مغناطیس در پزشکی و زیست‌شناسی - 1

چکیده: بسیاری از فرآیندهای فیزیولوژیکی شامل میدان‌ها و جریان‌های الکتریکی‌اند، و اعمال الکتریسیته بر موجودات زنده می‌تواند آثاری از نجات‌بخش گرفته تا مهلک دربرداشته باشد. اما میدان‌های مغناطیسی حاصل از این فرایندها، و آثار میدان‌های مغناطیسی خارجی بر موجودات زنده هنوز کم‌وبیش ناشناخته‌اند.
بر طبق نظریه الکترومغناطیس از حرکت ذرات باردار میدان مغناطیسی به‌وجودمی‌آید و تغییرات این میدان هم موجب القای ولتاژ و جریان الکتریکی می‌شود. بنابراین می‌توان انتظار داشت که فرآیندهای فیزیولوژیکی مانند واقطبش ماهیچهٔ قلب و انتقال علامت در تارهای عصبی منجر به تولید میدان‌های مغناطیسی شوند، و برعکس، انتظار می‌رود میدان‌های مغناطیسی خارجی هم بتوانند اختلال‌هایی در شبکهٔ الکتریکی بدن ایجاد کنند؛ مشابه همان پدیده‌های تداخلی بی‌شماری که در دستگاه‌های الکترونیکی مشاهده می‌شود. با این وصف، تا چندی پیش کوشش‌هایی که برای اندازه‌گیری میدان‌های «بیومغناطیسی» به‌عمل‌می‌آمد مورد تأیید بسیاری از فیزیکدان‌ها نبود، درست همان‌طور که در گذشته هم به آزمایش‌هایی که هدفشان مطالعهٔ تأثیرات میدان‌های مغناطیسی خارجی بر سیستم‌های بیولوژیکی بوده به چشم تردید نگریسته شده است. موفقیت سریع و چشم‌گیر تصویرگری تشدید هسته‌ای (MRI) به عنوان يك وسيلهٔ تشخيص پزشکی جامعهٔ پزشکان و تا حدی عامهٔ مردم را با کاربردهای بالقوهٔ مغناطیس در پزشکی آشنا کرد. در عین حال، پیشرفت‌هایی که طی چند سال اخیر در اندازه‌گیری میدان‌های فوق العاده ضعیف مغناطیسی حاصل شده کمک‌کرده‌‌است تا دیدگاه‌های متعصبانهٔ قبلی تا حدی تغییر کند و این تغییر برای پژوهش‌گران پدیده‌های بیومغاطیسی احترام و هم‌چنین بودجه‌های تحقیقاتی -که شدیدا به آن نیاز دارند- به همراه‌آورده‌است. اکنون مفناطیس‌‌سنج‌های بسیار حساسی ساخته شده‌اند که می‌توانند امواج قلبی و مغزی را به طور دقیق نشان بدهند؛ بی‌آن‌که نیازی به اتصال الکترودها داشته باشند، و جانوران متعددی مثل بعضی انواع زنبور و ماهی تربیت شده‌اند که می‌توانند به محرک‌های مغناطیسی پاسخ بدهند. مغناطیس موجودات زنده در سراسر جهان مورد بحث در کنفرانس‌ها و تحقیق در آزمایشگاه‌‌هاست.
برای این مقاله بیومغناطیس را به طور کلی به صورت "مطالعهٔ میدان‌های مغناطیسی‌ای که منشأ حیاتی دارند" و مغناطوبیولوژی را به طور کلی به صورت "مطالعهٔ تأثیرات قابل اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی خارجی بر موجودات زنده" تعریف می‌کنیم.
بیو مغناطیس کاربردی
میدان‌های بیومغناطیس را می‌توان به دو دستهٔ عمده تقسیم کرد: میدان‌هایی که در اثر جریان‌های الکتریکی تولید می‌شوند و آن‌هایی که ناشی از حضور مواد پارامغناطیسی و فرومغناطیسی‌اند. جریان‌های بیوالکتریکی معلول حرکت یون‌ها(یی مثل +Na و +K و -Cl) در بدن‌اند - همان مکانیزم " تلمبه " یونی - که همراه با تراوایی پیچیدهٔ غشای سلول‌ها که برای یون‌های مختلف متفاوت است موجب می‌شود یک ولتاژ تقریباً ۹۰ میلی‌ ولتی دائماً بین داخل و خارج سلول برقرار باشد. انتقال علائم در آکسون‌ها (تارهای عصبی) به صورت یک پتانسیل عمل منتشرشونده ظاهر می‌شود، یعنی، به صورت تغییرات گذرا در اختلاف پتانسیل دائمی دو طرف غشاء. همین‌طور، دیوارهٔ عضلانی قلب با یک نظم خاص چرخهٔ واقطبش۔ باز قطبش را طی می‌کند که نتیجهٔ آن انقباض دوره‌ای ماهیچهٔ قلب است. در گروه‌های متشکل سلولی، آشفتگی‌های الکتریکی تک تک سلول‌ها با هم جمع می‌شوند و ایجاد علائم الکتریکی ماکروسکوپیک می‌کنند. این علائم را می‌توان با اتصال الکترودهایی به سطح بدن آشکار کرد و پس از تقویت به صورت الکتروانفالوگرام (EEG) و الکتروکاردیوگرام (ECG)، که کاربرد وسیعی در تشخیص پزشکی دارند، ثبت کرد. میدان مغناطیسی حاصل از این "دو قطبی‌های جریانی (جریان الکتریکی در یک قطعهٔ کوتاه) به همان شکل میدان حاصل از دو قطبی معمولی است.
