Electromagnetics in Biology

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Kato M., Shigemitsu T. 1.1 A Brief History of Research on Electromagnetic Field Effects on Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1 Basic neurophysiologic research. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Biological research with microwave energy . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.3 ELF electric fields and bone healing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.4 Public concern about exposure to electromagnetic fields . . . . 5 1.1.5 The Bioelectromagnetics Society . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.6 Models used and topics investigated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Bioelectricity and Biomagnetism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.1 Bioelectricity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.1.1 Membrane potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.1.2 Origin of the membrane potential . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.1.3 The action potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.1.4 Synaptic transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.1.5 Structural elements of chemical synapses . . . . . . . . 10 1.2.1.6 Excitatory synapses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1.7 Inhibitory synapses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1.8 Synaptic receptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1.9 Electrical synapses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2 Biomagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3 Environmental Electromagnetic Fields and Biosystems . . . . . . . . . . . 12 1.3.1 Natural background fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.2 ELF electromagnetic fields and biological systems . . . . . . . . 16 1.3.2.1 Circadian rhythms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.2.2 Similarity between EEG rhythms and Schumann resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.2.3 Influences of natural electromagnetic processes on humans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.2.4 Geomagnetic fields and biological systems . . . . . . . 20 1.3.3 Anthropogenic electromagnetic fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.3.1 Power-frequency electric fields in the environment 24 1.3.3.2 Power-frequency magnetic fields in the environment 25 1.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2 Endpoints and Methodologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Fujiwara O., Wang J., Kato M., Miyakoshi J. 2.1 Definition and Equations of Electric and Magnetic Fields . . . . . . . . . 31 2.1.1 Electric field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1.2 Magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1.3 Electromagnetic wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2 Endpoints and Methodologies for In vivo Research . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.1 Nervous system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.1.1 Nervous system and behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.1.1.1 Outline of behavioral science . . . . . . . . . 33 2.2.1.1.2 Activity and attention, learning and memory, and task performance . . . . . . . 35 2.2.1.1.3 Behavioral methodologies employed in bioelectromagnetics . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.1.2 Electroencephalogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.1.3 Evoked potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2.1.3.1 Sensory-evoked potential . . . . . . . . . . . . 40 2.2.1.3.2 Event-related potential . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.1.4 Neurotransmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.1.5 Receptors for neurotransmitters . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2.1.6 Opioid system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.2.2 Endocrine system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.2.1 Pineal gland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.2.1.1 Measurement of melatonin . . . . . . . . . . . 46 2.2.2.1.2 Melatonin effects on the endocrine system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.2.1.3 Oncostatic action of melatonin . . . . . . . 46 2.2.2.1.4 Melatonin effects on immune function . 46 2.2.2.1.5 Analgesic action of melatonin . . . . . . . . 46 2.2.2.1.6 Other actions ofmelatonin . . . . . . . . . . . 47 2.2.2.1.7 Melatonin in humans . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.2.3 Immune system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.2.3.1 Acquired and innate immunity . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.2.3.2 Types of immune cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.2.3.3 Immune modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.1.1.1 Effects of manipulation of geomagnetic field on melatonin . . . . . . . 81 3.4.1.1.2 Effects of 60 Hz electric fields on melatonin in rodents. . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.4.1.1.2.1 Assessment of melatonin concentration . . . . . . . . . . . 82 3.4.1.1.2.2 Morphological studies . . . 87 3.4.1.1.3 Experiments with farm animals. . . . . . . 88 3.4.1.1.4 Experiments with non-human primates 88 3.4.1.1.5 Experiments with humans . . . . . . . . . . . 89 3.4.1.1.5.1 Laboratory experiments with healthy humans . . . . . 89 3.4.1.1.5.2 Laboratory measurement on patients . . . . . . . . . . . . . 91 3.4.1.1.5.3 Occupational exposure studies with humans . . . . . 92 3.4.1.1.6 Mechanism of magnetic field effects on pineal gland. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.4.1.2 Effects of electric and magnetic field exposure on sex hormones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.5 Bone Repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.5.1 Clinical studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.5.2 Animal studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.6 Immune Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.6.1 Lymphocyte proliferation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.6.2 T lymphocyte activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.6.3 Natural killer cell activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.6.4 Cytokines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4 Experimental Results: In vitro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Miyakoshi J. 4.1 Genotoxic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.1.1 Chromosomal aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 4.1.2 DNA strand breaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.1.2.1 Induction of strand breakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.1.3 Micronucleus formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.1.4 Mutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.2 Cellular Proliferation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.2.1 Cell proliferation and survival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.2.2 Melatonin and cell proliferation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.2.3 DNA synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.3 Gene Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.3.1 c-myc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.3.2 c-fos and c-jun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.3.3 Heat shock protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.3.4 Neuron-derived orphan receptor-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.4 Signal Transduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 4.4.1 Calcium ion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.4.2 Protein kinase C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.5 Ornithine Decarboxylase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.5.1 Interleukin-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.5.2 Gap junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.6 Cell Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.7.1 Summary of findings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.7.2 Commentary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5 Dosimetry Related to ELF Electromagnetic Field Exposure Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Shigemitsu T. 5.1 ELF EMF Coupling and Dosimetry with Biological Systems . . . . . . 