뉴스 - 염증 유발 환경에서 1800MHz LTE 전자기장에 노출되면 반응이 감소합니다.

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이동통신에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라 무선 기술(G)이 끊임없이 등장하고 있으며, 이는 생물학적 시스템에 다양한 영향을 미칠 수 있습니다. 이를 검증하기 위해 쥐를 대상으로 4G LTE-1800MHz 전자기장(EMF)에 2시간 동안 단측두 노출 실험을 진행했습니다. 이후, 지질다당류(LPS)로 유도한 급성 신경염증이 일차 청각 피질(ACx)의 미세아교세포 공간 분포 및 전기생리학적 신경 활동에 미치는 영향을 평가했습니다. ACx의 평균 SAR은 0.5W/kg입니다. 다중 단위 기록 결과, LTE-EMF는 순음 및 자연 발성에 대한 반응 강도를 감소시키고 저주파 및 중주파 대역의 음향 역치를 증가시키는 것으로 나타났습니다. Iba1 면역조직화학 분석 결과, 미세아교세포체 및 돌기의 분포에는 변화가 없었습니다. 건강한 쥐에서는 동일한 LTE 노출에도 반응 강도 및 음향 역치에 변화가 나타나지 않았습니다. 본 연구 결과는 급성 신경염증이 LTE-EMF에 대한 뉴런의 민감도를 높여 ACx에서 음향 자극 처리 방식이 변화하게 됩니다.
지난 30년간 무선 통신의 지속적인 확대로 인류의 전자기 환경은 극적으로 변화했습니다. 현재 인구의 3분의 2 이상이 휴대전화(MP) 사용자로 간주되고 있습니다. 이러한 기술의 대규모 확산은 휴대전화나 기지국에서 방출되어 통신을 인코딩하는 무선 주파수(RF) 대역의 펄스형 전자기장(EMF)의 잠재적으로 위험한 영향에 대한 우려와 논쟁을 불러일으켰습니다. 이러한 공중 보건 문제는 생체 조직에서 무선 주파수 흡수의 영향을 조사하는 데 전념하는 여러 실험 연구를 촉발했습니다.¹ 이러한 연구 중 일부는 휴대전화의 광범위한 사용으로 인해 뇌가 RF 소스에 근접함에 따라 신경망 활동 및 인지 과정의 변화를 살펴보았습니다. 많은 연구에서 2세대(2G) GSM(Global System for Mobile Communications) 또는 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)/3G UMTS(Universal Mobile Telecommunications Systems)에서 사용되는 펄스 변조 신호의 영향을 다루었습니다.^2,3,4,5 그러나 4세대(4G)에서 사용되는 무선 주파수 신호의 영향에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. LTE(Long Term Evolution) 기술이라는 완전 디지털 인터넷 프로토콜 기술을 기반으로 하는 모바일 서비스입니다. 2011년에 출시된 LTE 단말기 서비스는 2022년 1월까지 전 세계 LTE 가입자 수가 66억 명에 이를 것으로 예상됩니다(GSMA: //gsacom.com). 단일 반송파 변조 방식을 사용하는 GSM(2G) 및 WCDMA(3G) 시스템과 비교하여 LTE는 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)를 기본 신호 형식으로 사용합니다.⁶ 전 세계적으로 LTE 모바일 서비스는 GSM에서 사용되는 900MHz 및 1800MHz 대역을 포함하여 450MHz에서 3700MHz 사이의 다양한 주파수 대역을 사용합니다.
무선 주파수(RF) 노출이 생물학적 과정에 미치는 영향은 생체 조직에 흡수되는 에너지를 측정하는 특정 흡수율(SAR, W/kg)에 의해 크게 좌우됩니다. 최근 건강한 성인을 대상으로 2.573GHz LTE 신호에 30분간 머리를 노출시켰을 때 전반적인 신경망 활동에 미치는 영향을 연구했습니다. 휴식 상태 fMRI를 사용하여 LTE 노출이 자발적인 저주파수 변동과 영역 내 또는 영역 간 연결성의 변화를 유발할 수 있음을 관찰했으며, 10g 조직에 걸쳐 평균화된 공간적 최대 SAR 수준은 0.42~1.52W/kg 범위로 추정되었습니다(참고문헌 7, 8, 9). 유사한 노출 조건(30분 노출, 대표적인 인체 머리 모델을 사용한 최대 SAR 수준 추정치 1.34W/kg)에서의 EEG 분석 결과, 알파 및 베타 대역에서 스펙트럼 파워와 반구 간 코히어런스가 감소한 것으로 나타났습니다. 그러나 EEG 분석을 기반으로 한 다른 두 연구에서는 최대 국소 SAR을 갖는 20분 또는 30분간의 LTE 머리 노출이 다른 결과를 보였습니다. 약 2W/kg 수준으로 설정된 노출량은 감지 가능한 효과가 없거나(11) 알파 대역의 스펙트럼 파워가 감소하는 결과를 보였지만, 스트룹 테스트로 평가한 인지 기능에는 변화가 없었습니다(12). GSM 또는 UMTS EMF 노출의 영향을 구체적으로 조사한 EEG 또는 인지 연구 결과에서도 유의미한 차이가 발견되었습니다. 이러한 차이는 신호 유형 및 변조, 노출 강도 및 지속 시간 등 방법 설계 및 실험 매개변수의 차이, 또는 연령, 해부학적 구조, 성별 등 피험자의 이질성에서 비롯된 것으로 생각됩니다.
