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モバイル通信に対する需要の絶え間ない増加により、無線技術 (G) が継続的に出現しており、生物システムにさまざまな影響を与える可能性があります。これを検証するために、ラットを 4G 長期進化 (LTE)-1800 MHz 電磁界 (EMF) に 2 時間片側曝露しました。次に、リポ多糖誘発性急性神経炎症が一次聴覚皮質 (ACx) のミクログリアの空間的被覆と電気生理学的神経活動に及ぼす影響を評価しました。ACx の平均 SAR は 0.5 W/kg です。マルチユニット記録では、LTE-EMF により純音と自然な発声に対する反応の強度が低下し、低域と中域の周波数の音響閾値が上昇することが示されました。Iba1 免疫組織化学では、ミクログリアの体と突起が覆う領域に変化は見られませんでした。健康なラットでは、同じ LTE 曝露によって反応強度と音響閾値に変化は生じませんでした。 LTE-EMFに対するニューロンの感受性を高め、その結果、ACxにおける音響刺激の処理が変化する。
過去30年間、無線通信の継続的な拡大により、人類の電磁環境は劇的に変化しました。現在、人口の3分の2以上が携帯電話（MP）ユーザーとされています。この技術の大規模な普及は、MPや基地局から放出され通信を符号化する無線周波数（RF）帯域のパルス電磁界（EMF）の潜在的に危険な影響に関する懸念と議論を引き起こしました。この公衆衛生上の問題は、生体組織における無線周波数吸収の影響を調査する多くの実験的研究を促しました1。これらの研究の中には、MPの普及に伴う脳とRF源との近接性を考慮し、神経ネットワーク活動と認知プロセスの変化を調べたものもあります。報告されている多くの研究は、第2世代（2G）グローバルシステムフォーモバイルコミュニケーションズ（GSM）またはワイドバンドコード分割多元接続（WCDMA）/第3世代ユニバーサルモバイルテレコミュニケーションズシステム（WCDMA/3G UMTS）で使用されるパルス変調信号の影響を扱っています2、3、4、5。第4世代で使用される無線周波数信号の影響についてはほとんど知られていません。 LTEは、Long Term Evolution（LTE）技術と呼ばれる完全デジタルインターネットプロトコル技術に依存する第4世代（4G）モバイルサービスです。2011年に開始されたLTEハンドセットサービスは、2022年1月までに世界のLTE加入者数が66億人に達すると予想されています（GSMA：//gsacom.com）。単一キャリア変調方式に基づくGSM（2G）およびWCDMA（3G）システムと比較して、LTEは直交周波数分割多重（OFDM）を基本信号フォーマットとして使用します6。世界中で、LTEモバイルサービスは、GSMでも使用されている900MHz帯と1800MHz帯を含む、450～3700MHzのさまざまな周波数帯を使用しています。
RF曝露が生物学的プロセスに及ぼす影響は、主にW/kgで表される比吸収率（SAR）によって決まります。SARは、生体組織に吸収されるエネルギーを測定するものです。2.573 GHz LTE信号への30分間の急性頭部曝露が、全脳神経ネットワーク活動に及ぼす影響は、最近、健康なヒトボランティアを対象に調査されました。安静時fMRIを用いて、LTE曝露は自発的な低周波変動や領域内または領域間の接続性の変化を引き起こすことが観察されました。一方、10 gの組織で平均した空間ピークSARレベルは、トピック7、8、9によると、0.42～1.52 W/kgの範囲で変動すると推定されました。同様の曝露条件（30分間、代表的なヒト頭部モデルを用いた推定ピークSARレベル1.34 W/kg）でのEEG分析では、アルファ帯域とベータ帯域のスペクトルパワーと半球コヒーレンスの低下が示されました。しかし、EEG分析に基づく他の2つの研究では、20分または30分の曝露では、 LTEの頭部曝露では、最大局所SARレベルが約2W/kgに設定されており、検出可能な影響はなかった11か、アルファ帯域のスペクトルパワーが減少したが、ストループテストで評価した機能では認知に変化はなかった12。GSMまたはUMTSのEMF曝露の影響を特に調べたEEGまたは認知研究の結果にも有意差が見られた。これらは、信号の種類と変調、曝露の強度と期間などの方法設計と実験パラメータの変動、または年齢、解剖学的構造、性別に関する被験者の異質性から生じると考えられる。
