Bioelectromagnetisme és l'estudi de la interacció entre camps electromagnètics i entitats biològiques. Les àrees d'estudi inclouen el camp elèctric o els camps electromagnètics produïts per cèl·lules vives, teixits biològics o organismes incloent bacteris bioluminescents; per exemple, el potencial de membrana cel·lular i el corrent elèctric que flueixen en nervis i músculs, com a resultat de potencial d'acció. Uns altres inclouen navegació animal usant el camp geomagnètic; efectes potencials de fonts artificials de camps electromagnètics com telèfon mòbils; i desenvolupar noves teràpies per tractar diverses condicions. El terme també pot referir-se a la capacitat de les cèl·lules, teixits i organismes vius per produir camps elèctrics i la resposta de les cèl·lules als camps electromagnètics.
En un sentit ampli, el bioelectromagnetisme inclou la bioelectricitat, el biomagnetisme, la detecció de camps elèctrics o magnètics per part dels organismes, la dosimetria dels camps aplicats i els mètodes de registre o estimulació utilitzats en biomedicina. Entre aquests mètodes hi ha l'electrocardiografia, l'electroencefalografia, l'electromiografia, la magnetoencefalografia i l'estimulació magnètica transcranial.Joachim Gross, Markus Junghöfer i Carsten Wolters, «Bioelectromagnetism in Human Brain Research: New Applications, New Questions», The Neuroscientist, vol. 29, núm. 1, 2023, pàg. 62–77, doi:10.1177/10738584211054742, PMID 34873945.
Els mecanismes d'interacció depenen de la freqüència, la intensitat, la forma d'ona, la durada de l'exposició i la geometria del cos o del teixit. Per això, un efecte biològic mesurable no és necessàriament un efecte advers per a la salut.International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, «Guidelines for Limiting Exposure to Electromagnetic Fields (100 kHz to 300 GHz)», Health Physics, vol. 118, núm. 5, 2020, pàg. 483–524, doi:10.1097/HP.0000000000001210, PMID 32167495.
miniatura|L'espectre electromagnètic inclou camps estàtics, freqüències baixes, radiofreqüències i radiacions de freqüència més elevada. Els mecanismes d'interacció amb la matèria viva varien al llarg de l'espectre.
Efectes del comportament Molts efectes del comportament a diferents intensitats s'han informat des de l'exposició als camps magnètics, particularment amb els camps magnètics polsats. El pols específic utilitzat sembla un factor important per a l'efecte conductual observat; per exemple, es va trobar que un camp magnètic polsatori dissenyat per a MRI espectroscòpic, anomenat Low Field Magnetic Stimulation, va millorar temporalment l'estat d'ànim en pacients bipolars, mentre que un altre pols de la ressonància magnètica no va tenir cap efecte. Es va trobar una exposició de cos sencer a un camp magnètic polsant per alterar l'equilibri dempeus i la percepció del dolor en altres estudis.
Els estudis sobre efectes conductuals depenen fortament dels paràmetres d'exposició, de la dosimetria i de la qualitat del control experimental. Els resultats obtinguts amb una forma d'ona o una intensitat concretes no es poden generalitzar automàticament a altres camps magnètics polsats ni interpretar, per si sols, com una demostració d'eficàcia clínica.Organització Mundial de la Salut, Extremely Low Frequency Fields, Environmental Health Criteria 238, Ginebra, WHO Press, 2007, ISBN 978-92-4-157238-5, consulta en línia.
Abast i terminologia El bioelectromagnetisme és un àmbit de la biofísica relacionat amb l'electrofisiologia, la neurociència, la fisiologia, l'enginyeria biomèdica, la física mèdica i la biologia del desenvolupament. En un sentit restringit estudia els fenòmens elèctrics i magnètics originats pels sistemes biològics i els procediments per mesurar-los. En un sentit més ampli també inclou l'estimulació mitjançant camps aplicats i l'avaluació de les exposicions ambientals, ocupacionals i mèdiques.