지금까지 LTE 신호 노출이 뇌 기능에 미치는 영향을 규명하기 위해 동물을 이용한 연구는 거의 이루어지지 않았습니다. 최근 보고에 따르면, 배아 후기부터 젖을 뗄 때까지 발달 중인 생쥐를 대상으로 전신 노출(하루 30분, 주 5일, 평균 전신 SAR 0.5 또는 1W/kg)을 실시한 결과, 성체가 되었을 때 운동 및 식욕 행동에 변화가 나타났습니다.¹⁴ 또한, 성체 쥐를 대상으로 반복적인 전신 노출(하루 2ha, 6주)을 실시한 결과, 산화 스트레스가 유발되고 시신경에서 얻은 시각유발전위의 진폭이 감소하는 것으로 나타났으며, 최대 SAR은 10mW/kg 정도로 추정되었습니다.¹⁵
세포 및 분자 수준을 포함한 다양한 규모의 분석 외에도, 설치류 모델은 이전에 급성 신경염증 상황에서 GSM 또는 WCDMA/3G UMTS EMF에 초점을 맞춘 것처럼 질병 중 RF 노출의 영향을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 연구 결과는 발작, 신경퇴행성 질환 또는 신경교종의 영향을 보여줍니다. 16,17,18,19,20
리포폴리사카라이드(LPS)를 주입한 설치류는 매년 대다수 인구에게 영향을 미치는 바이러스나 박테리아로 인한 양성 감염성 질환과 관련된 급성 신경염증 반응의 고전적인 전임상 모델입니다. 이러한 염증 상태는 발열, 식욕 부진, 사회적 상호작용 감소를 특징으로 하는 가역적인 질병 및 우울 행동 증후군으로 이어집니다. 미세아교세포와 같은 중추신경계 상주 식세포는 이러한 신경염증 반응의 핵심 작용 세포입니다. 설치류에 LPS를 투여하면 미세아교세포의 형태 및 세포 과정의 재구성, 그리고 신경망에 영향을 미치는 염증성 사이토카인 또는 효소를 코딩하는 유전자의 상향 조절을 포함한 전사체 프로파일의 심각한 변화를 특징으로 하는 미세아교세포의 활성화가 유발됩니다(활동 22, 23, 24).
LPS로 처리된 쥐에서 GSM-1800 MHz EMF에 2시간 동안 머리를 노출시켰을 때의 영향을 연구한 결과, GSM 신호가 대뇌 피질에서 세포 반응을 유발하여 유전자 발현, 글루타메이트 수용체 인산화, 뉴런의 메타 자극 발화 및 대뇌 피질의 미세아교세포 형태에 영향을 미치는 것을 발견했습니다. 동일한 GSM 노출을 받은 건강한 쥐에서는 이러한 효과가 관찰되지 않았는데, 이는 LPS로 유발된 신경염증 상태가 중추신경계 세포를 GSM 신호에 민감하게 만든다는 것을 시사합니다. 국소 SAR이 평균 1.55 W/kg인 LPS 처리 쥐의 청각 피질(ACx)에 초점을 맞춰 관찰한 결과, GSM 노출은 미세아교세포 돌기의 길이 또는 분지를 증가시키고 순음 및 자연 자극에 의해 유발되는 뉴런 반응을 감소시키는 것으로 나타났습니다.
본 연구에서는 LTE-1800MHz 신호에 머리 부분만 노출시켰을 때, 노출 강도를 2/3로 줄였을 때에도 전두엽 피질(ACx)의 미세아교세포 형태와 신경 활동에 변화가 나타나는지 조사하고자 했다. 연구 결과, LTE 신호는 미세아교세포의 돌기에는 영향을 미치지 않았지만, LPS를 투여한 쥐의 전두엽 피질에서 소리 자극에 의한 신경 활동을 0.5W/kg의 SAR 값으로 유의미하게 감소시키는 것으로 나타났다.
GSM-1800MHz에 노출되면 염증 유발 조건에서 미세아교세포의 형태가 변화한다는 기존 연구 결과를 바탕으로, LTE 신호에 노출된 후에도 이러한 효과가 나타나는지 조사했습니다.
성체 쥐에게 머리 부분만 노출시키는 가짜 실험 또는 LTE-1800MHz에 노출시키기 24시간 전에 LPS를 주입했습니다. 노출 후, 대뇌 피질에서 LPS에 의해 유발된 신경염증 반응이 나타났으며, 이는 염증성 유전자의 상향 조절과 피질 미세아교세포 형태의 변화로 확인되었습니다(그림 1). LTE 헤드에 노출되는 전력은 ACx에서 평균 SAR 수준이 0.5W/kg이 되도록 설정했습니다(그림 2). LPS로 활성화된 미세아교세포가 LTE EMF에 반응하는지 확인하기 위해, 이러한 세포를 선택적으로 표지하는 항-Iba1 항체로 염색한 피질 단면을 분석했습니다. 그림 3a에서 볼 수 있듯이, 가짜 실험 또는 LTE 노출 후 3~4시간 후에 고정한 ACx 단면에서 미세아교세포는 LPS 염증 유발 처리에 의해 유도된 "밀집된" 세포 형태를 보여 매우 유사했습니다(그림 1). 형태학적 반응이 나타나지 않은 것과 일관되게, 정량적 영상 분석 결과 총 면적(비쌍대)에서 유의미한 차이가 없었습니다. LTE 쥐에서 Iba 1 염색 세포체에 노출된 경우와 가짜 노출 동물을 비교했을 때 Iba 1 면역반응의 면적(p = 0.196) 및 밀도(p = 0.061)에서 유의미한 차이가 없었습니다(그림 3b-d).
LPS 복강 주사가 대뇌 피질 미세아교세포 형태에 미치는 영향. LPS 또는 대조군(vehicle)을 복강 주사한 지 24시간 후 대뇌 피질(배측 내측 영역)의 관상 단면에서 관찰된 미세아교세포의 대표적인 모습. 세포는 이전에 설명된 바와 같이 항-Iba1 항체로 염색하였다. LPS의 염증 유발 처리는 미세아교세포 형태의 변화를 초래했는데, 여기에는 세포 돌기의 근위부 비후 및 짧은 이차 가지 증가가 포함되어 "밀집된" 모양을 나타냈다. 스케일 바: 20 µm.
1800MHz LTE 노출 시 쥐 뇌의 특정 흡수율(SAR)에 대한 선량 측정 분석. 이전에 설명된 이종 팬텀 쥐 및 루프 안테나 모델62을 사용하여 0.5mm³ 정육면체 격자로 뇌의 국소 SAR을 평가했습니다. (a) 머리 위에 루프 안테나가 있고 몸 아래에 금속 열 패드(노란색)가 있는 노출 환경에서 쥐 모델의 전체적인 모습. (b) 0.5mm³ 공간 해상도에서 성체 뇌의 SAR 값 분포. 시상면에서 검은색 윤곽선으로 표시된 영역은 미세아교세포 및 신경 세포 활동이 분석되는 일차 청각 피질에 해당합니다. 그림에 표시된 모든 수치 시뮬레이션에는 색상으로 구분된 SAR 값 척도가 적용됩니다.
