<Desc/Clms Page number 1>
WERKWIJZE EN INRICHTING VOOR HET ONDERDRUKKEN VAN
NEURON ACTIEPOTENTIAALACTIVATIES ACHTERGROND VAN DE UITVINDING Onderhavige uitvinding heeft betrekking tot een magnetische inrichting met vier cylindrische, magnetische lichamen die aan het oppervlak centraal geladen zijn, volgens een opstelling met afwisselende polariteit ingericht zijn en in een houder zijn opgenomen. De uitvinding heeft eveneens betrekking tot een werkwijze voor het gebruiken van de magnetische inrichting voor het onderdrukken van de activatie van actiepotentialen van zintuiglijke neuronen van zoogdieren.
Er bestaat een verschil in electrisch potentiaal over het celmembraan van een zintuiglijk neuron of zenuwcel.
Wanneer een neuron een impuls ontvangt dat vanuit een ander neuron wordt overgedragen, wordt het electrisch potentiaalverschil over het celmembraan aanzienlijk verminderd en keert deze over't algemeen om. Deze vermindering en omkering van potentiaal worden verwezen als zijnde de activatie van het actiepotentiaal van het neuron. Indien dergelijke activaties van het actiepotentiaal onderdrukt worden, wordt de transmissie van zenuwimpulsen eveneens onderdrukt.
De magnetische stimulatie van zenuwcellen werd tot stand gebracht middels toestellen zoals de Cadwell MagnetoElectrische Stimulator (MES-10) vervaardigd door Cadwell Laboratories, Inc. van Kennewick, Washington. Recente
<Desc/Clms Page number 2>
studies wijzen aan dat statische magnetische velden het gedrag van zenuwweefsels kunnen wijzigen. In een studie welke beschreven werd in Hong, Harmon & Yu : Static Magnetic Field Influence on Rat Tail Nerve Function, 67 Arch. Phys. Med. Rehabil. 746-49 (1986), was aangetoond dat een homogeen statisch magnetisch veld met een grootte van meer dan 0, 5 Tesla (T) de zenuwfunctie wijzigde indien toegepast tijdens een periode van ten minste 30 s.
De studie van Hong gaat er van uit dat een electromagnetisch veld de pijn kan verminderen door het selectief laten toenemen van de prikkelbaarheid van grote zenuwweefsels, die (volgens de zogenaamde gate control theorie) de ingang van pijn kunnen tegenwerken.
Deze studie suggereert eveneens dat statische magnetische velden de zenuwfunctie veranderen door het stabiliseren van zenuwcelmembranen en van de permeabiliteit van de membranen ten opzichte van bepaalde ionen waarvan de doorgang door het celmembraan de activatie van actiepotentialen tot gevolg heeft.
Pijngevoel kan het gevolg zijn van een niet geschikte zenuwfunctie zowel wanneer een dergelijke pijn veroorzaakt is door buitensporig prikkelbare zenuwcellen of door zenuwcellen dewelke celwandmembranen vertonen met een ionenlek. Pijngevoel kan ook veroorzaakt zijn door beschadigde zenuwcellen. Bijvoorbeeld kunnen zenuwcellen beschadigd worden door postoperatieve heling of door een fysische botsing, gewoonlijk gepaardgaande met een degeneratieve discusziekte. Zelfs indien de zenuwen op geschikte wijze werken, begint een chronisch pijngevoel via de zenuwcellen. Aldus kunnen nieuwe wegen voor het wijzigen van de zenuwcelfunctie, zoals bijvoorbeeld door het stabiliseren van de zenuwcelwandmembranen, de behandeling van pijn vergemakkelijken.
<Desc/Clms Page number 3>
SAMENVATTING VAN DE UITVINDING In overeenkomst met de principes van onderhavige uitvinding, volgens de hierna uitvoerig beschreven uitvoeringsvormen, is een inrichting en een werkwijze voor het onderdrukken van zenuwcel actiepotentialen voorzien. Volgens de uitvinding is een magnetische inrichting nabij een zintuiglijk neuron van een zoogdier zodanig opgesteld dat het magnetisch veld gegenereerd door een vierpolig oppervlak van de inrichting symmetrisch is opgesteld ten opzichte van het neuron.
Tijdens een dergelijke opstelling en tijdens een periode hierna worden de neuronactiepotentialen onderdrukt. De magnetische inrichting omvat vier magnetische lichamen, elk met-twee ongelijknamige magnetische polen. Twee positieve en twee negatieve magnetische polen zijn nagenoeg in een enkel vlak opgesteld en om de vier toppunten van een vierhoekige vorm te bepalen, bepalen de twee positieve polen, twee diagonale toppunten en de twee negatieve polen de tegenoverliggende twee diagonale toppunten van de vierhoekigevorm. Een omhulsel is voorzien om de magnetische lichamen in een vaste relatieve positie te houden en aldus de vierhoekige oriëntatie van de polen te behouden.
Elk van de vier magnetische lichamen is cylindrisch en vertoont tegenoverliggende centraal geladen oppervlakken. De nabijheid van de individuele magneten binnen de inrichting moet behouden blijven. Indien de individuele magneten gescheiden worden of indien de inrichting in de korte nabijheid van andere magneten wordt gebracht, worden het magnetisch veld en zijn gradiënt zodanig veranderd dat de inrichting niet op een gepaste wijze zal werken.
<Desc/Clms Page number 4>
KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENINGEN Figuur 1 is een schematische voorstelling van een experimenteel ontwerp dat aangewend wordt voor het volgen van de onderdrukking van de zenuwcel actiepotentialen middels de werkwijze van onderhavige uitvinding.
Figuur 2 is een perspectief aanzicht van een eerste uitvoeringsvorm van een magnetische inrichting in overeenkomst met de principes van de uitvinding.
Figuur 3 is een bovenaanzicht van de magnetische inrichting volgens figuur 2.
Figuur 4 is een dwarsdoorsnede langs de lijn III-III volgens figuur 2.
Figuur 5'is een zijaanzicht van een der magnetische lichamen van de magnetische inrichting volgens figuur 2. Figuur 6 is een bovenaanzicht van een tweede uitvoeringsvorm van een magnetische inrichting overeenkomstig de principes van de uitvinding.
Figuur 7 is een dwarsdoorsnede genomen langs de lijn VIVI volgens figuur 6.
Figuur 8 is een bovenaanzicht van de magnetische inrichting volgens figuur 2 met toevoeging van stippels voor het aanduiden van de meetplatsen van het magnetisch veld.
Figuur 9 is een grafiek van de metingen van het magnetisch veld genomen op de meetplaatsen aangeduid in figuur 8.
Figuren 10 tot en met 16 stellen roosters voor van metingen van het magnetisch veld genomen op verscheidene afstanden van het oppervlak van de magnetische inrichting volgens figuur 2.
Figuren 17A-B stellen een illustratie voor van het magnetisch veld van de magnetische inrichting van figuur 2 en een verder illustratie van de inrichting volgens
<Desc/Clms Page number 5>
figuur 2 respectievelijk.
Figuren 18A-B stellen een illustratie voor van het magnetisch veld van een verdere magnetische inrichting en een verdere illustratie van deze inrichting respectievelijk.
Figuren 19A-G tonen oscilloscoopbeelden van testen op zenuwcellen van zoogdieren uitgevoerd met gebruik van de magnetische inrichting volgens figuur 2.
Figuren 20 A tot en met 23D tonen oscilloscoopbeelden van testen op zoogdierneuronen uitgevoerd met toepassing van magnetische inrichtingen die verschillen van deze uitgebeeld in figuur 2.
Figuur 24 is een grafiek voor het vergelijken van het gemiddeld aantal keren dat de neuronen faalden in het afleiden'van actiepotentialen in respons op toegepaste stimuli voor, tijdens en na blootstelling aan de magnetische inrichting volgens figuur 2 en aan een inrichting met twee magneten.
Figuren 25A-C stellen het magnetisch veld voor rond de magnetische inrichting volgens figuur 2 en een inrichting met 16 magneten, en zij tonen comparatieve neuronactivatiedata voor beide inrichtingen.
Figuren 26A-B tonen de opstelling van twee der magnetische inrichtingen volgens figuur 2 voor het meten van hun magnetische velden.
Figuur 27 toont een grafiek van de data voor het magnetisch veld voor de inrichtingen van figuren 26A-B.
Figuren 28A-B illustreren het magnetisch veld rond de magnetische inrichting van figuur 2 en een inrichting met twee magneten, en zij tonen comparatieve neuronenactivatiedata voor beide inrichtingen.
Figuur 29 stelt schematisch de nrichting voor welke is toegepast voor het meten van de data voor het magnetisch veld getoond in figuur 27.
Figuur 30 is een grafiek die het gemiddeld aantal keren
<Desc/Clms Page number 6>
vergelijkt dat de neuronen faalden in het verwekken van actiepotentialen in respons op de toegepaste stimuli voor, tijdens, en na blootstelling aan de magnetische inrichting volgens figuur 2 en aan analoge magnetische inrichtingen waarin de magneten ten opzichte van elkaar gespreid werden op verscheidene afstanden.
Figuur 31 toont een testopstelling waarin de magneten gehouden werden tijdens het uitvoeren van de testen waarvoor de data uitgebeeld zijn in figuur 30.