これまでのところ、LTE信号への曝露が脳機能にどのような影響を与えるかを判断するために動物実験はほとんど行われていない。最近、発生中のマウスを胚後期から離乳期まで全身曝露（1日30分、週5日、平均全身SAR 0.5または1 W/kg）させたところ、成体期に運動行動や食欲行動に変化が生じたことが報告されている14。成体ラットに繰り返し全身曝露（1日2ヘクタールを6週間）させたところ、酸化ストレスが誘発され、視神経から得られた視覚誘発電位の振幅が減少することがわかった。最大SARは10 mW/kgと推定されている15。
細胞レベルや分子レベルを含む複数のスケールでの分析に加えて、げっ歯類モデルは、急性神経炎症の文脈で以前に焦点が当てられたGSMまたはWCDMA/3G UMTS EMFの疾患中のRF曝露の影響を研究するために使用できます。研究では、発作、神経変性疾患、またはグリオーマの影響が示されています16、17、18、19、20。
リポ多糖（LPS）を注射したげっ歯類は、毎年人口の大部分に影響を与えるウイルスや細菌によって引き起こされる良性の感染症に関連する急性神経炎症反応の古典的な前臨床モデルです。この炎症状態は、発熱、食欲不振、社会的交流の減少を特徴とする可逆的な疾患および抑うつ行動症候群につながります。ミクログリアなどの常在性CNS貪食細胞は、この神経炎症反応の主要なエフェクター細胞です。げっ歯類をLPSで処理すると、ミクログリアの活性化が引き起こされ、その形状と細胞プロセスの再構築、および神経ネットワーク活動に影響を与える炎症性サイトカインまたは酵素をコードする遺伝子のアップレギュレーションを含むトランスクリプトームプロファイルの大幅な変化が特徴となります。
LPS処理ラットにGSM-1800 MHz EMFを2時間頭部に1回曝露させた場合の影響を調べたところ、GSMシグナル伝達が大脳皮質で細胞応答を引き起こし、遺伝子発現、グルタミン酸受容体リン酸化、神経メタ誘発発火、大脳皮質のミクログリアの形態に影響を与えることがわかりました。これらの効果は、同じGSM曝露を受けた健康なラットでは検出されなかったため、LPSによって誘発された神経炎症状態がCNS細胞をGSMシグナル伝達に対して感作させていることが示唆されます。LPS処理ラットの聴覚皮質（ACx）に焦点を当てると、局所SARは平均1.55 W/kgでしたが、GSM曝露によってミクログリア突起の長さや分岐が増加し、純音や自然刺激によって誘発される神経応答が減少したことが観察されました。
本研究では、LTE-1800 MHz信号への頭部のみの曝露がACxのミクログリア形態と神経活動を変化させるかどうかを調べることを目的とし、曝露パワーを3分の2に減らしました。ここでは、LTE信号はミクログリアプロセスには影響を与えませんでしたが、SAR値が0.5 W/kgのLPS処理ラットのACxにおける音誘発皮質活動の有意な減少を引き起こしました。
GSM-1800MHzへの曝露が炎症誘発条件下でミクログリアの形態を変化させるというこれまでの証拠を踏まえ、我々はLTEシグナルへの曝露後のこの影響を調査した。
成体ラットに、頭部のみの偽照射またはLTE-1800 MHzへの照射の24時間前にLPSを注射した。照射後、炎症誘発性遺伝子の発現上昇および皮質ミクログリア形態の変化によって示されるように、大脳皮質にLPS誘発性神経炎症反応が確立された（図1）。LTEヘッドによる照射電力は、ACxで平均SARレベルが0.5 W/kgになるように設定された（図2）。LPS活性化ミクログリアがLTE EMFに反応するかどうかを決定するために、これらの細胞を選択的に標識する抗Iba1で染色した皮質切片を分析した。図3aに示すように、偽照射またはLTE照射後3～4時間固定したACx切片では、ミクログリアは著しく類似しており、LPS炎症誘発処理によって誘発された「密な」細胞形態を示した（図1）。形態学的反応の欠如と一致して、定量的画像解析では有意差は認められなかった。 LTEラットにおけるIba 1染色細胞体への曝露と偽曝露動物とを比較した場合、Iba1免疫反応性の総面積（対応のないt検定、p = 0.308）または面積（p = 0.196）および密度（p = 0.061）に有意差は認められなかった（図3b-d）。