LTE 또는 Sham 노출 후 쥐 청각 피질의 LPS 주입 미세아교세포.(a) Sham 또는 LTE 노출(노출) 후 3~4시간 경과한 LPS 주입 쥐 청각 피질의 관상 절편에서 항-Iba1 항체로 염색한 미세아교세포의 대표적인 중첩 이미지. 스케일 바: 20 µm.(bd) Sham(빈 점) 또는 LTE 노출(노출, 검은 점) 후 3~4시간 경과한 미세아교세포의 형태학적 평가.(b, c) 미세아교세포 마커 Iba1의 공간적 분포(b) 및 Iba1 양성 세포체의 면적(c). 데이터는 Sham 노출 동물의 평균값으로 정규화된 항-Iba1 염색 면적을 나타낸다.(d) 항-Iba1으로 염색된 미세아교세포 세포체의 수. Sham(n = 5)과 LTE(n = 6) 동물 간의 차이는 유의미하지 않았다(p > 0.05, 비쌍 t-검정). 상자 안의 위쪽 선과 아래쪽 선은 각각 25~75백분위수와 5~95백분위수를 나타냅니다. 평균값은 상자 안에 빨간색으로 표시되어 있습니다.
표 1은 네 그룹(Sham, Exposed, Sham-LPS, Exposed-LPS)의 쥐에서 얻은 동물 수와 일차 청각 피질의 다중 단위 기록을 요약한 것입니다. 아래 결과에서는 유의미한 스펙트럼 시간 수용장(STRF), 즉 자발적 발화율보다 최소 6표준편차 이상 높은 음조 유발 반응을 보이는 모든 기록을 포함했습니다(표 1 참조). 이 기준을 적용하여 Sham 그룹에서 266개, Exposed 그룹에서 273개, Sham-LPS 그룹에서 299개, Exposed-LPS 그룹에서 295개의 기록을 선택했습니다.
다음 단락에서는 먼저 스펙트럼-시간 수용 영역(즉, 순음에 대한 반응)과 이종 특이적 발성에 대한 반응에서 추출한 매개변수를 설명합니다. 그런 다음 각 그룹에 대해 얻은 주파수 응답 영역의 정량화를 설명합니다. 실험 설계에 "중첩 데이터"30가 존재함을 고려하여 모든 통계 분석은 전극 배열의 위치 수(표 1의 마지막 행)를 기준으로 수행되었지만, 아래에 설명된 모든 효과는 각 그룹의 위치 수를 기준으로도 설명되었습니다. 수집된 다중 단위 기록의 총 개수(표 1의 세 번째 행).
그림 4a는 LPS 처리된 대조군과 LPS에 노출된 동물에서 얻은 피질 뉴런의 최적 주파수 분포(BF, 75dB SPL에서 최대 반응을 유발)를 보여줍니다. 두 그룹 모두에서 BF의 주파수 범위는 1kHz에서 36kHz까지 확장되었습니다. 통계 분석 결과 이러한 분포는 유사한 것으로 나타났으며(카이제곱 검정, p = 0.278), 이는 두 그룹 간의 비교가 표본 추출 편향 없이 이루어질 수 있음을 시사합니다.
LTE 노출이 LPS 처리 동물의 피질 반응 정량화 매개변수에 미치는 영향. (a) LTE에 노출된 LPS 처리 동물(검은색)과 LTE에 노출되지 않은 대조군(흰색)의 피질 뉴런에서 BF 분포. 두 분포 간에 차이가 없다. (bf) LTE 노출이 스펙트럼 시간 수용장(STRF)을 정량화하는 매개변수에 미치는 영향. 반응 강도는 STRF(총 반응 강도)와 최적 주파수 모두에서 유의하게 감소했다(*p < 0.05, 독립 t-검정)(b,c). 반응 지속 시간, 반응 대역폭 및 대역폭 상수(df). 발성에 대한 반응의 강도와 시간적 신뢰도가 모두 감소했다(g, h). 자발적 활동은 유의하게 감소하지 않았다(i).(*p < 0.05, 독립 t-검정). (j,k) LTE 노출이 피질 역치에 미치는 영향. LTE에 노출된 쥐의 평균 역치는 대조군 쥐에 비해 유의하게 높았다. 이러한 효과는 저음역과 중음역대에서 더욱 두드러진다.
그림 4b-f는 이들 동물의 STRF에서 도출된 매개변수 분포를 보여줍니다(빨간색 선은 평균값). LTE 노출이 LPS 처리 동물에 미치는 영향은 신경 흥분성 감소를 나타내는 것으로 보였습니다. 첫째, 전반적인 반응 강도와 반응 횟수는 Sham-LPS 동물에 비해 BF에서 유의하게 낮았습니다(그림 4b,c, 비쌍 t-검정, p = 0.0017; 및 p = 0.0445). 마찬가지로, 의사소통 소리에 대한 반응은 반응 강도와 시행 간 신뢰도 모두에서 감소했습니다(그림 4g,h, 비쌍 t-검정, p = 0.043). 자발적 활동은 감소했지만, 이 효과는 유의하지 않았습니다(그림 4i, p = 0.0745). 반응 지속 시간, 튜닝 대역폭 및 반응 지연 시간은 LPS 처리 동물에서 LTE 노출의 영향을 받지 않았습니다(그림 4d-f). 이는 주파수 선택성과 반응 시작의 정확도가 LPS 처리 동물에서 LTE 노출에 의해 영향을 받지 않았음을 나타냅니다.