Figuur 32 illustreert de magnetische geometrie die werd aangenomen bij het berekenen van het magnetisch veld en de veldgradiënt rond de magnetische inrichting volgens figuur 2.
Figuur 33 illustreert een schematische ontmagnetiseringscurve voor verscheidene ferromagnetische materialen.
GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING Verder zal in detail worden verwezen naar de onderhavige voorkeuruitvoeringsvormen van de uitvinding waarvan voorbeelden geïllustreerd zijn in de bijgevoegde figuren. In de figuren verwijzen analoge referentiekarakters naar analoge elementen.
BESCHRIJVING EN KARAKTERISERING VAN DE MAGNETISCHE INRICHTING Een eerste uitvoeringsvorm van de permanente magneetinrichting volgens de uitvinding is voorgesteld in figuren 2 tot en met 5. Volgens deze uitvoeringsvorm, omvat de magnetisch inrichting 10 vier magnetische lichamen 12,14, 16 en 18 die in een omhulsel 20 georiënteerd en gehouden zijn hetwelk gemakkelijk kan worden gehanteerd zonder de opstelling van de
<Desc/Clms Page number 7>
magnetische lichamen te wijzigen. Elk magnetisch lichaam is een cylindrische, centraal geladen permanente magneet en de magneten bezitten dezelfde afmetingen en sterkte. De magnetische polen zijn opgesteld in nagenoeg twee evenwijdige vlakken, waarbij ieder vlak ongelijknamige positieve en negatieve magnetische polen bevat. Samen vormen de vier magnetische lichamen een magnetische achtpool.
Zoals voorgesteld in figuur 5 is een oppervlak 22 van elke magnetische pool positief centraal geladen en het tegenovergesteld oppervlak 24 is negatief centraal geladen. Aldus is een positieve magnetische pool gecenterd op het oppervlak 22, terwijl een negatieve magnetische pool gecenterd is op het oppervlak 24. De vier magnetische lichamen zijn georiënteerd voor het bepalen van vier toppunten van een vierhoekigevorm. Zoals voorgesteld in figuren 2 en 3, omvatten de vier magnetische polen in beide evenwijdige vlakken twee positieve en twee negatieve polen, waarbij de twee positieve polen twee diagonalen toppunten bepalen en beide negatieve polen de diagonale toppunten bepalen van de vierhoekige vorm. De afstand tussen de polen in elk vlak is zodanig dat het magnetisch veld gegenereerd door iedere pool een aanzienlijke grootte bezit bij elk van de andere polen.
Zoals voorgesteld in figuur 4 bevinden de positief geladen oppervlakken van de magnetische lichamen 14 en 18 en de negatief geladen oppervlakken van de magnetische lichamen 12 en 16 zich in een enkel vlak. Beide positieve polen aan het oppervlak 14 en 18 bepalen tegenliggende diagonale toppunten van de vierhoeksvorm, terwijl beide negatieve polen aan de oppervlakken van de magnetische lichamen 12 en 16 tegenoverliggende
<Desc/Clms Page number 8>
diagonale toppunten bepalen. Ieder van de vier magnetische polen wordt magnetisch aangetrokken door de twee ongelijknamig geladen polen en wordt magnetisch afgestoten door de gelijk geladen polen.
Bij voorkeur bezitten de magnetische lichamen een gelijke diameter dewelke begrepen kan zijn in het gebied tussen 0, 25" (0, 63 cm) tot 0, 50" (1, 27 cm). Nochtans kunnen veel kleinere magnetische lichamen doeltreffend zijn. Bij voorkeur bezitten de magnetische lichaam verder een gelijke dikte. De magnetische lichamen kunnen relatief dun zijn ten opzichte van hun diameter om een relatief platte magnetische inrichting te verschaffen. De verhouding van de dikte tot de diameter kan 0, 5 : 1 bedragen hoewel hogere en lagere verhoudingen ook werken. Indien cylindrische magnetische lichamen met ongelijknamige polen op tegenoverliggende oppervlakken in de uitvinding worden aangewend zullen beide zijden van de magnetische inrichting 10 hetzelfde magnetisch veld vertonen.
Aldus kan van ieder oppervlak van de achtpolige inrichting beschouwd worden dat zij een vierpolige configuratie bezitten.
Zoals voor de vakman duidelijk zal zijn, worden permanente magneten op typische wijze gevormd uit ferromagnetische materialen. De sterkte van het magnetisch veld gegenereerd op een gegeven afstand van de permanente magneet hangt af van de eigenschappen van het magneetmateriaal en van de geometrie van de magneet.
De eigenschappen van een ferromagnetisch materiaal worden gewoonlijk voorgesteld door de ontmagnetiseringscurve van het materiaal, gevormd door het deel van de hysteresiscurve (magnetische inductie (B) in functie van de magnetische veldsterkte (H)) in het tweede kwadrant wanneer de magnetisatie verminderd
<Desc/Clms Page number 9>
is met de verzadiging. Een schematische ontmagnetiseringscurve voor neodymium - ijzer - boor (hierin gewoon verwezen als neodymium) wordt in figuur 33 vergeleken met curven voor samarium-cobalt, Alnico, en ferriet.
De ontmagnetiseringscurve illustreert drie verwante eigenschappen van elk materiaal. De eerste is remanente magnetisatie van het materiaal, die door de doorsnede van de curve met de verticale as is voorgesteld. Een gewone remanente magnetisatiewaarde voor neodymium is 13 kG. De tweede is de coërcitiekracht van het materiaal, die door de doorsnede van de curve met de horizontale as is voorgesteld. Een typische waarde voor neodymium is 14 kOe. De derde eigenschap is de energiewaarde van het materiaal, die de maximum waarde is van het produkt BH. De energiewaarde stelt de magnetische energie voor dewelke is opgeslagen in een permanent magneetmateriaal.
Zoals blijkt uit figuur 33 bezit neodymium het hoogste energieprodukt van de voorgestelde materialen met samarium-cobalt iets lager, en Alnico en ferriet veel lager. Typische energieprodukten zijn 25-40 MG-Oe voor neodymium en 20 MG-Oe voor samarium-cobalt.
Zoals bekend uit de stand der techniek hangt de sterkte van het ontmagnetiseringsveld van een permanente magneet in een open kring-configuratie van de vorm af van de permanente magneet. De geometrie van de magneet bepaald de ontmagnetiseringsfactor Nd, dewelke op haar beurt de lastlijn van de magneet aanduidt, dewelke de plaats voorstelt van mogelijke werkingspunten voor de magneet.
Zoals voorgesteld in figuur 33 gaat de lastlijn door de oorsprong in het B, H - vlak en vertoont een helling die in omgekeerde verhouding staat met de ontmagnetiseringsfactor Nd. Voor een magneet die een
<Desc/Clms Page number 10>
geometrie bezit zoals deze voorgesteld in figuur 2, dit is met een lage lengte tot diameter verhouding, is Nd relatief groot, bijvoorbeeld 0, 5. De helling van de lastlijn is dus relatief zwak. De doorsnede van de lastlijn in figuur 33 met de ontmagnetiseringscurves van de verscheidene voorgestelde materialen wijst aan dat neodymium het hoogste energieprodukt bezit in het punt van de doorsnede met de lastlijn. Dit heeft gedeeltelijk zijn hoge coërcitiekracht tot gevolg. Bijgevolg is het voorkeurmateriaal neodymium. Nochtans kunnen andere materialen zoals samarimium-cobalt en ferriet ook in de inrichting worden aangewend.
De magnetische lichamen in de inrichting van figuur 2 zijn bij'voorkeur centraal geladen wat betekent dat de magnetische energie geconcentreered is op de centrale as van elke magneet eerder dan gelijkmatig verdeeld over het oppervlak van de magneet. Het magnetisch inductieveld over het centraal geladen oppervlak bezit een gradiënt die steiler is dan deze van het veld over een niet centrale geladen oppervlak. Zoals verder uiteengezet wordt de grootte van de gradiënt verondersteld een belangrijke factor te zijn in de doeltreffendheid van de magnetische inrichting.
Geschikte centraal geladen neodymiummagneten worden vervaardigd door Delco Remy, een afdeling van General Motors Corporation, evenals door heel wat andere bronnen met inbegrip van de regering van de Volksrepubliek China.
Het omhulsel 20 houdt de magnetische lichamen in de gewenste oriëntatie. Het omhulsel 20 kan een thermoplastische plastische massa omvatten waarin de vier magnetische lichamen 12, 14, 16 en 18 verzonken
<Desc/Clms Page number 11>
zijn. Het omhulsel 20 kan een fijn gewoven mantel omvatten.
Een tweede uitvoeringsvorm van de permanente magneet inrichting zoals voorgesteld in figuur 6 omvat twee platte langwerpige permanente magneten 32 en 34 die elk een positieve en een negatieve pool bezitten. Zoals voorgesteld in figuur 7 zijn de langwerpige magnetische lichamen 32 en 34 verzonken in een insluitingslichaam 40 bestaande uit een plastisch materiaal. De magneten vormen een vierpolige opstelling. De positieve pool 35 en de negatieve pool 36 van het magnetisch lichaam 32 en de positieve pool 37 en de negatieve pool 38 van het magnetisch lichaam 34 zijn georiënteerd om de vier toppunten van een rechthoeksvorm te bepalen waarin de positieve polen 35 en 37 tegengestelde diagonale toppunten bepalen van de rechhoeksvorm en de negatieve polen 36 en 38 tegenliggende diagonale toppunten bepalen van de rechthoeksvorm.
