一。本论文采用开放旷场实验研究接近于自身脑电频率的外界极低频电磁场暴露对大鼠自发行为状态和情绪反应的影响,并在体记录海马CA1区神经电生理信号研究相应的脑电活动规律,明确极低频电磁场对生物体行为影响的潜在神经电生理机制。材料和方法1.行为学实验:将100只SD大鼠随机均等的分为4个实验组和1个对照组,各组均为20只。实验组大鼠分别接受3、5、10和15Hz,场强为200、400和600V/m的电磁场暴露,对照组无电磁场暴露。采用开放旷场实验(Open Field Test)观察各组大鼠的自发活动度、探索行为和情绪等指标。行为学实验数据用AVT Prosilica GT1290C摄像机和Norpix Streampix 6.0软件实时采集、压缩并在硬盘保存以便离线分析。2.行为学数据分析指标:采用Noldus Ethovision XT 9.0对录制的行为学视频数据进行离线分析。分别分析大鼠在开放旷场不同区域,包括周边,角落和中央区域的肢体运动和静止的持续时间、均值及区域转移时间等指标。在SPSS 18.0版本中,采用多因素方差分析(MANOVA)对各组的行为学数据结果进行统计学分析,以P<0.05作为显著性差异的判断标准。3.神经电生理实验:在10只SD大鼠脑海马CA1区植入微阵列电极,待动物手术恢复3日后,将大鼠暴露于电磁场环境中进行在体脑神经电信号采集。神经信号采集时,动物处于清醒自由活动状态,采集时间共9分钟,中间3分钟接受电磁场暴露,实验前和后3分钟未接受电磁场环境暴露。4.神经电生理数据分析:对采集的神经电信号进行离线分析,Offline Sorter软件对原始脑电信号进行Spikes识别和分类;Neuron Explorer软件对原始信号场电位进行功率谱、Spike放电模式、自相关和互相关分析;在Matlab2013b软件中,用小波提取法在原始信号中提取不同频段信号波形,脑电信号累计平均算法提取可能的诱发电位。最后,在Origin绘图软件中对以上分析结果进行图像处理和形成。结果1.开放旷场行为学实验:在3Hz,600V/m的电磁场环境中,大鼠在旷场周边和角落的不活动累积时间增加,与其他电磁场暴露组和对照组比较均具有统计学差异(P<0.05)。在10Hz,600V/m的电磁场环境中,大鼠在开放旷场周边和角落的高度活动累积时间明显高于其他电磁场暴露组和对照组,具有统计学差异(P<0.05)。所有实验组(3Hz、5Hz、10Hz和15Hz)大鼠在旷场中央区域的静止累积时间和活动累积时间均较对照组明显增加(p<0.05)。2.神经电生理实验:3Hz,600V/m电磁场暴露可以显著性的降低大鼠海马CA1区θ节律性脑电震荡,主频向δ频段转移。而在10Hz,600V/m电磁场暴露组中,θ节律震荡的能量也减少,脑电能量集中在α和δ波段。而5Hz和15Hz电磁场暴露未对海马CA1区脑电功率谱产生显著性的影响。10Hz,600V/m电磁场暴露可以使θ波的振幅减小。3Hz和10Hz电磁场暴露可以使大鼠海马CA1区锥体神经元Spike放电减少,较非暴露时间具有统计学差异(p<0.05)。而5Hz和15Hz电磁场暴露可以使Spike放电的数目增加,但无统计学差异(p<0.05)。在海马CA1区,电磁场刺激即刻结束时间段内产生了新的生物电位,特征为持续约300ms,幅度为10u V。结论1.将大鼠暴露于电磁场环境中,外界磁电场环境可以对大鼠的自发行为学表现产生显著性的影响。3Hz,600V/m电磁场暴露可以使大鼠自发活动时间减少,动物的情绪反应低落,多处于焦虑状态。而10Hz,600V/m电磁场可以使大鼠的自发活动时间增加,大鼠可以表现为积极和活跃的情绪反应。电磁场暴露组均对大鼠的自发探索行为产生了抑制性作用。2.极低频电磁场可以对大鼠海马CA1区脑电活动产生调控性作用。3Hz和10Hz,600V/m电磁场暴露不仅可以使大鼠海马CA1区θ节律性脑电活动产生抑制作用、能量谱向外界施加的电磁场频段转移,而且可以抑制锥体神经元动作电位发放频率。此外,外界电磁场刺激可能导致诱发电位产生,即事件诱发电位。3.外界极低频电磁场可以对机体的行为学产生一定的影响,该机制是通过调节大脑内脑电活动机制实现的。