137 5.2 Macroscopic Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.2.1 Electric field in vivo exposure systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.2.2 Magnetic field in vivo exposure systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.2.3 In vitro exposure systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.2.4 Issues related to insufficient consideration of electrical engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.3 Induced Electric Fields and Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 5.3.1 ELF electric and magnetic fields into biological systems and need for scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 5.3.1.1 Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 5.3.1.2 Scaling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 5.3.2 Models for analysis of induced current inside biological systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 5.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6 What Magnetic Field Parameters are Biologically Effective? . . . . . . . . 159 Shigemitsu T., Kato M. 6.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.2 Polarization ofMagnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.3 Orientation ofMagnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 6.4 Exposure Intensity of Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 6.5 Exposure Duration of Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 6.6 Time-weighted Average and Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.7 Intermittency or Irregularity of Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.8 Transients of Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 8.4.3.1 Ion cyclotron resonance model . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 8.4.3.2 Parametric resonance model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 8.4.3.3 Ion parametric resonance model . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.4.3.4 Stochastic resonance model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 8.4.4 Biogenic magnetite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8.4.5 Free radical reaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 8.4.5.1 Background. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 8.4.5.2 Free radical interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 8.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 8.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Part III Radiofrequency Fields 9 Radiofrequency Dosimetry and Exposure Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Fujiwara O., Wang J. 9.1 Computational Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 9.1.1 Anatomically based biological models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 9.1.2 Finite difference time domain method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 9.1.2.1 FDTD formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 9.1.2.2 Absorbing boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . 229 9.1.2.3 Field excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 9.1.2.4 Finite difference time domain flow chart . . . . . . . . . 232 9.1.3 Bio-heat equation and temperature calculation . . . . . . . . . . . . 232 9.2 Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 9.2.1 Tissue-simulating phantoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 9.2.1.1 Liquid phantoms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 9.2.1.2 Solid phantoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 9.2.1.3 Gel phantoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 9.2.2 Electric field measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 9.2.3 Thermal measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 9.3 In vivo Exposure Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 9.3.1 Near-field exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 9.3.1.1 Linear antennas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 9.3.1.2 Improvement with high-permittivity material . . . . . 241 9.3.1.3 Loop antennas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.3.2 Far-field exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.3.2.1 Resonant waveguide structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.3.2.2 TEMcells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 9.4 In vitro Exposure Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 9.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 10.7.2 RF hearing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 10.7.2.1 Basic phenomenon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 10.7.2.2 Mechanisms for RF hearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 10.7.3 Effects on auditory pathway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 10.7.3.1 Experimental data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 10.8 Thermoregulatory Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 10.8.1 Regulation of body temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 10.8.2 Experiments with animals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 10.8.3 Experiments with humans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 10.8.4 Magnetic resonance imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 10.8.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 10.9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 11 Radiofrequency Biology: In vitro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Miyakoshi J. 11.1 Cell Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 11.2 Genotoxic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 11.2.1 Chromosomal aberration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 11.2.1.1 Studies reporting negative results . . . . . . . . . . . . . . . 306 11.2.1.2 Studies reporting positive results . . . . . . . . . . . . . . . 307 11.2.1.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 11.2.2 DNA strand breaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 11.2.2.1 Studies reporting negative results . . . . . . . . . . . . . . . 308 11.2.2.2 Studies reporting positive results . . . . . . . . . . . . . . . 309 11.2.2.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 11.2.3 Micronucleus formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 11.2.3.1 Experimental data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 11.2.3.2 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 11.2.4 Mutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 11.3 Gene Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 11.3.1 Heat shock proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 11.3.2 Oncogenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 11.4 Signal Transduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 11.5 Cell Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 11.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 12 Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 Kato M. Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321