LPS腹腔内注射が皮質ミクログリアの形態に及ぼす影響。LPSまたはビヒクル（対照）を腹腔内注射してから24時間後の大脳皮質（背内側領域）の冠状断面におけるミクログリアの代表的な画像。細胞は、既述のとおり抗Iba1抗体で染色した。LPSによる炎症誘発処理により、ミクログリアの形態に変化が生じ、近位部の肥厚や細胞突起の短い二次枝の増加などが見られ、「密集した」外観となった。スケールバー：20 µm。
1800 MHz LTE に曝露中のラット脳における比吸収率 (SAR) の線量測定分析。以前に説明したファントムラットとループアンテナの不均一モデル62を使用して、0.5 mm3 立方グリッドで脳内の局所 SAR を評価しました。(a) 頭上にループアンテナ、体下に金属製の熱パッド (黄色) がある曝露設定でのラットモデルの全体像。(b) 0.5 mm3 空間分解能での成体脳における SAR 値の分布。矢状断面の黒い輪郭で区切られた領域は、ミクログリアとニューロンの活動が分析される一次聴覚皮質に対応します。SAR 値のカラーコードスケールは、図に示されているすべての数値シミュレーションに適用されます。
LTEまたはSham曝露後のラット聴覚皮質におけるLPS注入ミクログリア。(a) ShamまたはLTE曝露（曝露）後3～4時間後のLPS灌流ラット聴覚皮質の冠状断面における抗Iba1抗体で染色されたミクログリアの代表的なスタックビュー。スケールバー：20 µm。(bd) sham（白丸）またはLTE曝露（曝露、黒丸）後3～4時間後のミクログリアの形態計測評価。(b、c) ミクログリアマーカーIba1の空間的被覆（b）とIba1陽性細胞体の領域（c）。データは、Sham曝露動物の平均に対して正規化された抗Iba1染色領域を表す。(d) 抗Iba1染色されたミクログリア細胞体の数。Sham（n = 5）とLTE（n = 6）動物間の差は有意ではなかった（p > 0.05、対応なし）。 t検定）。ボックスの上端と下端、上線と下線は、それぞれ25～75パーセンタイルと5～95パーセンタイルを表します。平均値はボックス内で赤色で示されています。
表 1 は、4 つのラット群 (Sham、Exposed、Sham-LPS、Exposed-LPS) の一次聴覚皮質で得られた動物数とマルチユニット記録をまとめたものです。以下の結果では、有意なスペクトル時間受容野 (STRF)、すなわち、自発発火率より少なくとも 6 標準偏差高い音刺激誘発応答を示すすべての記録を含めています (表 1 を参照)。この基準を適用して、Sham 群では 266 の記録、Exposed 群では 273 の記録、Sham-LPS 群では 299 の記録、Exposed-LPS 群では 295 の記録を選択しました。
以下の段落では、まずスペクトル時間受容野（純音に対する応答）および異種特異的発声に対する応答から抽出されたパラメータについて説明します。次に、各グループについて得られた周波数応答領域の定量化について説明します。実験計画に「ネストされたデータ」30が存在することを考慮して、すべての統計分析は電極アレイの位置数（表1の最後の行）に基づいて実行されましたが、以下に説明するすべての効果も各グループの位置数に基づいています。収集されたマルチユニット記録の総数（表1の3行目）。
図4aは、LPS処理したSham群とLPS曝露群の動物で得られた皮質ニューロンの最適周波数分布（BF、75 dB SPLで最大応答を誘発）を示しています。両群のBFの周波数範囲は1 kHzから36 kHzまで拡張されました。統計分析の結果、これらの分布は類似していることが示され（カイ二乗検定、p = 0.278）、サンプリングバイアスなしに2つの群間の比較が可能であることが示唆されました。
LPS投与動物におけるLTE曝露が皮質応答の定量化パラメータに及ぼす影響。(a) LTEに曝露したLPS投与動物（黒）とLTEに偽曝露したLPS投与動物（白）の皮質ニューロンにおけるBF分布。両分布に差はない。(bf) LTE曝露がスペクトル時間受容野（STRF）を定量化するパラメータに及ぼす影響。応答強度は、STRF（総応答強度）と最適周波数の両方で有意に減少した（*p < 0.05、対応のないt検定）（b、c）。応答持続時間、応答帯域幅、帯域幅定数（df）。発声に対する応答の強度と時間的信頼性の両方が減少した（g、h）。自発活動は有意に減少しなかった（i）。（*p < 0.05、対応のないt検定）。(j、k) LTE曝露が皮質閾値に及ぼす影響。LTE曝露ラットの平均閾値は、偽曝露ラットと比較して有意に高かった。ラットの場合、この効果は低周波数と中周波数でより顕著になります。