Het magnetisch veld gegenereerd door de eerste uitvoeringsvorm, een permanente magnetische inrichting 10, is voorgesteld en gekwantificeerd in de grafieken en kaarten van figuren 8 tot 17. De metingen in figuren 9 tot 16 werden uitgevoerd met een Hall-effect probe en een Gauss-meter op een achtpolige permanente magnetische inrichting zoals voorgesteld in figuur 2, waarin elk van de vier magnetische lichamen een neodymium magneet was met een diameter van 0, 5" (1, 27 cm) en een energieprodukt van 27MG-Oe. De interpolaire afstand (van het middelpunt van een magneetoppervlak tot dat van een aanliggende magneet) bedraagt 14 mm.
Deze achtpolige opstelling van centraal geladen neodiymium magneten produceert een gefocusseerd
<Desc/Clms Page number 12>
magnetisch veld met een steile gradiënt, dat wil zeggen een grote verandering in de grootte van het magnetisch veld ten opzichte van de afstand over een betrekkelijk groot gebied.
Figuur 9 is een grafiek van de metingen van het magnetisch veld genomen langs het oppervlak van de magnetische inrichting op meetplaasten verspreid over 0, 25" (0, 63 cm) langs de diagonale lijnen in figuur 8 voorgesteld. De metingen zijn deze van de component van de magnetische inductie die loodrecht is op het vlak van de inrichting. De grafieklijn 14 in figuur 9 stemt overeen met metingen die genomen zijn langs de diagonaal 46-47 in figuur 8 ; grafieklijn 42 stemt overeen met metingen genomen langs de diagonaal 46-49 ; grafieklijn 43 stemt overeen met metingen genomen langs de diagonaal 43-48 ; en de lijn 44 van de grafiek stemt overeen met metingen genomen langs de diagonaal 46-50.
De data in figuur 9 tonen aan dat de grootte van het magnetisch veld verwaarloosbaar is in het middelpunt van de magnetische behandelingsinrichting, het grootst is op 0, 5" (1, 27 cm) van het middelpunt van de inrichting (dat wil zeggen dichtbij of in het middelpunt van het oppervlak van een magneet) in elk van de vier diagonale richtingen en vermindert tot nagenoeg nul op 1, 25" (3, 17 cm) van het middelpunt van de inrichting. De achtpolige opstelling van de inrichting creëert een kegelvormingseffect voor het magnetisch veld waarin het magnetisch veld verwaarloosbaar is in het centrum van de inrichting en het grootst is op nagenoeg 0, 5" (1, 27 cm) van het centrum van de inrichting met steile gradiënts in alle richtingen vanuit het centrum over een betrekkelijk groot gebied.
<Desc/Clms Page number 13>
Figuren 10 tot 16 tonen data van de metingen voor het magnetisch veld genomen op verscheidene afstanden van het oppervlak van de magnetische inrichting bescheven met betrekking tot figuur 8 en 9. De plaats op de oppervlakken van de magneten (dat wil zeggen het centrum van hun oppervlakken) van de positieve polen zijn aangeduid met de letter "N" (noord) en van de negatieve polen met de letter"S" (zuid).
De metingen werden genomen op afstanden op het oppervlak van de magnetische inrichtingen welke in de hiernavolgende tabellen zijn aangegeven :
EMI13.1
<tb>
<tb> Fig. <SEP> # <SEP> Distance <SEP> from <SEP> surface <SEP> (in./cm)
<tb> 10 <SEP> I <SEP> 0. <SEP> 0 <SEP> J <SEP> 0. <SEP> 0 <SEP> I <SEP>
<tb> 11 <SEP> I <SEP> 0. <SEP> 4 <SEP> 11. <SEP> 02 <SEP>
<tb> 12 <SEP> 0. <SEP> 8 <SEP> / <SEP> 2.03
<tb> 13 <SEP> 1. <SEP> 2 <SEP> I <SEP> 3. <SEP> 05 <SEP>
<tb> 14 <SEP> 1. <SEP> 6/4. <SEP> 08 <SEP>
<tb> 15 <SEP> 2. <SEP> 0 <SEP> / <SEP> 5.08
<tb> 16 <SEP> I <SEP> 2. <SEP> 75 <SEP> J <SEP> 6. <SEP> 99 <SEP>
<tb>
De meetroosters van figuren 10 tot 16 bedragen elk 6, 0" op 6, 0" (15, 2 cm op 15, 2 cm) met individuele roostervierkanten van 0,5" op 0,5" (1,27 cm op 1, 27 cm).
De Gauss-meter werd gebruikt om het magnetisch veld te meten in het centrum van elke roostervierkant en de meting was opgenomen op het overeenstemmend rooster vierkant van figuren 10 tot 16. Nogmaals betreffen de metingen de component en van de magnetische inductie die loodrecht is op het vlak van de inrichting.
Zoals uit deze data blijkt, strekte de meetbare
<Desc/Clms Page number 14>
magnetische inductie zich twee inches (5, 08 cm) uit ten opzichte van de inrichting. Op 2, 75" (6, 99 cm) boven het oppervlak van de behandelings inrichting, was de meetinrichting die in de test werd gebruikt niet gevoelig genoeg om de intensiteit van het magnetisch veld te kwantificeren maar deze was ertoe in staat een onderscheid te maken tussen een positief (noordpool) en een negatief (zuidpool) veld, zoals voogesteld in figuur 15. Aldus blijkt dat een detecteerbaar achtpolig magnetisch veld zich ten minste tot 2, 75" (6, 99 cm) uitstrekt vanuit het oppervlak van de magnetische inrichting volgens onderhavige uitvinding.
Een beduidend biologisch effect op neuronen werd waargenomen wanneer het neuron zich op een zodanige afstand van de inrichting bevond dat de veldsterkte bij het neuron 50 G bedroeg (ongeveer 2 cm). Verder is aangenomen dat een biologisch effect plaatsheeft bij veldsterkten van minder dan 1 G, voor zover dat het neuron symmetrisch omringd is door het achtpolig veld van de inrichting. Zoals hiernavolgend uiteengezet is aangenomen dat de grootte van de magnetische inductie niet de enige factor is, het is de combinatie van de grootte en de gradiënt.
Figuur 17A stelt het magnetisch veld voor dat gegenereerd wordt door de magnetische inrichting 10 (opnieuw voorgesteld in figuur 17B ter referentie). De metingen werden genomen op een afstand van 3 mm van het oppervlak van de magnetische inrichting op dezelfde manier als de metingen voor de data in figuren 9 tot 16, en worden voorgesteld in milliTesla (mT). Figuur 18 A stelt het magnetisch veld voor gegenereerd door een magnetische inrichting die twee der magneten van de inrichting volgens figuur 2 bezit (waarbij de inrichting met twee magneten schematisch is voorgesteld in figuur 18B ter referentie).
<Desc/Clms Page number 15>
Figuren 18A en 17A illustreren het effect dat de nabijheid van de magneten ten opzichte van elkaar heeft op het magnetisch veld gegeneerd door de inrichtingen.
Ten eerste, zoals duidelijk zal zijn voor de vakman, vermindert het plaatsen van magneten met ongelijknamige polariteit in de nabijheid van elkaar de piekgrootte van de magnetische inductie over iedere magneet, vermits het magnetisch veld gegenereerd door een magneet het door een magneet met ongelijknamige polariteit gegenereerde veld verschuift. Ten tweede bezit de magnetische inductie een gradient tussen aanliggende magneten met ongelijknamige polariteit die steiler is dan de inductie op de meest afgelegen zijden van elke magneet of rond een geïsoleerde magneet.
Ten derde wordt, door het toevoegen van twee verdere magneten tot de inrichting voorgesteld in figuur 18B (waardoor de achtpolige opstelling volgens figuur 2 en 17B worden voortgebracht) de piekgrootte van de magnetische inductie verder verminderd. Bijvoorbeeld wijst een vergelijking tussen figuren 17A en 18A aan dat de piekinductie verminderd wordt met ongeveer 20 mT (200 G) tot 10 mT (100 G). Het toevoegen van verdere magneten met ongelijknamige polariteit rond de vier magneten van de inrichting volgens figuur 2 zou de piekinductie verder doen afnemen.
Ten vierde, de twee bijkomende magneten in de inrichting volgens figuren 2 en 17B produceren een ruimer gebied waarbinnen de grootte van de magnetische inductiegradiênt groter is. Hoewel de grootte van de gradient tussen de twee magneten van de inrichting voorgesteld in figuur 18B groter is dan in het gebied begrepen tussen de vier magneten van de inrichting volgens figuur 2, is de gradient het grootst over een
<Desc/Clms Page number 16>
veel kleiner gebied. Zoals hiernavolgend in detail uiteengezet is aangenomen dat het effect dat de inrichting volgens figuur 2 op neuronen heeft afkomstig is van de grootte en de magnetische inductiegradiënt betreft, alleen of in combinatie met de grootte van de inductie zelf.