다음으로, LTE 노출이 순음 피질 역치에 변화를 일으키는지 평가했습니다. 각 기록에서 얻은 주파수 응답 영역(FRA)을 이용하여 각 주파수에 대한 청력 역치를 측정하고 두 그룹의 동물에 대해 평균값을 구했습니다. 그림 4j는 LPS 처리 쥐에서 1.1kHz에서 36kHz까지의 평균(± 표준오차) 역치를 보여줍니다. 대조군과 노출군의 청력 역치를 비교한 결과, 노출군 동물에서 대조군 동물에 비해 역치가 상당히 증가했으며(그림 4j), 이러한 효과는 저주파수와 중주파수에서 더욱 두드러졌습니다. 더 정확하게는, 저주파수(< 2.25kHz)에서 높은 역치를 가진 A1 뉴런의 비율이 증가한 반면, 낮은 역치와 중간 역치를 가진 뉴런의 비율은 감소했습니다(카이제곱 = 43.85; p < 0.0001; 그림 4k, 왼쪽 그림). 중간 주파수(2.25 < Freq(kHz) < 11)에서도 동일한 효과가 관찰되었습니다. 노출되지 않은 그룹과 비교했을 때, 중간 역치를 가진 피질 기록의 비율이 더 높고 낮은 역치를 가진 뉴런의 비율은 더 낮았습니다(카이제곱 = 71.17; p < 0.001; 그림 4k, 중간 패널). 고주파 뉴런(≥ 11 kHz)의 역치에서도 유의미한 차이가 있었습니다(p = 0.0059). 낮은 역치를 가진 뉴런의 비율은 감소하고 중간-높은 역치를 가진 뉴런의 비율은 증가했습니다(카이제곱 = 10.853; p = 0.04; 그림 4k, 오른쪽 패널).
그림 5a는 대조군과 노출군에서 건강한 동물로부터 얻은 대뇌 피질 뉴런의 최적 주파수 분포(BF, 75dB SPL에서 최대 반응을 유발)를 보여줍니다. 통계 분석 결과 두 분포는 유사한 것으로 나타났으며(카이제곱 검정, p = 0.157), 이는 두 그룹 간의 비교가 표본 추출 편향 없이 이루어질 수 있음을 시사합니다.
건강한 동물에서 LTE 노출이 피질 반응의 정량화된 매개변수에 미치는 영향. (a) LTE에 노출된 건강한 동물(진한 파란색)과 LTE에 노출되지 않은 대조군(밝은 파란색)의 피질 뉴런에서 BF 분포. 두 분포 간에 차이가 없다. (bf) LTE 노출이 스펙트럼 시간 수용장(STRF)을 정량화하는 매개변수에 미치는 영향. STRF 및 최적 주파수 전반에 걸쳐 반응 강도에 유의미한 변화가 없었다(b,c). 반응 지속 시간은 약간 증가했지만(d), 반응 대역폭과 대역폭에는 변화가 없었다(e, f). 발성에 대한 반응의 강도와 시간적 신뢰도 모두 변화가 없었다(g, h). 자발적 활동에도 유의미한 변화가 없었다(i). (*p < 0.05, 비쌍 t-검정). (j,k) LTE 노출이 피질 역치에 미치는 영향. 평균적으로 LTE에 노출된 쥐의 역치는 대조군 쥐에 비해 유의미하게 변화하지 않았지만, 노출된 동물에서 고주파수 역치가 약간 낮았다.
그림 5b-f는 두 세트의 STRF에서 도출된 매개변수의 분포와 평균(빨간색 선)을 나타내는 상자 그림입니다. 건강한 동물에서 LTE 노출 자체는 STRF 매개변수의 평균값에 거의 영향을 미치지 않았습니다. 대조군(노출군을 나타내는 밝은 파란색 상자와 어두운 파란색 상자)과 비교했을 때, LTE 노출은 총 반응 강도나 BF 반응을 변화시키지 않았습니다(그림 5b,c; 독립 t-검정, 각각 p = 0.2176 및 p = 0.8696). 스펙트럼 대역폭과 지연 시간에도 영향이 없었지만(각각 p = 0.6764 및 p = 0.7129), 반응 지속 시간은 유의하게 증가했습니다(p = 0.047). 또한 발성 반응의 강도(그림 5g, p = 0.4375), 이러한 반응의 시행 간 신뢰도(그림 5h, p = 0.3412) 및 자발적 활동(그림 5f, p = 0.8696)에도 영향이 없었습니다. 5).5i; p = 0.3256).
그림 5j는 건강한 쥐에서 1.1~36kHz 범위의 평균(± 표준오차) 역치를 보여줍니다. 대조군과 노출군 사이에 유의미한 차이는 없었지만, 노출된 쥐에서 고주파수(11~36kHz) 영역에서 역치가 약간 더 낮았습니다(비대응 t-검정, p = 0.0083). 이러한 차이는 노출된 쥐에서 해당 주파수 범위(카이제곱 = 18.312, p = 0.001; 그림 5k)에서 낮은 역치와 중간 역치를 가진 뉴런이 약간 더 많고, 높은 역치를 가진 뉴런은 더 적다는 사실을 반영합니다.
결론적으로, 건강한 동물을 LTE에 노출시켰을 때 순음 및 발성과 같은 복합음에 대한 반응 강도에는 아무런 영향이 없었습니다. 또한, 건강한 동물에서는 LTE 노출군과 대조군의 대뇌 피질 청각 역치가 유사했지만, LPS 처리 동물에서는 LTE 노출로 인해 특히 저주파 및 중주파 영역에서 대뇌 피질 역치가 상당히 증가했습니다.
본 연구에서는 급성 신경염증을 겪고 있는 성인 수컷 쥐에게 0.5W/kg의 국소 SARACx(방법 참조)로 LTE-1800MHz를 노출시켰을 때, 의사소통의 1차 기록에서 소리 자극 반응 강도가 유의미하게 감소하는 것을 확인했습니다. 이러한 신경 활동의 변화는 미세아교세포 돌기가 차지하는 공간 영역의 변화 없이 발생했습니다. 건강한 쥐에서는 LTE가 피질 자극 반응 강도에 미치는 이러한 효과가 관찰되지 않았습니다. LTE 노출군과 대조군의 기록 단위 간 최적 주파수 분포가 유사하다는 점을 고려할 때, 신경 반응성의 차이는 샘플링 편향보다는 LTE 신호의 생물학적 효과에 기인하는 것으로 볼 수 있습니다(그림 4a). 또한, LTE 노출군에서 반응 지연 시간과 스펙트럼 튜닝 대역폭에 변화가 없다는 것은 이러한 기록이 2차 영역이 아닌 1차 ACx에 위치한 동일한 피질층에서 샘플링되었음을 시사합니다.