図4b-fは、これらの動物のSTRFから得られたパラメータの分布を示しています（平均値は赤線で示されています）。LTE曝露がLPS処理動物に及ぼす影響は、神経興奮性の低下を示しているようでした。まず、全体的な応答強度と応答は、Sham-LPS動物と比較してBFで有意に低くなりました（図4b、c、対応のないt検定、p = 0.0017、およびp = 0.0445）。同様に、コミュニケーション音に対する応答は、応答強度と試行間の信頼性の両方で低下しました（図4g、h、対応のないt検定、p = 0.043）。自発活動は減少しましたが、この効果は有意ではありませんでした（図4i、p = 0.0745）。応答持続時間、チューニング帯域幅、および応答潜時は、LPS処理動物のLTE曝露によって影響を受けませんでした（図4d-f）。これは、LPS処理動物のLTE曝露が周波数選択性と応答開始の精度に影響を与えなかったことを示しています。
次に、LTE曝露によって純音皮質閾値が変化するかどうかを評価した。各記録から得られた周波数応答領域（FRA）から、各周波数の聴覚閾値を決定し、両群の動物についてこれらの閾値を平均した。図4jは、LPS処理ラットの1.1～36kHzの平均（±標準誤差）閾値を示す。Sham群とExposed群の聴覚閾値を比較すると、Sham動物と比較して、曝露動物の閾値が大幅に増加していることが示された（図4j）。この効果は、低周波数と中周波数でより顕著であった。より正確には、低周波数（< 2.25 kHz）では、高閾値のA1ニューロンの割合が増加し、低閾値および中閾値のニューロンの割合が減少した（カイ二乗 = 43.85、p < 0.0001、図4k、左図）。中周波数 (2.25 < 周波数 (kHz) < 11) でも同様の効果が見られました。非曝露群と比較して、中間閾値の皮質記録の割合が高く、低閾値のニューロンの割合が低くなりました (カイ二乗 = 71.17、p < 0.001、図 4k、中央パネル)。高周波ニューロン (≥ 11 kHz、p = 0.0059) の閾値にも有意差があり、低閾値ニューロンの割合が減少し、中高閾値の割合が増加しました (カイ二乗 = 10.853、p = 0.04、図 4k、右パネル)。
図5aは、Sham群とExposed群の健康な動物から得られた皮質ニューロンの最適周波数分布（BF、75 dB SPLで最大応答を誘発）を示しています。統計分析の結果、2つの分布は類似していることが示され（カイ二乗検定、p = 0.157）、2つのグループ間の比較はサンプリングバイアスなしで行えることが示唆されました。
LTE 曝露が健康な動物の皮質応答の定量化されたパラメータに及ぼす影響。(a) LTE に曝露された健康な動物 (濃い青) と LTE に偽曝露された健康な動物 (薄い青) の皮質ニューロンの BF 分布。2 つの分布に違いはありません。(bf) LTE 曝露がスペクトル時間受容野 (STRF) を定量化するパラメータに及ぼす影響。STRF 全体および最適周波数における応答強度に有意な変化はありませんでした (b、c)。応答持続時間はわずかに増加しましたが (d)、応答帯域幅および帯域幅には変化はありませんでした (e、f)。発声に対する応答の強度も時間的信頼性も変化しませんでした (g、h)。自発活動に有意な変化はありませんでした (i)。(*p < 0.05 対応のない t 検定)。(j、k) LTE 曝露が皮質閾値に及ぼす影響。平均して、LTE 曝露ラットの閾値は偽曝露ラットと比較して有意に変化しませんでしたが、高周波閾値は暴露された動物では、その値はわずかに低かった。
図5b～fは、2つのSTRFセットから得られたパラメータの分布と平均値（赤線）を示す箱ひげ図です。健康な動物では、LTE曝露自体はSTRFパラメータの平均値にほとんど影響を与えませんでした。シャム群（曝露群は薄い青色の箱、濃い青色の箱）と比較すると、LTE曝露は総応答強度もBFの応答も変化させませんでした（図5b、c；対応のないt検定、それぞれp = 0.2176、p = 0.8696）。スペクトル帯域幅と潜時も変化しませんでしたが（それぞれp = 0.6764、p = 0.7129）、応答持続時間は有意に増加しました（p = 0.047）。発声応答の強度（図5g、p = 0.4375）、これらの応答の試行間信頼性（図5h、p = 0.3412）、および自発活動も変化しませんでした。（図5）.5i; p = 0.3256）。