Ten slotte zal het voor de vakman duidelijk zijn dat de hierboven aangegeven effecten verband houden met de nabijheid van de magneten ten opzichte van elkaar. Hoe groter de onderlinge afstand tussen de magneten, hoe meer elke magneet zich zal gedragen alsof deze van de magnetische velden van de verdere magneten zou afgezonderd zijn. Overeenstemmend, hoe dichter de magneten ten opzichte van elkaar geplaatst zijn, hoe groter de grootte van de gradiënt van de magnetische inductie zal zijn. Het effect van de afstand is vrij uitgesproken vermits de sterkte van het magnetisch veld rond de dunne magneten van de inrichting volgens figuur 2 (dewelke als magnetische dipolen benaderd kunnen worden) met de derde macht van de afstand ten opzichte van de magneet afneemt.
Bij voorkeur worden de magneten dus zo dicht mogelijk ten opzichte van elkaar geplaatst. Nochtans zouden de magneten ten minste op een afstand ten opzichte van elkaar moeten worden geplaatst waarbinnen de grootte van de magnetische inductie geproduceerd door iedere magneet een beduidend percentage vertengenwoordigt van zijn piekwaarde op de plaatsen van de verdere magneten. Uit de data voorgesteld in figuren 9 tot 18 blijkt het dat voor neodymium magneten de grootte van de magnetische inductie een klein percentage bereikt van zijn piekwaarde op een afstand van ongeveer twee diameters (1, 0"/2, 54 cm) van het centrum van iedere magneet.
<Desc/Clms Page number 17>
Effect van maqnetische inrichtingen op neuronen De werkwijze waarmee de magnetische inrichting 10 gebruikt wordt voor het blokkeren van de depolarisatie van neuronmembranen is hierna beschreven.
De inrichting volgens figuur 2 evenals verscheidene verdere configuraties van magnetische lichamen werd uitgetest.
De data tonen aan dat de inrichting volgens figuur 10 een betere blokkering van de neuronmembraandepolarisatie teweegbrengt dan endere welke verdere uitgeteste configuratie. De uittestingsmethodologie wordt hierna beschreven, en vervolgens worden de testresultaten voorgesteld.
EMI17.1
Neuronvoorbereiding en-uittesting Kweken van ruggemergneuronen werden voorbereid volgens het volgende proces. Ruggemerg en verbonden wortelganglia werden uit foetale muisembryo's ontleden (dracht van 12 tot 14 dagen). Het weefsel werd gehakt en vervolgens mechanisch gedissocieerd door fijnmaking in Ca++ en Mg++ vrij gecompenseerde zoutoplossing tot een suspensie van eenvoudige cellen en kleine blokjes. De gedissocieerde cellen werden vervolgens gesuspendeerd in een kweekmiddenstof. De kweekmiddenstof bestond uit 50 % zogenaamde Eagle's Essential Medium en 50 % zogenaamde gecompenseerde zoutoplossing van Hank, toegevoegd met : 1, 5 g. dextrose ; en 0, 75 g.
NaHC03/500ml, 5ml % (5ml per 100 g) warmte-geinactiveerde paardeserum ; 5 ml % foetale kalfserum ; 1 ml % NuSerum ; en 10 ng/ml zenuwgroeifactor.
<Desc/Clms Page number 18>
De cellen en de middenstof werden vervolgens geplaatst in steriele met collageen beklede schalen van 35 mm. De kweken werden bewaard in een incubator bij een atmosfeer van 90 % kamerlucht en 10 % COz bij 35 C. Een bicarbonaat/CO buffer behield de kweekpH bij 7, 4. De groei van snel splitsende niet-neuronale cellen werd onderdrukt door toevoeging van 0, 5 g/ml fluorodeoxyuridine tijdens één tot twee dagen na een week in vitro. Na behandeling met de uridine analoog werd de foetale kalfserum uitgesloten. Daarna werd de middenstof twee maal per week vervangen.
Kweken werden bewaard tot zes maand voor de electrofysiologische testen.
De testapparatuur is voorgesteld in figuur 1. Met behulp van een micromanipulator 31 (zoals Leitzmicromanipilatoren) is een micro-electrode 15 in het neuron 13 in een kweekschotel 11 ingebracht. De micro-electrode 15 is een glaspipet met een fijn uiteinde dat een microscopische opening bezit waardoor zowel electrische stimuli kunnen worden aangelegd als electrische potentialen kunnen worden gemeten. De microelectrode is gevuld met 3 M kaliumacetaat. De schaal 11 bevat een onder infuus gebracht verwarmd bad voor het dragen van het neuron 13. Een electrische pulsgenerator 21 is met de micro-electrode 15 verbonden door een hoofdtrap versterker 19 en een brugversterker 27 zodat het zintuiglijke neuron 13 onderworpen kan worden aan electrische pulsen voortgebracht door de electrische pulsgenerator 21.
Een grondelectrode 25 is geplaatst in het bad in de schaal 11.
De grondelectrode 25 is electrisch verbonden met de hoofdtrap versterker 19 zodat electrische potentialen over het membraan van het neuron 13 gemeten kunnen worden. De brugversterker 27 is verbonden met een
<Desc/Clms Page number 19>
oscilloscoop 17 zowel rechtstreeks als door een differentiator 28. De oscilloscoop 17 beeldt veranderingen uit in het electrisch potentiaal van de cel 13 zoals door de micro-electrode 15 en de grondelectrode 25 gedetecteerd wordt. Een opname-eenheid die bijvoorbeeld een digitale processor 29 en een videoopnemer 23 omvat, kan met een brugversterker 27 worden verbonden ten einde een opname van het electrisch gedrag van de zenuwcel 13 te genereren. De uit te testen magnetische inrichting is geplaatst onder het neuron 13.
Voor testdoeleinden, werd de kweekmiddenstof in de kweekschaal omgewisseld met een gewijzigde Dub1becco's fosfaatgebufferd zout. De samenstelling van dit station was in millimolair : NaC1, 143, 4 ; KCl, 4, 2 ; CaClz, 0, 80 ; MgCl, 3, 0 ; en glucose, 11, 0 in 9, 5 mM natriumfosfaat buffer bij een pH van 7, 4. De kweekschaal was vervolgens op een aluminium blok geplaatst dat verwarmd was door een Peltier toestel met een temperatuur geregeld op 37 C. De schaal en het blok werden opgesteld op de voorwerptafel van een Leitz geïnverteerd microscoop ingericht met een fasecontrast-optica voor het vergemakkelijken van de plaatsing van de microelectrode.
Onder rechtstreeks visuele controle werd de micro-electrode in een zenuwcel in de kweekschaal ingebracht met gebruik van micromanipulatoren 31.
Een stimulerende electrische stroom werd toegepast op de gestote zenuwcel door de micropipet. Het aanwenden van een actieve brugversterker 27 (Dagan 8100 Axon instrument clamp of W-P intruments M707) en van een tweede grondelectrode 25 in de kweekschaaloplossing heeft het gelijktijdig aanleggen van de stimulerende stroom en een opname van het electrisch potentiaalverschil over het membraan van de
<Desc/Clms Page number 20>
bestudeerde cel mogelijk gemaakt.
De potentiaalverschillen over het celmembraan werden gedigitaliseerd middels een audioprocessor 29 en vervolgens opgenomen op een videoband middels een opnemer 23. De potentiaalverschillen werden eveneens gefotografeerd door een Tektronic R5113-oscilloscoop middels een Grass-oscilloscoopcamera.
Onder gebruik van de hierboven beschreven celkweek en testopstelling werden kleine (0, 5-1, 0 nA) stroompulsen aangelegd op de zenuwcel ongeveer omde 2, 0 s. Gedurende verscheidene minuten werden controlemetingen opgenomen in de afwezigheid van een magnetische inrichting.
Telkens een electrische puls aan het inwendige van de zenuwcel was aangelegd nam de opname-apparatuur een eerste piek op welke de stimulus voorstelde voor het induceren van de celmembraandepolarisatie. De eerste piek was snel opgevolgd door een tweede piek die overeenstemt met een celmembraandepolarisatiegolf (actiepotentiaal) die zich voordoet wanneer de aangelegde electrische puls een spontane vorming van natrium-stromen veroorzaakt in het celmembraan. Een dergelijke depolarisatie maakt deel uit van een periferische zenuwcel pijnimpuls transmissie-functie.
Wanneer een celmembraan er niet in slaagt een actiepotentiaal na depolarisatie te activeren, draagt de zenuwcel geen actiepotentialen over en stimuleert deze neuronen in het centrale zenuwstelsel niet. Bijgevolg wordt de pijn niet gedetecteerd.
Alvorens te starten met testen op levende cellen, werd de opname-apparatuur uitgetest door het plaatsen van de magnetische inrichting volgens figuur 2 1 cm boven een
<Desc/Clms Page number 21>
kweekschaal die een kweekmiddenstof (maar geen zenuwcel) houdt waarin de micro-electrode en de grondelectrode werden geplaatst. De opname-instrumenten werden gevolgd gedurende tien minuten nadat de magnetische inrichting was ingebracht. Het inbrengen van de magnetische inrichting had geen invloed op het brugevenwicht, op het potentiaal van het uiteinde van de micro-electrode, of op de geassocieerde opnameapparatuur van het electrisch potentiaal.