Una classificació funcional diferencia: els camps i corrents endògens produïts per membranes, cèl·lules, teixits i òrgans; la detecció de camps elèctrics o magnètics per part dels organismes; la resposta dels sistemes biològics a camps externs; els mètodes de registre, modelització, estimulació i control de l'exposició.
Aquestes categories se superposen. Per exemple, l'activitat neuronal es pot estudiar mitjançant potencials elèctrics registrats amb electroencefalografia, camps magnètics mesurats amb magnetoencefalografia o respostes provocades per estimulació elèctrica o magnètica.
Fonaments físics i biològics Magnituds electromagnètiques i freqüència Els camps elèctrics es descriuen habitualment mitjançant la intensitat del camp elèctric, expressada en volts per metre, i els camps magnètics mitjançant la densitat de flux magnètic, expressada en tesles, o la intensitat del camp magnètic, expressada en amperes per metre. Els camps variables en el temps poden induir camps elèctrics i corrents en un medi conductor. En els teixits, la resposta també depèn de la conductivitat, la permitivitat, l'anatomia i l'anisotropia del medi.
En protecció davant de radiacions no ionitzants se solen tractar per separat els camps estàtics, els camps de baixa freqüència i els camps de radiofreqüència. Les directrius de la Comissió Internacional de Protecció contra les Radiacions No Ionitzants (ICNIRP) de 2010 cobreixen els camps variables d'1 Hz a 100 kHz, mentre que les de 2020 cobreixen les radiofreqüències de 100 kHz a 300 GHz.International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, «Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric and Magnetic Fields (1 Hz to 100 kHz)», Health Physics, vol. 99, núm. 6, 2010, pàg. 818–836, doi:10.1097/HP.0b013e3181f06c86, PMID 21068601.
La distinció entre radiació ionitzant i radiació no ionitzant respon a l'energia dels fotons i al tipus d'interacció física. La major part de la recerca inclosa tradicionalment en bioelectromagnetisme tracta camps estàtics i radiacions no ionitzants; els efectes dels raigs X i gamma se solen estudiar en radiobiologia.
Bioelectricitat cel·lular La base de la bioelectricitat és la separació de càrregues a través de la membrana plasmàtica. Les diferències de concentració i la permeabilitat selectiva als ions, mantingudes per canals, transportadors i bombes iòniques, originen el potencial de membrana. En cèl·lules excitables, com les neurones i les fibres musculars, canvis ràpids de la conductància de membrana produeixen potencials d'acció que es propaguen i permeten la transmissió d'informació o la contracció.Dale Purves, George J. Augustine, David Fitzpatrick et al. (eds.), Neuroscience, 2a ed., Sunderland, Sinauer Associates, 2001, capítol «Electrical Signals of Nerve Cells», NCBI Bookshelf.
Els corrents transmembrana generen distribucions de potencial dins i fora de les cèl·lules. Quan nombroses cèl·lules s'activen amb una organització espacial i temporal determinada, els seus camps es poden sumar i propagar pel volum conductor dels teixits. Aquest fenomen permet registrar a la superfície corporal senyals originats al cor, el cervell o els músculs, però també fa que la forma del senyal depengui de la geometria i de la conductivitat dels teixits situats entre la font i l'elèctrode.
La senyalització bioelèctrica no es limita a les cèl·lules excitables. Els potencials de membrana, les unions intercel·lulars i els fluxos iònics també participen en processos de desenvolupament, cicatrització i regeneració. Aquesta regulació interactua amb vies bioquímiques, mecàniques i genètiques i no constitueix, per si sola, una explicació completa d'aquests processos.Michael Levin, «Bioelectric Signaling: Reprogrammable Circuits Underlying Embryogenesis, Regeneration, and Cancer», Cell, vol. 184, núm. 8, 2021, pàg. 1971–1989, doi:10.1016/j.cell.2021.02.034, PMID 33826908.