اندازه‌گیری این نوع میدان‌های مغناطیسی در مقایسه با اندازه‌گیری‌های کمیات متناظر الکتریکی دو مزیت بارز دارد:
اول این‌که میدان‌های مغناطیسی از راه دور اندازه‌گیری می‌شوند و بنابراین نیازی به تماس با بدن نیست. به این ترتیب مشکلات مربوط به اتصالات و پتانسیل‌های تماس از میان برداشته می‌شود.
• دوم این‌که بافت‌های مختلف بدن میان نقطهٔ پیدایش علامت و نقطهٔ اندازه‌گیری آن تأثیر چندانی برمیدان‌های بیومغناطیسی (برخلاف میدان‌های بیوالکتریکی) ندارد. مثلا، جمجمه رسانایی الکتریکی ضعیفی دارد اما در برابر میدان‌های مغناطیسی "شفاف " است؛ یعنی جریان‌های الکتریکی حاصل از فعالیت مغز در عبور از جمجمه مغشوش می‌شوند، اما میدان‌های مغناطیسی تغییری نمی‌کنند، در نتیجه، و با توجه به ماهیت برداری اندازه‌گیری مغناطیسی، می‌توان منشأ علامت را به طور دقیق مشخص کرد.
رایج‌ترین روش اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی عبارت است از اندازه‌گیری جریانی که در یک سیم‌پیج در اثر تغییر میدان (یا وضعیت سیم‌پیج) القا می‌شود. در سال ۱۹۶۳/۱۳۴۲ دو فیزیک‌دان آمریکایی با همین روش - با استفاده از سیم‌پیچ‌هایی با تعداد زیادی حلقه و هم‌چنین تقویت کننده‌های بسیار کم‌نوفه - توانستند اولین مگنتوکاردیوگرام را ثبت کنند. با این روش می‌توان میدان‌های ضعیف تا حدود ۱۰ تسلا را هم اندازه‌گیری که این مقدار از شدت اغلب میدان‌های بیومغناطیسی‌ای که می‌توانند اهمیت پزشکی داشته باشند بیشتر است.
این مقادیر صدها و حتی هزاران بار از میدان‌های مغناطیسی نوفه‌ای موجود در محیط‌های شهری که در اثر عوامل مختلفی مانند کابل‌های حامل جریان قوی با اجسام بزرگ فرومغناطیسی مانند آسانسورها، اتومبیل‌ها، و قطارها به وجود می‌آیند کوچکترند. با انجام اندازه‌گیری‌ها در اتاق مخصوصی که "محفوظ" از مغناطیس باشد مشکل نوفه از میان می‌رود. از این نوع تسهیلات تعدادی در نقاط مختلف جهان (من‌جمله در بوستون، برلن، هلسینکی، و توکیو) ساخته‌شده‌اند که خیلی گران تمام ‌می‌شوند و به‌علاوه عموما برای عملیات معمولی تشخیص پزشکی نامناسبند. آشکارسازی علائم بيومغناطيسی بسیار کوچک در حضور میدان‌های مغناطیسی «مزاحم» که شدتشان خیلی بیشتر است، یک پیروزی تکنولوژیکی است که با ساخته‌شدن وسیلهٔ تداخل کوانتومی ابررسانا (اسکویید) بر پایهٔ اثر جوزفون طی بیست سال اخیر حاصل‌شده‌است. در حال حاضر با مغناطیس‌سنج‌های اسکویید می‌توان میدان‌هایی به کوچکی ۱۰ به توان ۱۴- تسلا را آشکار کرد، و در نتیجه می‌توان بسیاری از پدیده‌های متعدد بیومغناطیسی را مشاهده کرد:
• مگنتوکاردیوگرام (MCG). میدان مغناطیسی قلب بزرگ‌ترین میدان مغناطیسی فیزیولوژیکی بدن است و بنابراین به راحتی می‌شود آن را با یک آشکارساز نسبتاً سادهٔ اسکویید به دقت اندازه‌گرفت. علی‌رغم برتری‌های کاردیوگرافی بدون تماس، هنوز روشن نیست که آیا MCG حاوی اطلاعات بیش‌تری از ECG هست یا نه. به نظر می‌رسد که MCG بتواند در تشخیص بعضی اختلالات شبکهٔ رسانش الکتریکی قلب کاربرد بالینی پیداکند.
مگنتوانفالوگرام{MEG). تشخیص مغناطیسی سیستم عصبی مرکزی انسان احتمالا اولین کاربرد بالینی عمدهٔ اندازه‌گیری‌های بیومغناطیسی اسکویید خواهد بود. هم فعالیت خود‌به‌خودی مغز و هم پاسخ‌های تحریکی مغز به طریق مغناطیسی با استفاده از مغناطیس‌سنج‌های اسکوییدکم‌نوفه مشاهده‌شده‌است. پیشرفته‌ترین دستگاه‌های فعلی عبارتند از سیستم‌هایی با اسکوییدهای متعدد چندکاناله که می‌توانند هم‌زمان نواحی بزرگی را "نقشه‌برداری" کنند. یک نمونه از این سیستم‌ها، که در حدود پانصد هزار دلار قیمت دارد. چشم‌انداز مهیج مطالعهٔ طرزکار مغز، یعنی کاوش‌ساز و کارهای عمل‌کرد و اتصال‌های ارتباطی آن بدون مداخله فیزیکی، عده بسیار زیادی از محققان بیومغناطیس را به کار در این زمینه کشانده‌است. اخیرا در یک تحول چشم‌گیر، با استفاده از تمام امکانات یک سیستم اسکویید چندکاناله توانسته‌اند مراکز فعالیت غیر طبیعی الکترومغناطیسی در بیماران مبتلا به صرع کانونی را مشخص کنند.