Vergelijkende testdata voor een enkelvoudigneuron Een reeks testen werd uitgevoerd met één enkel neuron. Het effect van verscheidene verschillende magnetische inrichtingen op het neuron werd geschat. De testen werden uitgevoerd in drie fasen. Eerst werden controletesten uitgevoerd in de afwezigheid van de magnetische inrichting. Vervolgens werd de magnetische inrichting geplaatst en bijkomende testen werden uitgevoerd. Ten slotte werd de magnetische inrichting verwijderd en werden verdere testen uitgevoerd tijdens een "herstelperiode".
De eerste testen werden uitgevoerd met de magnetische inrichting voorgesteld in figuur 2. Figuren 19A tot 19E tonen oscilloscoopbeelden voor de neuronuitgang vóór het aanwenden van de magnetische inrichting volgens figuur 2.
Ieder oscilloscoopbeeld omvat een onderlijn die het electrisch potentiaalverschil over het celmembraan voorstelt en een bovenlijn berekend door de integrator 28, die de eerste afgeleide voorstelt van de onderlijn. De piek van de differentiaallijn stelde de maximale graad van toename voor van het celactiepotentiaal en
<Desc/Clms Page number 22>
werd gebruikt als een kwalitatieve proef van celnatriumstromen die de opgaande slag van het actiepotentiaal genereren.
Na verscheidene minuten was de magnetische inrichting voorgesteld in figuur 2 1 cm onder het oppervlak van de celkweekvloeistof geplaatst boven dezelfde bestudeerde gespietste zenuwcel. Ongeveer 220 s na de plaatsing van de magnetische inrichting begon de zenuwcel niet te depolariseren met het telkens aanleggen van de 0, 5 nA pulsen. Figuren 19B en (op vergrote schaal) 19F tonen de oscilloscoopuitgang 220 s na het toepassen van de magnetische inrichting. Naast de spannings-en de dV/dtbeelden voorgesteld in figuren 19A tot 19D, tonen figuren 19F en 19G, als onderste verloop de stroom aangelegd op het neuron.
In elk verloop stemt piek "a" overeen met het aanleggen van de 0, 5 nA puls. Piek"a"wordt gevolgd door een omkering van de electrische potentiaalverschillen over het celmembraan dat overeenstemt met de tweede piek of actiepotentiaal. Piek"b"stelt een verandering voor van het celmembraanpotentiaal van ongeveer-60 mV tot ongeveer +30 mV. De gehelde lijn onder piek"b"stelt een niet voortgeplant lokaal respons voor en toont dat de gestote cel gestopt was met het activeren van actiepotentialen voor iedere aangelegde electrische puls.
Figuur 19C en (op vergrote schaal) figuur 19G tonen de oscilloscoopuitgang 250 s na het gebruiken van de magnetische inrichting waardoor tijdactiepotentialen niet werden afgeleid door de electrische pulsen. De volledig afwezigheid van een tweede piek toont dat de activatie van de actiepotentialen geblokkeerd werd.
<Desc/Clms Page number 23>
Wanneer de spanning van de stimulatorpulsen tot 1, 0 nA was toegenomen, bleven de actiepotentialen geblokkeerd.
Nadat de magnetische inrichting verwijderd was, werd het aanleggen van de grotere 1, 0 nA stroompulsen tot de gestote cel voortgezet. Tijdens iets voorbij de 180 s verscheen de tweede piek niet. Figuur 19D beeldt de oscilloscoopuitgang uit 195 s na de verwijdering van de magnetische inrichting, op hetwelk ogenblik het voorkomen van een gebeurlijke tweede piek het herstel aantoonde van het vermogen actiepotentialen te activeren. De volledig ontwikkelde tweede piek van figuur 19E toont dat vanaf 340 s na het verwijderen van de magnetische inrichting, de cel een actiepotentiaal activeerde voor iedere aangelegde puls.
De hierboven beschreven werkwijze voor het uittesten van de magnetische inrichting van figuur 2 was herhaald op dezelfde zenuwcel uitgetest met deze inrichting uitgenomen dat de inrichting vervangen was door verscheidene verschillende inrichtingen, die een, twee, of vier magneten in verscheidene oriëntaties bezit.
De eerste mogelijke uitgeteste configuratie had een enkele 0, 5" (1, 27 cm)-diameter neodymiummagneet met een energieprodukt van 27 MG-Oe en drie niet-magnetische metaallichamen met een diamter van 0, 5" (1, 27 cm). De magneet was georiënteerd met de positieve magnetische pool het dichtstbij gelegen bij het neuron. Figuren 20A en 20B tonen de uitgang van de oscilloscoop zowel voor (figuur 20A) als 600 s na (figuur 20B) de enkelvoudige magneetinrichting bij de zenuwcel geplaatst was. Zoals uit de aanwezigheid van piek"b"in figuur 20B blijkt wijzigde deze inrichting de zenuwcel activatie van de actiepotentialen niet.
<Desc/Clms Page number 24>
De tweede mogelijke configuratie vertoonde twee neodymiummagneten opgesteld met één positieve pool opwaarts en één pool neerwaarts.
Figuur 21A en 21B stellen de uitgang van de oscilloscoop voor zowel v66r (figuur 21A) als 600 s na (figuur 21B) de inrichting bij het neuron geplaatst was. Zoals uit de aanwezigheid van piek"b"blijkt was de omvang van de actiepotentiaalactivatie dezelfde met of zonder de twee magneteninrichting.
Zoals hierboven besproken is het magnetisch veld gegenereerd door deze inrichting op een afstand van 3 mm van het bovenvlak van de magneten in figuur 18B voorgesteld waarbij de inrichting schematisch is voorgesteld in figuur 18B.
De derde mogelijke inrichting bezat vier magneten opgesteld met hun polen alle in dezelfde richting georiënteerd waarbij alle negatieve polen naar het neuron gericht waren. Figuren 22A tot 22D tonen de oscilloscoopui tgang v66r, tijdens en na de toepassing van de magnetische inrichting. Het activeren van de actiepotentialen was onveranderd van vóór het ogenblik dat deze magnetische inrichting was toegepast (figuur 22A) tot 300 s nadat deze was toegepast (figuur 22B).
Zelfs 600 s nadat de magnetische inrichting geplaatst was (figuur 22C) was de actiepotentiaalactivatie niet volledig geblokkeerd. Het activeren van de actiepotentialen hervatte volledig, onmiddellijk na het verwijderen van de inrichting (figuur 22D). In verscheidene verdere neuronen ging het blootstellen aan de opstelling van vier magneten met negatieve polariteit gepaard met een volledige blokkering van het actiepotentiaal dat volledig terugkeerde na verwijdering van de inrichting.
<Desc/Clms Page number 25>
De vierde mogelijke inrichting maakt gebruik van vier magneten zoals in de derde inrichting maar met ongelijknamige polariteit. Figuren 23A tot 23D stellen de oscilloscoopuitgang vóór, tijdens en na het toepassen van de vierde inrichting.
De activatie van actiepotentialen aangetoond vóór het toepassen van de inrichting (figuur 23A) was verminderd binnen de 195 s van de toepassing (figuur 23B) en was geëlimineerd binnen de 270 s (figuur 23C). Nochtans hervatte de activatie van de actiepotentialen onmiddellijk na het verwijderen van de magnetische inrichting (figuur 23D).
Veelvoudige neuronen testing De volgende reeks testen volgde hetzelfde proces als hierboven beschreven maar vergeleek de doeltreffendheid van verschillende magnetische inrichtingen zoals toegepast op veelvoudige neuronen. Eerst werden 135 neuronen uitgetest met de magnetische inrichting voorgesteld in figuur 2. In ieder geval was de spanning van de stimulerende stroompuls net boven het drempelniveau ingesteld waarbij alle stimuli actiepotentialen verwekten. Deze korte depolariserende stroompulsen verwekten enkelvoudige actiepotentialen met een duur begrepen tussen 0, 5 en 1, 5 ms. (korte duur) in 70 der neuronen en enkelvoudige actiepotentialen van 2 ms tot 3 ms (lange duur) in de overblijvende 65 neuronen.
Na een blootstelling van 420 s aan de magnetische inrichting voorgesteld in figuur 2 bleven alle stimuli in gebreke actiepotentialen te verwekken in 83 % van de korte duur-neuronen en in 92 % van de lange duur-neuronen. Tussen 180 en 720 s na het verwijderen van de magnetische opstelling verwekten alle stimuli actiepotentialen in 43 % van de korte duur-neuronen en in 48 % van de lange duur-neuronen, terwijl
<Desc/Clms Page number 26>
toegenomen stroompulsen van 10-15 mV actiepotentialen verwekten in verdere 40 % van de korte duur-neuronen en 40 % van de lange duur-neuronen. Negen der korte duurneuronen en negen der lange duur-neuronen stierven voor dat herstel was volbracht.
Hetzelfde hierboven beschreven proces was herhaald voor de inrichting met vier magneten met hun positieve polen georiënteerd naar de neuronen toe (dezelfde inrichting waarvoor enkelvoudige neuronen-testresultaten voorgesteld zijn in figuren 23A tot 23C). De stimuli werden aangelegd op 4 korte duur-neuronen en 3 lange duur-neuronen. Het toepassen van de inrichting met 4 positieve magnetische polen tot 300 s blokkeerde de activatie van actiepotentialen in alle 7 neuronen. Na verwijdering van de magnetische inrichting had een volledig herstel van de actiepotentiaalactivatie plaats binnen de seconden in alle 7 neuronen.