저희가 아는 바로는 LTE 신호가 신경 반응에 미치는 영향은 이전에 보고된 바 없습니다. 그러나 이전 연구에서는 GSM-1800MHz 또는 1800MHz 연속파(CW)가 신경 흥분성을 변화시킬 수 있음을 입증했으며, 실험 방법에 따라 상당한 차이가 있었습니다. 8.2W/kg의 SAR 수준에서 1800MHz CW에 노출된 직후 달팽이 신경절에서 기록된 결과는 활동 전위 발생 역치와 신경 조절이 감소했음을 보여주었습니다. 반면, 쥐 뇌에서 유래한 일차 신경 세포 배양에서 스파이크 및 버스팅 활동은 4.6W/kg의 SAR 수준에서 15분 동안 GSM-1800MHz 또는 1800MHz CW에 노출되었을 때 감소했습니다. 이러한 억제는 노출 후 30분 이내에 부분적으로만 회복되었습니다. 9.2W/kg의 SAR에서는 신경 세포 활동이 완전히 억제되었습니다. 용량-반응 분석 결과는 다음과 같습니다. GSM-1800MHz는 1800MHz CW보다 버스트 활동 억제에 더 효과적이었으며, 이는 신경 세포 반응이 RF 신호 변조에 따라 달라진다는 것을 시사합니다.
본 연구에서는 2시간 동안 머리에만 노출시킨 후 3~6시간 후에 생체 내에서 피질 유발 반응을 수집했습니다. 이전 연구에서 우리는 1.55W/kg의 SARACx에서 GSM-1800MHz의 영향을 조사했고 건강한 쥐에서 소리 유발 피질 반응에 유의미한 영향을 발견하지 못했습니다. 본 연구에서는 0.5W/kg의 SARACx에서 LTE-1800에 노출시킨 건강한 쥐에서 유일하게 유의미한 효과는 순음 제시 시 반응 지속 시간이 약간 증가한 것이었습니다. 이 효과는 반응 강도의 증가를 동반하지 않기 때문에 설명하기 어렵습니다. 이는 피질 뉴런에서 발사되는 총 활동 전위 수는 동일하지만 반응 지속 시간이 길어짐을 시사합니다. 한 가지 설명은 LTE 노출이 일부 억제성 개재 뉴런의 활동을 감소시킬 수 있다는 것입니다. 일차 ACx에서 전방 억제가 흥분성 시상 입력에 의해 유발되는 피라미드 세포 반응의 지속 시간을 조절한다는 사실이 이미 보고되었기 때문입니다.33,34 35, 36, 37.
반면, LPS로 유발된 신경염증에 노출된 쥐에서는 LTE 노출이 소리에 의해 유발된 신경 세포 발화 지속 시간에는 영향을 미치지 않았지만, 유발 반응 강도에는 유의미한 영향이 관찰되었습니다. 실제로, LPS를 투여하지 않은 대조군 쥐에서 기록된 신경 세포 반응과 비교했을 때, LPS를 투여하고 LTE에 노출된 쥐의 신경 세포는 반응 강도가 감소하는 양상을 보였으며, 이러한 효과는 순음과 자연 발성 모두에서 관찰되었습니다. 순음에 대한 반응 강도 감소는 75dB의 스펙트럼 조율 대역폭이 좁아지지 않은 상태에서 발생했으며, 모든 음량에서 나타났기 때문에 저주파 및 중주파 영역에서 피질 신경 세포의 음향 역치가 증가하는 결과를 초래했습니다.
유발 반응 강도의 감소는 LPS 처리 동물에서 0.5 W/kg의 SARACx로 적용된 LTE 신호의 효과가 3배 더 높은 SARACx(1.55 W/kg)로 적용된 GSM-1800 MHz의 효과와 유사함을 나타냅니다.28 GSM 신호의 경우, LTE-1800 MHz에 머리를 노출시키면 LPS로 유발된 신경염증에 노출된 쥐의 ACx 뉴런에서 신경 흥분성이 감소할 수 있습니다. 이러한 가설과 일치하게, 우리는 또한 발성에 대한 뉴런 반응의 시험 신뢰도 감소 경향(그림 4h)과 자발적 활동 감소 경향(그림 4i)을 관찰했습니다. 그러나 생체 내에서 LTE 신호가 뉴런의 내재적 흥분성을 감소시키는지 또는 시냅스 입력을 감소시켜 ACx의 뉴런 반응을 조절하는지 여부를 판단하기는 어려웠습니다.
첫째, 이러한 약한 반응은 LTE 1800MHz에 노출된 후 대뇌 피질 세포의 흥분성이 본질적으로 감소했기 때문일 수 있습니다. 이를 뒷받침하는 증거로, GSM-1800MHz와 1800MHz-CW를 각각 3.2W/kg 및 4.6W/kg의 SAR 수준으로 쥐 대뇌 피질 뉴런의 일차 배양에 직접 적용했을 때 버스트 활동이 감소했지만, 버스트 활동을 유의미하게 감소시키기 위해서는 특정 SAR 임계값이 필요했습니다. 또한, 노출된 동물에서 대조군 동물보다 자발적 발화율이 더 낮게 관찰되어 내재적 흥분성 감소를 뒷받침합니다.
둘째, LTE 노출은 시상-피질 또는 피질-피질 시냅스로부터의 시냅스 전달에도 영향을 미칠 수 있습니다. 현재 수많은 연구 결과에 따르면 청각 피질에서 스펙트럼 조율의 폭은 구심성 시상 투사만으로 결정되는 것이 아니라 피질 내 연결이 피질 부위에 추가적인 스펙트럼 입력을 제공한다는 것이 밝혀졌습니다.39,40 본 실험에서 노출군과 대조군 동물의 피질 STRF 대역폭이 유사하게 나타난 것은 LTE 노출의 영향이 피질-피질 연결성에 대한 영향이 아님을 간접적으로 시사합니다. 이는 또한 SAR에서 노출된 다른 피질 영역의 연결성이 ACx에서 측정된 것보다 높더라도(그림 2) 본 연구에서 보고된 반응 변화의 원인이 아닐 수 있음을 시사합니다.
여기서 LPS에 노출된 피질 기록의 더 많은 비율이 LPS 위약 노출 동물에 비해 높은 역치를 보였습니다. 피질 음향 역치가 주로 시상-피질 시냅스의 강도에 의해 조절된다는 가설이 제기되었으므로39,40, 시상-피질 전달이 노출에 의해 부분적으로 감소될 수 있으며, 이는 시냅스 전(글루타메이트 방출 감소) 또는 시냅스 후 수준(수용체 수 또는 친화도 감소)에서 발생할 수 있다고 추측할 수 있습니다.