Biomagnetisme Tot corrent elèctric genera un camp magnètic. En conseqüència, l'activitat del cor, del cervell, dels músculs i dels nervis produeix camps biomagnètics. Aquests camps solen ser molt més febles que el camp magnètic terrestre i que moltes fonts ambientals, de manera que la seva mesura requereix sensors d'alta sensibilitat, reducció del soroll i, sovint, sales amb apantallament magnètic.Bradley J. Roth, «Biomagnetism: The First Sixty Years», Sensors, vol. 23, núm. 9, 2023, article 4218, doi:10.3390/s23094218, PMID 37177427.
Les mesures elèctriques i magnètiques aporten informació relacionada però no idèntica. La distribució dels camps depèn de l'orientació de les fonts i de les propietats conductores del cos. Tant en electroencefalografia com en magnetoencefalografia, inferir la localització de les fonts a partir de mesures externes és un problema invers que no té una solució única sense incorporar models i restriccions addicionals.
miniatura|Esquema de la generació i la mesura del camp magnètic cerebral en una magnetoencefalografia.
Interacció amb camps externs En un camp magnètic estàtic poden actuar forces i parells sobre materials magnètics, i el moviment d'un cos conductor a través del camp pot induir camps elèctrics. A intensitats elevades, el moviment dins de camps estàtics pot produir efectes sensorials transitoris, i els objectes ferromagnètics poden constituir un risc mecànic en entorns com la imatge per ressonància magnètica.International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, «Guidelines on Limits of Exposure to Static Magnetic Fields», Health Physics, vol. 96, núm. 4, 2009, pàg. 504–514, text complet.
A freqüències baixes, el mecanisme immediat més ben establert és la inducció de camps elèctrics i corrents dins del cos. Si són prou intensos, poden estimular nervis i músculs o alterar transitòriament l'activitat sensorial. La distribució del camp induït depèn de la freqüència, la forma d'ona, la postura, la mida corporal i la conductivitat dels teixits.
A les radiofreqüències, l'absorció d'energia pot produir escalfament. A freqüències més baixes d'aquesta banda també cal considerar l'estimulació nerviosa, mentre que a freqüències més elevades l'absorció es concentra progressivament en teixits més superficials. Les restriccions d'exposició utilitzen magnituds dosimètriques relacionades amb aquests mecanismes.
Fenòmens biològics Activitat nerviosa, muscular i cardíaca El sistema nerviós i els músculs constitueixen els exemples clàssics de teixits excitables. La despolarització i la repolarització coordinades del miocardi originen els senyals de l'electrocardiograma; l'activitat sincronitzada de poblacions neuronals contribueix a l'electroencefalograma; i l'activitat de les unitats motores es pot estudiar amb electromiografia. Aquests registres no representen directament l'activitat d'una sola cèl·lula, sinó una combinació de fonts filtrada per les propietats del volum conductor i per l'instrument de mesura.
A escala microscòpica, les tècniques intracel·lulars i el patch-clamp permeten estudiar potencials de membrana i corrents iònics. A escales més grans, els potencials de camp locals i els registres de superfície descriuen l'activitat agregada. L'escala i el mètode condicionen els processos que es poden inferir del senyal.
Desenvolupament, reparació i regeneració En embrions i teixits en regeneració s'han descrit gradients de potencial, corrents i dominis de voltatge associats a la polaritat, la migració cel·lular i l'organització dels teixits. Els estudis experimentals han mostrat que modificar canals iònics, unions comunicants o potencials de membrana pot alterar alguns patrons morfogenètics.
Una part important d'aquesta evidència procedeix de models animals, cultius i sistemes experimentals. Per tant, les possibilitats de controlar la regeneració o tractar malalties mitjançant la senyalització bioelèctrica són línies de recerca i no aplicacions clíniques generals consolidades.
Electrogènesi i electrorecepció