Het proces was herhaald voor een inrichting met vier negatieve polen georiënteerd naar het neuron toe (dezelfde inrichting als waarvoor enkelvoudige neurontest resultaten in figuren 22A tot 22D zijn voorgesteld). De inrichting was toegepast voor 4 korte duur-neuronen en 3 lange duur-neuronen. In drie van de vier korte duur-neuronen blokkeerde het toepassen van de inrichting met 4 negatieve polen tot 600 s de activatie van actiepotentialen volledig. In het vierde korte duurneuron blokkeerde de inrichting enkel maar 50 % van de actiepotentialen. Dezelfde toepassing van de inrichting blokkeerde de actiepotentialen volledig in een der lange duur-neuronen en blokkeerde ongeveer 50 % der actiepotentialen in de twee andere lange duur-neuronen.
Na verwijdering van de magnetische inrichting had een volledig herstel van de
<Desc/Clms Page number 27>
actiepotentialenactivaties plaats binnen de seconden in alle acht neuronen.
Veelvoudige neuronentesting met gepulste stimulatie In een inspanning om het effect op zenuwcellen van de werkwijze volgens onderhavige uitvinding te quantificeren werden 27 korte duur-neuronen voorbereid volgens het hierboven beschreven proces, en vervolgens getest overeenkomstig het hiernavolgende proces. Eerst werden 50 identische electrische stimuluspulsen aangelegd aan ieder opgespietst neuron bij een frequentie van 1 puls/s tijdens twee 50 s controleperioden tijdens dewelke geen magnetische inrichting zich bij het neuron bevond dat getest was. De spanning van de stimulerende stroompuls was ingesteld net boven het drempelniveau waarbij in wezen alle stimuli actiepotentialen verwekten. Het aantal keren dat de cel in gebreke bleef een gevoelig actiepotentiaal te verwekken was opgenomen en toegepast als een storingsgraad voor de basislijn.
Nadat de basislijn opname genomen was, werd de magnetische inrichting voorgesteld in figuur 2 0, 5 cm onder de bodem van de celkweekschaal geplaatst, onder de opgespietste zenuwcel. Vijftig stimuluspulsen, die identiek waren met de een puls/spulsen aangelegd tijdens de controleperioden, werden aangelegd aan het opgespietste bestudeerde neuron tijdens elk van de vier
EMI27.1
opeenvolgende blootstellingstestperioden.
Het aantal keren dat het neuron in gebreke bleef een gevoelig actiepotentiaal te verwekken tijdens elk van de vier 50 s magnetische blootstellingstestperioden werd opgenomen.
<Desc/Clms Page number 28>
Na de vier 50 s blootstellingsperioden, werd de magnetische inrichting verwijderd en werd het neuron aan verdere vier opeenvolgende stellen van 50 stimuluspulsen onderworpen bij een frequentie van 1 puls/s bij hetzelfde spanningsniveau als dat aangelegd tijdens de twee controleperiodes. Het aantal keren dat het neuron in gebreke bleef een gevoelig actiepotentiaal te verwekken tijdens elk van de vier 50 s hersteltestperioden was opgenomen.
21 verdere korte duurneuronen werden uitgetest volgens hetzelfde proces van twee 50 s controletestperioden, vier 50 s magnetische blootstellingsperioden, en vier 50 s hersteltestperioden. Echter voor het tweede stel 21 neuronen,'werd een twee magneten inrichting (dezelfde inrichting als waarvoor de enkelvoudige neurontestresultaten zijn voorgesteld in figuren 21A en 21B) toegepast in de plaats van de magnetische inrichting voorgesteld in figuur 2 tijdens de vier magnetische blootstellingstestperioden. Tijdens de magnetische blootstellingstestperioden, werd de twee magneten inrichting 0, 5 cm onder de bodem van de celkweekschaal geplaatst onder de opgespietste zenuwcel.
Het aantal keren dat elk bestudeerd neuron in gebreke bleef een actiepotentiaal te verwekken in respons op eender welke der 50 stimuli aangelegd tijdens elk van de twee controleperiodes, tijdens elk van de vier magnetische blootstellingsperioden en tijdens elk van de vier herstelperioden, werd opgenomen.
Figuur 24 stelt het gemiddeld aantaal keren voor dat de neuronen uitgetest volgens de hierboven beschreven processen in gebreke bleef actiepotentialen te verwekken tijdens elk van de testperioden. Verwijzingen"Cl"en C2 zijn bestemd voor de twee controleperioden, de
<Desc/Clms Page number 29>
verwijzingen "MI" - "M4" zijn bestemd voor de vier magnetische blootstellingsperioden, en de verwijzingen "Rl"-"R4"zijn bestemd voor de vier herstelperioden.
De datapunten onder de vorm van een gesloten cirkel stellen het gemiddeld aantal responsstoringen tijdens iedere testperiode voor de groep der 27 neuronen blootgesteld aan de magnetische inrichting volgens figuur 2 tijdens de magnetische blootstellingsperiode. De datapunten onder de vorm van een open cirkel stellen het gemiddeld aantal voor van de responsstoringen tijdens iedere testperiode voor de groep der 21 neuronen blootgesteld aan de twee magneten inrichting tijdens de magnetische blootstellingsperiodes. Het aantal storingen tijdens de testperioden M1-M4 en R1-R3 voor de vier magneten opstelling was groter dan het aantal storingen voor de bipolaire opstelling met een statistisch beduidend bedrag.
Dit zelfde proces was herhaald met 24 bijkomende neuronen voor de inrichting volgens figuur 2 en met 9 neuronen voor de twee magneten inrichting. De resultaten zijn voorgesteld in figuur 28B. Het magnetisch veld rond de inrichting volgens figuur 2 en de twee magneten inrichting zijn voorgesteld in figuur 28A door ijzervijlsel.
Hetzelfde proces was herhaald met 5 neuronen met toepassing van de inrichting volgens figuur 2 en van een 16 magneten inrichting waarin de magneten zijn opgesteld alsof vier van de inrichtingen volgens figuur 2 aanliggend ten opzichte van elkaar geplaatst waren.
Figuur 25A illustreert het magnetisch veld (zoals aangeduid door de verdeling van ijzervijlsel) over de inrichting volgens figuur 2 en de zestien magneten opstelling. Figuur 25C duidt met witte cirkels de
<Desc/Clms Page number 30>
posities aan van de magneten onder het ijzervijlsel.
Wanneer de inrichting volgens figuur 2 geplaatst was tijdens ongeveer 120 s, begon het neuron met niet te depolariseren voor het telkens aanleggen van de 0, 5 nA pulsen, met een maximaal effect waargenomen tussen 240 en 300 s. Nadat de inrichting verwijderd was, werd het herstel van het vermogen van het neuron om te depolariseren met 0, 5 nA pulsen waargenomen.
Wanneer een zestien magneten opstelling aan dezelfde cel op dezelfde manier toegepast was, werden sterk verschillende resultaten bekomen. Wanneer een zestien magneten opstelling blootgesteld was aan een cel op een afstand van 1 cm van de cel in de plaatsen (a), (b) en (c) zoals voorgesteld op figuur 25A (d. w. z. tussen de magneten) voor dezelfde tijdsduur als de vier magneten opstelling blootgesteld was, werd de depolarisatiegraad niet gewijzigd. De weinige stimuli die geen aanleiding gaven tot depolarisaties brachten geen resultaat voort dat statistisch verschillend was van de basislijn.
Effect van magnetische verspreiding Figuur 30 stelt data voor welke gegenereerd zijn voor een enkel neuron zoals eerst hierboven beschreven met een vier magneten inrichting waarin de magneten symmetrisch verspreid waren op verschillende afstanden in plastische houders zoals voorgesteld in figuur 31. Interpolaire afstanden van 14 mm, 35 mm, 53 mm, en 75 mm werden uitgetest. Voor de gebruikte magneten met een diameter van 0, 5" (12, 7 mm), stemmen deze interpolaire afstanden overeen met respectievelijk 1, 1 ; 2, 8 ; 4, 2 ; en 5, 9 diameters. Het ligt voor de hand aan het licht van de testresultaten dat bij een interpolaire afstand van
<Desc/Clms Page number 31>
75 mm (5, 9 diameters) de inrichting zo goed als geen biologisch effect heeft.
Er is enig biologisch effect bij 53 mm (4, 2 diameters) maar het effect is werkelijk beduidend bij afstanden van 35 mm (2, 8 diameters) of minder. Deze resultaten zijn in overeenstemming met de uiteenzetting hierboven met betrekking tot het effect van de nabijheid van de magneet op de grootte van de magnetische inductiegradiënt, d. w. z. dat de magneten voldoende dichtbij elkaar zouden moeten liggen zodat de magnetische inductie geproduceerd door een magneet beduidend is op de plaats van de andere magneten. De plaatsing van dunne neodymium magneten binnen ongeveer drie diameters ten opzichte van elkaar zou tot het gewenst effect op neuronen moeten leiden.
Het opstellen van bijkomende polen die aanliggend zijn bij de vier magneten inrichting vervormt de symmetrie van en vermindert de grootte van het gradiënteffect.