GSM-1800MHz의 효과와 유사하게, LTE에 의해 유도된 신경 반응 변화는 LPS로 유발된 신경 염증, 특히 미세아교세포 반응과 관련하여 나타났습니다. 현재 연구 결과는 미세아교세포가 정상 및 병리적 뇌에서 신경망 활동에 강한 영향을 미친다는 것을 시사합니다.41,42,43 신경 전달을 조절하는 미세아교세포의 능력은 신경 전달을 조절하거나 제한할 수 있는 화합물을 생성하는 것뿐만 아니라 세포 돌기의 높은 운동성에도 달려 있습니다. 대뇌 피질에서 신경망 활동의 증가와 감소는 모두 미세아교세포 돌기의 성장으로 인해 미세아교세포의 공간적 영역을 빠르게 확장시킵니다.44,45 특히, 미세아교세포 돌출부는 활성화된 시상피질 시냅스 근처에 모여 미세아교세포 매개 국소 아데노신 생성과 관련된 기전을 통해 흥분성 시냅스의 활동을 억제할 수 있습니다.
LPS를 투여한 쥐에 1.55 W/kg의 SARACx를 적용한 GSM-1800 MHz 자극을 가했을 때, ACx 뉴런의 활동이 감소하고 ACx28 영역에서 Iba1 염색 면적이 유의미하게 증가하는 미세아교세포 돌기가 관찰되었습니다. 이러한 관찰 결과는 GSM 노출로 유발된 미세아교세포 재구조화가 소리 자극에 대한 뉴런 반응 감소에 적극적으로 기여할 수 있음을 시사합니다. 그러나 본 연구에서는 0.5 W/kg으로 제한된 SARACx를 적용한 LTE 두부 자극 환경에서 미세아교세포 돌기의 공간적 영역 증가가 관찰되지 않아 이러한 가설에 반하는 결과를 보였습니다. 하지만 이는 LTE 신호가 LPS에 의해 활성화된 미세아교세포에 영향을 미쳐 뉴런 활동에 영향을 미칠 가능성을 완전히 배제하는 것은 아닙니다. 따라서 이 문제를 해결하고 급성 신경염증이 LTE 신호에 대한 뉴런 반응을 변화시키는 기전을 규명하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다.
저희가 아는 바로는 LTE 신호가 청각 처리 과정에 미치는 영향은 이전에 연구된 적이 없습니다. 저희의 이전 연구(26,28)와 본 연구는 급성 염증 환경에서 GSM-1800MHz 또는 LTE-1800MHz에 머리만 노출시켰을 때 청력 역치 증가로 나타나는 것처럼 ACx의 신경 반응에 기능적 변화가 발생함을 보여주었습니다. 적어도 두 가지 주요 이유로 달팽이관 기능은 LTE 노출의 영향을 받지 않을 것으로 예상됩니다. 첫째, 그림 2에 나타난 선량 측정 연구에서 볼 수 있듯이 가장 높은 SAR 값(약 1W/kg)은 배측 내측 피질(안테나 아래)에 위치하며, 측면으로 갈수록 크게 감소합니다. 쥐의 귓바퀴(외이도 아래) 수준에서는 약 0.1W/kg으로 추정할 수 있습니다. 둘째, 기니피그의 귀를 2개월 동안 GSM 900MHz에 노출시켰을 때(주 5일, 1회) 하루 1시간, SAR 1~4W/kg 범위에서는 왜곡 생성물 이음향 방출 역치와 청각 뇌간 반응의 크기에 감지 가능한 변화가 없었습니다.47 또한, 2W/kg의 국소 SAR에서 GSM 900MHz 또는 1800MHz에 반복적으로 머리를 노출시켜도 건강한 쥐의 달팽이관 외유모세포 기능에 영향을 미치지 않았습니다.48,49 이러한 결과는 인간을 대상으로 한 연구 결과와 일치하는데, GSM 휴대폰의 EMF에 10~30분 동안 노출되어도 달팽이관50,51,52 또는 뇌간 수준53,54에서 평가한 청각 처리에는 일관된 영향이 없다는 것이 밝혀졌습니다.
본 연구에서 LTE에 의해 유발된 신경 세포 발화 변화는 노출 종료 후 3~6시간 후에 생체 내에서 관찰되었습니다. 이전 연구에서는 대뇌 피질의 배측 내측 부분에 대해 GSM-1800MHz에 의해 유발된 여러 영향이 노출 24시간 후에는 더 이상 감지되지 않았습니다. 이는 미세아교세포 돌기의 확장, IL-1β 유전자의 하향 조절, AMPA 수용체의 번역 후 변형에 해당합니다. 청각 피질의 SAR 값(0.5W/kg)이 배측 내측 영역(2.94W/kg26)보다 낮다는 점을 고려할 때, 본 연구에서 보고된 신경 활동의 변화는 일시적인 것으로 보입니다.
우리의 데이터는 휴대폰 사용자의 대뇌 피질에서 실제로 발생하는 SAR 값에 대한 추정치와 관련 SAR 제한 기준을 고려해야 합니다. 현재 공공 안전을 위해 사용되는 기준은 100kHz 및 6GHz RF 대역의 무선 주파수에 대한 머리 또는 몸통의 국소 노출에 대한 SAR 제한을 2W/kg으로 설정하고 있습니다.
다양한 인체 두부 모델을 사용하여 일반적인 머리 또는 휴대폰 통신 중 머리의 여러 조직에서 RF 전력 흡수량을 측정하기 위한 선량 시뮬레이션이 수행되었습니다. 이러한 시뮬레이션은 인체 두부 모델의 다양성 외에도 두개골의 외부 또는 내부 모양, 두께, 수분 함량과 같은 해부학적 또는 조직학적 매개변수를 기반으로 뇌에 흡수되는 에너지를 추정하는 데 상당한 차이 또는 불확실성이 있음을 보여줍니다. 머리의 여러 조직은 연령, 성별 또는 개인에 따라 크게 다릅니다.56,57,58 또한 안테나의 내부 위치 및 사용자의 머리에 대한 휴대폰의 위치와 같은 휴대폰 특성은 대뇌 피질의 SAR 값 수준 및 분포에 큰 영향을 미칩니다.59,60 그러나 1800MHz 범위의 무선 주파수를 방출하는 휴대폰 모델을 기반으로 구축된 인체 대뇌 피질의 SAR 분포를 고려할 때58,59,60, 인체 청각 피질에서 달성된 SAR 수준은 여전히 과소평가되고 있는 것으로 보입니다. 인간 대뇌 피질의 절반에 해당합니다. 본 연구(SARACx 0.5 W/kg) 결과는 현재 일반 대중에게 적용되는 SAR 값의 한계를 넘어서는 것이 아님을 보여줍니다.
결론적으로, 본 연구는 LTE-1800MHz에 머리만 한 번 노출되는 것만으로도 감각 자극에 대한 대뇌 피질 뉴런의 반응이 방해받는다는 것을 보여줍니다. 기존의 GSM 신호 영향에 대한 연구 결과와 일관되게, 본 연구 결과는 LTE 신호가 신경 활동에 미치는 영향이 건강 상태에 따라 다를 수 있음을 시사합니다. 급성 신경 염증은 뉴런을 LTE-1800MHz에 민감하게 만들어 청각 자극에 대한 대뇌 피질 처리 과정의 변화를 초래합니다.
본 연구에서는 Janvier 연구소에서 분양받은 성체 수컷 Wistar 쥐 31마리의 대뇌 피질에서 생후 55일째 데이터를 수집하였다. 쥐들은 습도 50-55%, 온도 22-24°C가 조절되는 시설에서 12시간 명암 주기(오전 7시 30분 점등)로 사육되었으며, 사료와 물은 자유롭게 섭취할 수 있도록 제공하였다. 모든 실험은 유럽 공동체 이사회 지침(2010/63/EU 이사회 지침)에 따라 수행되었으며, 이는 신경과학 연구에서 동물 사용에 관한 신경과학회 지침과 유사하다. 본 연구 프로토콜은 파리-수드 및 중부 윤리위원회(CEEA N°59, 프로젝트 2014-25, 국가 프로토콜 03729.02)의 승인을 받았으며, 해당 위원회에서 검증한 절차(32-2011 및 34-2012)를 사용하였다.
동물들은 LPS 처리 및 LTE-EMF 노출(또는 가짜 노출) 전에 최소 1주일 동안 사육실에 적응시켰습니다.
22마리의 쥐에게 LTE 또는 가짜 노출 24시간 전에 멸균된 내독소 제거 등장성 식염수로 희석한 대장균 LPS(250 µg/kg, 혈청형 0127:B8, SIGMA)를 복강 내 주사(ip)했습니다(그룹당 n). = 11). 2개월령 위스타 수컷 쥐에서, 이 LPS 처리는 대뇌 피질에서 여러 전염증성 유전자(종양 괴사 인자 알파, 인터루킨 1β, CCL2, NOX2, NOS2)의 발현 증가로 나타나는 신경염증 반응을 유발합니다. LPS 주사 후 24시간이 지나면서 이들 유전자의 발현이 증가했는데, 특히 NOX2 효소와 인터루킨 1β를 코딩하는 전사체의 수준은 각각 4배와 12배 증가했습니다. 이 24시간 시점에서, 대뇌 피질의 미세아교세포는 LPS에 의해 유발된 세포의 전염증성 활성화에서 예상되는 전형적인 "밀집된" 세포 형태를 보였습니다(그림 1). 이는 다른 LPS 유발 활성화와는 대조적입니다. 세포의 전염증성 활성화는 24, 61에 해당합니다.
LTE EMF에 대한 머리 부분 노출은 이전에 GSM EMF의 영향을 평가하는 데 사용되었던 실험 장치를 이용하여 수행되었습니다.26 LTE 노출은 LPS 주사 후 24시간(11마리) 또는 LPS 미처리(5마리) 후에 실시되었습니다. 동물의 움직임을 방지하고 LTE 신호를 방출하는 루프 안테나 아래에 머리가 위치하도록 노출 전에 케타민/자일라진(케타민 80mg/kg, 복강 주사; 자일라진 10mg/kg, 복강 주사)으로 가볍게 마취했습니다. 동일한 우리에 있는 쥐의 절반(LPS 전처리된 22마리 중 11마리)은 대조군으로 사용되었습니다. 이들은 루프 안테나 아래에 놓였고 LTE 신호의 에너지는 0으로 설정되었습니다. 노출군과 대조군의 체중은 유사했습니다(p = 0.558, 비쌍 t-검정, 유의미하지 않음). 모든 마취된 동물은 체온을 약 37°C로 유지하기 위해 금속이 없는 가열 패드 위에 놓았습니다. 실험 전반에 걸쳐 동일한 방식으로 진행했습니다. 이전 실험과 마찬가지로 노출 시간은 2시간으로 설정했습니다. 노출 후, 동물을 수술실 내 다른 온열 패드 위에 올려놓았습니다. 동일한 노출 절차를 건강한 쥐 10마리(LPS 미처리)에게도 적용했으며, 이 중 절반은 같은 우리에서 대조군으로 노출시켰습니다(p = 0.694).
노출 시스템은 이전 연구에서 설명된 시스템 25, 62와 유사했지만, 무선 주파수 발생기를 GSM 전자기장 대신 LTE 전자기장을 생성하도록 교체했습니다. 간단히 설명하면, LTE - 1800MHz 전자기장을 방출하는 RF 발생기(SMBV100A, 3.2GHz, Rohde & Schwarz, 독일)를 전력 증폭기(ZHL-4W-422+, Mini-Circuits, 미국), 순환기(D3 1719-N, Sodhy, 프랑스), 양방향 커플러(CD D 1824-2, -30dB, Sodhy, 프랑스) 및 4방향 전력 분배기(DC D 0922-4N, Sodhy, 프랑스)에 연결하여 네 마리의 동물을 동시에 노출시킬 수 있었습니다. 양방향 커플러에 연결된 전력계(N1921A, Agilent, 미국)를 통해 장치 내 입사 및 반사 전력을 지속적으로 측정하고 모니터링했습니다. 각 출력은 루프 안테나에 연결되었습니다. (Sama-Sistemi srl; 로마)에서 제작한 이 장치는 동물의 머리를 부분적으로 노출시킬 수 있도록 설계되었습니다. 루프 안테나는 절연 에폭시 기판에 새겨진 두 개의 금속선(유전 상수 εr = 4.6)이 있는 인쇄 회로로 구성됩니다. 한쪽 끝에는 동물의 머리 가까이에 위치한 1mm 너비의 링 모양 와이어가 있습니다. 이전 연구26,62와 마찬가지로, 특정 흡수율(SAR)은 수치 쥐 모델과 유한차분 시간영역(FDTD) 방법63,64,65을 사용하여 수치적으로 결정되었습니다. 또한 Luxtron 프로브를 사용하여 온도 상승을 측정하는 균질 쥐 모델에서 실험적으로도 측정되었습니다. 이 경우 SAR(W/kg)은 SAR = C ΔT/Δt 공식을 사용하여 계산됩니다. 여기서 C는 열용량(J/(kg·K)), ΔT는 °K, Δt는 온도 변화, 시간은 초입니다. 수치적으로 결정된 SAR 값은 균질 쥐 모델을 사용하여 얻은 실험적 SAR 값과 비교되었습니다. 특히 유사한 쥐 뇌 영역에서 모델과의 유사성이 높습니다. 수치적 SAR 측정값과 실험적으로 검출된 SAR 값의 차이는 30% 미만입니다.