Figuur 26A illustreert de vier magneten inrichtingen (inrichting A en inrichting B) die werden afgetast in het horizontaal vlak zoals voorgesteld in figuur 29. De grootte van de magnetische inductiecomponent loodrecht op de inrichtingen werd eerst gemeten met de twee inrichtingen in gescheiden toestand zoals voorgesteld in figuur 26A. De metingen werden verricht op 8 plaatsen op elke inrichting zoals aangeduid op één der inrichtingen getoond in figuur 26A. De twee inrichtingen werden vervolgens samengebracht zoals voorgesteld in figuur 26B dermate dat zij fysisch elkaar raakten en de magnetische inductie werd opnieuw gemeten in dezelfde 8 punten op elke inrichting. Deze data worden voorgesteld in de hiernavolgende tabel en zijn uitgetekend in figuur 27.
De grootte en de polariteit van de magnetische inductie in het centrum van ieder oppervlak van de twee inrichtingen is eveneens voorgesteld in figuur 26A.
<Desc/Clms Page number 32>
EMI32.1
<tb>
<tb>
Separate <SEP> Together
<tb> (Gauss) <SEP> (Gauss)
<tb> Device <SEP> A <SEP> Device <SEP> B <SEP> Device <SEP> A <SEP> Device <SEP> B
<tb> Loc. <SEP> Mag. <SEP> Grad. <SEP> Mag. <SEP> Grad. <SEP> Mag. <SEP> Grad. <SEP> mag. <SEP> Grad.
<tb>
1 <SEP> 118 <SEP> 1810 <SEP> 124 <SEP> 1786 <SEP> 356 <SEP> 1572 <SEP> 250 <SEP> 1660
<tb> 2 <SEP> -148 <SEP> 1820 <SEP> -130 <SEP> 1500 <SEP> -256 <SEP> 1312 <SEP> -418 <SEP> 1212
<tb> 3 <SEP> 218 <SEP> 1098 <SEP> 180 <SEP> 1470 <SEP> 250 <SEP> 1060 <SEP> 389 <SEP> 1261
<tb> 4 <SEP> -189 <SEP> 1709 <SEP> -160 <SEP> 1730 <SEP> -418 <SEP> 1480 <SEP> -252 <SEP> 1618
<tb> Avg <SEP> 168 <SEP> 1609 <SEP> 148 <SEP> 1621 <SEP> 320 <SEP> 1356 <SEP> 327 <SEP> 1437
<tb> 5 <SEP> 238 <SEP> 1690 <SEP> 250 <SEP> 1660 <SEP> 469 <SEP> 1459 <SEP> 313 <SEP> 1597
<tb> 6 <SEP> -256 <SEP> 1712 <SEP> -260 <SEP> 1370 <SEP> -277 <SEP> 1691 <SEP> -416 <SEP> 1214
<tb> 7 <SEP> 369 <SEP> 941 <SEP> 240 <SEP> 1460 <SEP> 401 <SEP> 909 <SEP> 403 <SEP> 1247
<tb> 8 <SEP> -330 <SEP> 1568 <SEP> -310 <SEP> 1560 <SEP> -378 <SEP> 1520 <SEP> -360 <SEP> 1510
<tb> Avg <SEP> 292 <SEP> 1478 <SEP> 265 <SEP> 1512 <SEP> 381
<SEP> 1394 <SEP> 373 <SEP> 1392
<tb>
De eerste kolom in hogere tabel duidt de plaats aan (1- 8) waarop de meting van de veldsterkte verricht wordt.
Zoals getoond in figuur 26A bevinden de plaatsen 1-4 zieh op de omtrek van elk van de vier magneten op de rand diagonaal tegenovergesteld ten opzichte van het centrum van de inrichting. De plaatsen 5-8 bevinden zieh op de omtrek van de magneten maar op de dichtstbij gelegen rand bij het centrum van de inrichting. Aldus omvat de tabel een rij die de gemiddelde grootte van de metingen aangeeft in elk van de uitwendige plaatsen (1- 4) en in elk van de inwendige plaatsen (5-8). De linkerhelft van de tabel toont de data voor de twee inrichtingen (A en B) wanneer de inrichtingen ten opzichte van elkaar zijn afgesloten, terwijl de rechterhelft van de tabel de data voorstelt voor de inrichtingen wanneer zij samengebracht worden in de positie voorgesteld in figuur 26B.
Voor elke inrichting geeft de kolom met hoofding"Mag."de gemeten grootte en
<Desc/Clms Page number 33>
polariteit aan van de magnetische inductie (in Gauss) in de aangeduide positie. De Kolom met hoofding"Grad." toont het verschil tussen de grootte van de magnetische inductie op de aangeduide positie en in het centrum van de overeenstemmende magneet. Wat de rechterhelft van de tabel betreft is aangenomen dat voor illustratiedoeleinden de grootte van de inductie in het centrum van elke magneet dezelfde is wanneer de inrichtingen samengebracht zijn en wanneer zij afgezonderd zijn. In feite zou de grootte kleiner moeten zijn wanneer de inrichtingen samengebracht zijn.
De data geven aan dat de gradiënt van de magnetische inductie tussen de omtrek en het centrum van de magneet groter is wanneer de inrichtingen afgezonderd zijn dan wanneer zij samen zijn. Bijvoorbeeld wanneer de inrichtingen afgezonderd zijn, is de gemiddelde veldgrootte op de buitenomtrek (plaatsen 1-4) van de inrichting A 168 G en is de gemiddelde gradiënt tussen het centrum en de buitenomtrek 1609 G. Daarentegen, wanneer de inrichtingen samen zijn, bedragen de gemiddelde grootte en gradiënt voor de uitwendige omtrek van de inrichting A respectievelijk 320 en 1356. De gradiënt is bijgevolg aanzienlijk verminderd wanneer de inrichtingen zijn samengebracht.
Een andere manier om het effect te beschouwen op de magnetische inductiegradiënt van het samenbrengen van de twee inrichtingen is voorgesteld in figuur 27. Lijn X-X' in figuren 26A en 26B gaan door de punten 1 en 2 op elk van de inrichtingen A en B. De gemeten magnetische inducties in deze punten zijn getekend in figuur 27. De data zijn eerst getekend (middels driehoeken) voor de voorwaarden waarin de twee inrichtingen samen zijn. De horizontale as is de afstand langs de lijn X-X'vanaf de
<Desc/Clms Page number 34>
rand van de inrichting A. Vervolgens worden de data getekend (middels cirkels) voor elke inrichting wanneer afgezonderd, maar worden deze op de grafiek voorgesteld alsof de inrichtingen naast elkaar waren geplaatst.
De data illustreren opnieuw dat de grootte van de magnetische inductie op de randen van de magneten (langs de lijn X-X') groter is wanneer de inrichtingen zijn samenge-bracht dan wanneer zij afzonderlijk zijn. Een grotere veldsterkte op de rand van de magneet wijst erop dat er een zwakkere gradiënt is in het veld van de rand tot het centrum van de pool.
Alle data wijze erop dat de achtpolige (viermagneten) configuratie de effectieve uitvoeringsvorm is die een effectieve'ondersteund fysiologisch effect met zich meebrengt (zie figuren 28 A-F). Deze opstelling genereert een verschillend fluxveld met een verschillende horizontale en verticale gradiënt dan dat het geval is met de achtmagnetenopstelling, of de twee-, zestien- of verdere vier- magneetopstelling die werden uitgetest. Dit wordt verder verklaard door de volgende mathematische analyse.
Mathematische analyse De effecten van de werkwijze volgens de uitvinding worden, ten minste voor een deel, veroorzaakt door de achtpolig, alternerend, symmetrisch statisch magnetisch veldstoot tegen de celwanden van neuronen. Er is aangenomen dat de steile gradiënt van dit veld een polarisatie van de lipoproteinematrix van de celwand op zodanige wijze veroorzaakt dat natrium-en calciumkanalen dermate geblokkeerd zijn dat de flux van deze ionen wordt tegengewerkt. De impedantie van de ionenflux blokkeert het pacemaker effect van beschadigde
<Desc/Clms Page number 35>
of geletselde neuronale celwandmembranen (d. w. z. blokkeert het aanvatten van een spontane depolarisatie).
De hierboven voorgestelde data tonen dat de vierkante opstelling van centraal geladen magnetische lichamen de activatie van zenuwactiepotentialen onderdrukt en dit zolang de vier polen aan één zijde van de opstelling een afwisselende polariteit vertonen. Deze opstelling is equivalent met het achtpolige moment gekend als oxyl, zoals beschreven in J. P. Wikswo, Jr. en K. R. Swinney, "Scalar multipole expansions and their dipole equivalents, " Journal of Applied Physics, vol. 57 (9), pp. 4301-4308, 1985 ; en J. P. Wikswo, Jr. en K. R.
Swinney,"A comparison of scalar multipole expansions," Journal of Applied Physics, val. 56 (11), pp. 3039-3049, 1984, waarvan beide hier bij wijze van referentie zijn opgenomen. Alternatieve magneetopstellingen met toepassing van een groter of een kleiner aantal magneten of met verschillende polariteitopstellingen, zijn ofwel minder doeltreffend ofwel volledig ondoeltreffend. Terwijl het mechanisme van de werking van het magnetisch veld op de zenuw onbekend is, suggereren experimetele stukken dat de bijzondere combinatie van het magnetisch veld en de veldgradiënt verschaft door de centraal geladen magneten in de Oxyz-configuratie zeer belangrijk is. De mathematica die het magnetisch veld en de veldgradiënt door opstellingen van magneten voortgebracht wordt hierna beschreven.