그림 2a는 본 연구에 사용된 쥐의 체중 및 크기 분포와 일치하는 쥐 모델의 뇌에서 SAR 분포를 보여줍니다. 뇌의 평균 SAR은 0.37 ± 0.23 W/kg(평균 ± 표준편차)이었습니다. SAR 값은 루프 안테나 바로 아래 피질 영역에서 가장 높았습니다. ACx의 국소 SAR(SARACx)은 0.50 ± 0.08 W/kg(평균 ± 표준편차)이었습니다(그림 2b). 노출된 쥐의 체중이 균일하고 두부 조직 두께의 차이가 미미하므로 ACx 또는 다른 피질 영역의 실제 SAR은 노출된 동물 간에 매우 유사할 것으로 예상됩니다.
노출 종료 후, 뒷발을 꼬집었을 때 반사 운동이 관찰되지 않을 때까지 케타민(20mg/kg, 복강 주사)과 자일라진(4mg/kg, 복강 주사)을 추가로 투여했습니다. 국소 마취제(자일로카인 2%)를 두개골 위쪽의 피부와 측두근에 피하 주사하고, 동물을 금속이 없는 가열 시스템에 올려놓았습니다. 동물을 정위 고정 장치에 고정한 후, 좌측 측두엽 피질 부위에 개두술을 시행했습니다. 이전 연구66에서와 같이, 두정골과 측두골의 접합부에서 시작하여 개구부는 너비 9mm, 높이 5mm였습니다. 양안으로 주의 깊게 관찰하면서 혈관 손상 없이 ACx 위쪽의 경막을 조심스럽게 제거했습니다. 시술이 끝난 후, 기록 중 동물의 머리를 외상 없이 고정하기 위해 치과용 아크릴 시멘트로 받침대를 제작했습니다. 동물을 지지하는 정위 고정 장치를 방음실(IAC, 모델 AC1)에 넣었습니다.
20마리 쥐(LPS로 전처리한 10마리 포함)의 일차 청각 피질에서 다중 단위 기록을 통해 데이터를 얻었습니다. 세포외 기록은 1000µm 간격으로 배치된 8개의 전극이 두 줄로 이루어진 16개의 텅스텐 전극(TDT, ø: 33µm, < 1MΩ) 어레이를 사용하여 얻었습니다(동일 줄 내 전극 간 간격은 350µm). 접지를 위해 은선(ø: 300µm)을 측두골과 반대쪽 경막 사이에 삽입했습니다. 일차 청각 피질의 위치는 브레그마에서 4-7mm 후방, 상측두 봉합선에서 3mm 복측으로 추정됩니다. 원시 신호는 10,000배 증폭(TDT Medusa)한 후 다채널 데이터 수집 시스템(RX5, TDT)으로 처리했습니다. 각 전극에서 수집된 신호는 필터링(610–10,000Hz)하여 추출했습니다. 다중 단위 활동(MUA)을 측정하기 위해, 각 전극에 대해 (노출 또는 가짜 노출 상태를 알지 못하는 공동 연구자들이) 트리거 레벨을 신중하게 설정하여 신호에서 가장 큰 활동 전위를 선택했습니다. 파형에 대한 온라인 및 오프라인 검사 결과, 여기서 수집된 MUA는 전극 근처의 3~6개 뉴런에서 생성된 활동 전위로 구성되어 있음을 보여주었습니다. 각 실험 시작 시, 전극 배열의 위치를 조정하여 두 줄의 8개 전극이 뇌측 방향에서 저주파수에서 고주파수 응답까지 뉴런을 샘플링할 수 있도록 했습니다.
음향 자극은 Matlab에서 생성되어 RP2.1 기반 음향 전달 시스템(TDT)을 거쳐 Fostex 스피커(FE87E)로 전송되었습니다. 스피커는 쥐의 오른쪽 귀에서 2cm 떨어진 곳에 배치되었으며, 이 거리에서 스피커는 140Hz에서 36kHz 사이에서 평탄한 주파수 스펙트럼(± 3dB)을 생성했습니다. 스피커 교정은 Bruel and Kjaer 4133 마이크와 B&K 2169 프리앰프, Marantz PMD671 디지털 레코더를 사용하여 녹음한 잡음과 순음을 이용하여 수행되었습니다. 스펙트럼 시간 수용장(STRF)은 8옥타브(0.14~36kHz)에 걸쳐 있는 97개의 감마음 주파수를 4.15Hz에서 75dB SPL로 무작위 순서로 제시하여 결정했습니다. 주파수 응답 영역(FRA)은 동일한 음색 세트를 사용하여 2Hz에서 무작위 순서로 제시하여 결정했습니다. 75~5dB SPL. 각 주파수는 각 강도에서 8회씩 제시됩니다.
자연 자극에 대한 반응도 평가했습니다. 이전 연구에서 우리는 쥐의 발성이 신경 최적 주파수(BF)와 관계없이 ACx에서 강한 반응을 거의 유발하지 않는 반면, 이종이식 특이적 자극(예: 노래하는 새 또는 기니피그의 발성)은 일반적으로 전체 음색 지도에 강한 반응을 유발한다는 것을 관찰했습니다. 따라서 우리는 기니피그의 발성에 대한 피질 반응을 테스트했습니다(36번 연구에서 사용된 휘파람 소리는 1초 동안 25회 제시되는 자극에 연결되었습니다).