De vector voor het magnetisch inductieveld B in een punt r voortgebracht door een centraal geladen magneet in een punt r kan in eerste orde benaderd worden door het
EMI35.1
magnetisch inductieveld van een magnetisch dipoolmoment m
<Desc/Clms Page number 36>
EMI36.1
waar AO de magnetische permeabiliteit voorstelt in de vrije ruimte die gelijk is aan 4n x 107 Tesla-meter/amp (TmA'). Indien x, y, en z de cartesische componenten zijn van r, en indien mx, my, en mz de componenten zijn van m, dan is het scalair produkt tussen de twee vectoren m.
r gedefinieerd door
EMI36.2
In vergelijking (l), stelt r-r' de grootte voor van de vector tussen de punten r en r' gegeven door
EMI36.3
Dit kan ook geschreven worden als
EMI36.4
Indien er n magneten aanwezig zijn in de opstelling dan is het netto magnetisch veld de vectoriële som van de bijdragen van de individuele magneten, d. w. z.
EMI36.5
<Desc/Clms Page number 37>
waar i een index is gaande van 1 to n, die de individuele magneten identificeert in de opstelling, en ri de vector voorstelt die de plaats beschrijft van het centrum van de ide magneet. Deze geometrie is voorgesteld in figuur 32.
De gradiënt van de grootte van het magnetisch veld wordt gegeven door
EMI37.1
EMI37.2
waar î, j, k eenheidsvectoren zijn in de x, y, en z- richting respectievelijk en Ls ! is de grootte van B, berekend door de Pythagoras som van de componenten (7) Vermits de uitdrukkingen gegenereerd door toepassing van vergelijking (6) op (5) eerder complex zijn, kan de analyse worden vereenvoudigd door zich te beperken tot magneetopstellingen die in het x - y vlak gelegen zijn, zodanig dat de dipolen alleen maar een enkele component mz hebben. Indien de noordpool opwaarts gericht is, zal mz positief zijn. Indien het neerwaarts gericht is, zal mz negatief zijn.
In dit geval herleidt vergelijking (5) zich tot
EMI37.3
<Desc/Clms Page number 38>
Er zijn verscheidene mogelijke mechanismen waardoor het magnetisch inductieveld voortgebracht door de magnetische inrichting kan inwerken op een neuron.
Indien het actieve neuronaal mechanisme het resultaat is van ofwel een translatiekracht op een gestrekt lineair stroomelement vloeiend in een magnetisch veld ofwel een rotatiekoppel op hetzij een intrinsiek magnetisch dipoolmoment hetzij een kleine stroomlus, dan zal de sterkte van de wisselwerking in de eerste plaats afhangen van de grootte van het toegepaste veld Lµ !. Uit de scalaire vermenigvulding van de vergelijking (4) met zichzelf volgt voor een enkelvoudige dipool dat
EMI38.1
Voor de dipolenopstelling zou ! a ! analytisch kunnen worden berekend door het berekenen van alle scalaire produkten voortgebracht door de scalaire vermeningvuldiging van de vergelijking (5) met zichzelf.
In de praktijk zou het aanzienlijk eenvoudiger zijn de drie componenten van het gesommeerde veld, Blot, te berekenen en vervolgens Btot . Btot numerisch te berekenen.
De grootte van het magnetisch veld van de volledige opstelling is niet gelijk aan de som van de grootte van de velden van de individuele componenten, dit is
EMI38.2
Het enig geval waarbij de grootte van het totale veld gelijk is aan de som van de grootste van de twee
<Desc/Clms Page number 39>
individuele velden doet zich voor wanneer de twee individuele velden exact dezelfde zijn. In ieder geval zal de totale veldgrootte kleiner zijn dan de gesommeerde grootten van de individuele velden. De qrootte van het totale veld is bepaald door de niet lineaire bewerking in de vergelijking (7) en bijgevolg beantwoorden veldgrootten niet aan het principe van superpositie.
Aldus zal de ruimtelijke verdeling van de grootte van het magnetisch veld voortgebracht door een afgezonderde 4-elementen opstelling niet equivalent zijn met dat wat voortgebracht is door vier elementen van een grotere 16-elementen opstelling.
Een verdere mogelijkheid bestaat erin dat de waargenomen neurologische -effecten te wijten zouden kunnen zijn aan een translatiekracht toegepast op een biologisch magnetisch dipoolmoment mb. Bijvoorbeeld zou een component van één der biologische moleculen betrokken in de generatie van de zogenaamde spijker- of puntactiviteit een paramagnetische dipoolmoment kunnen hebben. Er zijn ten minste twee verschillende wisselwerkingen tussen een dergelijk dipool en het uitwendig aangelegd veld. Het aanleggen van een sterk, uniform magnetischveld zou een koppel op dit dipool kunnen veroorzaken. Nochtans wijzen experimentele data er naar uit dat dit het dominerende mechanisme niet is.
Anders zou een magnetisch veld qradiënt een translatiekracht toegepast op de moleculaire componenten tot gevolg kunnen hebben. De kracht, F, op een dergelijk dipool is gegeven door
EMI39.1
<Desc/Clms Page number 40>
Vermits m. V een scalaire operator is die op alle drie componenten van B werkt, is het leerzamer dit volledig uit te schrijven volgens
EMI40.1
Zoals tevoren wordt de grootte van it bekomen door het scalair produkt
EMI40.2
Een mogelijk mechanisme waardoor stochastische moleculaire dipolen georiënteerd kunnen worden is door het rotationele koppel voortgebracht door het veld zelf.
Bijvoorbeeld kunnen moleculaire dipolen als een Langevin paramagneet werken. Indien het veld voldoende sterk is om de thermische krachten die op de molecule werken te overwinnen, dan zal het dipoolmoment m parallel zijn met het toegepaste veld, dit is
EMI40.3
<Desc/Clms Page number 41>
EMI41.1
waarbij ss de sterkte voorstelt van het moleculair moment -b en de hoeveelheid B gedeeld door IBI gewoon een eenheidsvector voorstelt dat evenwijdig is met het veld.
In dit geval, -
EMI41.2
EMI41.3
met gebruik van de vectoridentiteit (B. V) B = 1 en van het feit dat voor de velden buiten een magneet V X B = O.
Verder kan de sleutelproteïne component diamagnetisch zijn zodanig dat het magnetische dipoolmoment door het veld zelf geïnduceerd is. In dit geval,
EMI41.4
waarbij y zodanig is met de diamagnetische susceptibiliteit verbonden is dat
EMI41.5
Ook bestaat de mogelijkheid dat het effect plaatselijke veranderingen teweeg brengt in de magnetische druk op magnetisch gevoelige voorwerpen dat het gevolg is van veldgradiënten. Indien verschillende componenten verschillende magnetische susceptibiliteiten vertonen dan zullen er differentiale drijvende krachten zijn die op de componenten werken. Bij voorbeeld kunnen
<Desc/Clms Page number 42>
gedwongen zijn, waardoor hun werking geblokkeerd is, of kunnen mernbraanspanningsproteïnes zodanig opgeheven worden dat zij het membraan niet verder spannen.
Als eerste orde benadering kunnen dergelijke krachten als volgt worden aangegeven
EMI42.1
Aldus zijn er verscheidene mogelijke mechanismen waarbij de Cxy-magneetconfiguratie op neuronen kunnen inwerken. Het kan door het totale magnetischveld zijn dat gegeven is door vergelijking (5) ; door de gradiënt in het totale magnetisch veld gegeven door vergelijking (6) ; door componenten van de gradiënt in het kwadraat werkend op de gekwadrateerde grootte zoals aangegeven door vergelijking (16) ; door de omgekeerde van de grootte vermenigvuldigd met de gradiënt van de grootte in het kwadraat zoals aangegeven door vergelijking (18) ; eenvoudigweg door de gradient van de grootte in het kwadraat zoals aangegeven door vergelijking (21) ;
of door de grootte vermenigvuldigd met de gradiënt van de grootte zoals aangegeven door de vergelijking (22).
De effecten blijken te zijn bepaald door de gradiënt van de veldgrootte, desgevallend in samenhang met de veldgrootte, en niet door de veldgrootte alleen. Het principe van lineaire superpositie van velden is niet toepasselijk voor de hoeveelheden van grootst neurologisch belang. Aldus zijn de effecten van vier magnetische lichamen in afzondering verschillend van de effecten van vier magnetische lichamen die deel uitmaken van een veel grotere opstelling.
De experimentele stukken geven aan dat de neurologische doeltreffendheid van de centraal geladen permanente magneten in de Oxyz
<Desc/Clms Page number 43>
configuratie voortkomt uit de bijzondere combinatie van velden en veldgradiënten. Verdere configuraties zullen verschillende combinaties van velden en veldgradiënten verschaffen en bijgevolg is het geen wonder dat deze verdere configuraties aanzienlijk verminderde of onbestaande neurologische effecten vertonen.