図5jは、健康なラットにおける1.1～36kHzの平均（±標準誤差）閾値を示しています。偽手術群と被曝群のラットの間には有意差は見られませんでしたが、高周波数（11～36kHz）では被曝動物の閾値がわずかに低いことが示されました（対応のないt検定、p = 0.0083）。この効果は、被曝動物ではこの周波数範囲（カイ二乗検定 = 18.312、p = 0.001、図5k）において、低閾値および中閾値のニューロンがわずかに多く（高閾値のニューロンは少ない）存在していたことを反映しています。
結論として、健康な動物をLTEに曝露した場合、純音や発声などの複雑な音に対する反応強度に影響はなかった。さらに、健康な動物では、曝露群と偽投与群の動物間で皮質聴覚閾値に差はなかったが、LPS投与動物では、LTE曝露により皮質閾値が大幅に上昇し、特に低周波域と中周波域で顕著であった。
我々の研究では、急性神経炎症を起こしている成体雄ラットにおいて、局所的な SARACx が 0.5 W/kg の LTE-1800 MHz に曝露すると (方法を参照)、コミュニケーションの一次記録における音誘発反応の強度が有意に減少することが示された。神経活動のこれらの変化は、ミクログリア突起によって覆われる空間領域の範囲に明らかな変化がないまま発生した。LTE による皮質誘発反応の強度へのこの影響は、健康なラットでは観察されなかった。LTE 曝露動物と偽曝露動物の記録ユニット間の最適周波数分布の類似性を考慮すると、神経反応性の違いは、サンプリングバイアスではなく LTE 信号の生物学的影響に起因すると考えられる (図 4a)。さらに、LTE 曝露ラットにおける反応潜時とスペクトルチューニング帯域幅の変化がないことから、これらの記録は、二次領域ではなく一次 ACx に位置する同じ皮質層からサンプリングされた可能性が高い。
我々の知る限り、LTE信号が神経応答に及ぼす影響はこれまで報告されていない。しかし、これまでの研究では、実験方法によって大きな違いはあるものの、GSM-1800 MHzまたは1800 MHz連続波（CW）が神経興奮性を変化させる能力があることが実証されている。SARレベル8.2 W/kgで1800 MHz CWに曝露した直後、カタツムリ神経節からの記録では、活動電位の誘発閾値と神経変調が低下していることが示された。一方、ラット脳由来の初代神経細胞培養におけるスパイク活動とバースト活動は、SAR 4.6 W/kgで15分間GSM-1800 MHzまたは1800 MHz CWに曝露することで減少した。この抑制は、曝露後30分以内に部分的にしか回復しなかった。SAR 9.2 W/kgで神経細胞の完全なサイレンシングが達成された。用量反応分析では、 GSM-1800MHzは1800MHz CWよりもバースト活動の抑制に効果的であり、神経応答はRF信号の変調に依存することを示唆している。
私たちの設定では、2 時間の頭部のみの曝露が終了してから 3 ～ 6 時間後に、皮質誘発反応が in vivo で収集されました。以前の研究では、1.55 W/kg の SARACx での GSM-1800 MHz の影響を調査し、健康なラットの音誘発皮質反応に有意な影響がないことがわかりました。ここでは、0.5 W/kg SARACx での LTE-1800 への曝露によって健康なラットに誘発された唯一の有意な効果は、純音の提示時の反応の持続時間のわずかな増加でした。この効果は、反応強度の増加を伴わないため、説明が困難です。これは、皮質ニューロンによって発火される活動電位の総数が同じであるにもかかわらず、この長い反応持続時間が発生することを示唆しています。1 つの説明としては、LTE 曝露によって一部の抑制性介在ニューロンの活動が低下する可能性があることが考えられます。これは、一次 ACx では順方向抑制が興奮性視床入力によって引き起こされる錐体細胞反応の持続時間を制御することが文書化されているためです 33,34、 35、36、37。
対照的に、LPS誘発神経炎症を受けたラットでは、LTE曝露は音によって誘発される神経発火の持続時間には影響を与えなかったが、誘発応答の強度には有意な影響が検出された。実際、LPS偽曝露ラットで記録された神経応答と比較して、LTEに曝露されたLPS処理ラットのニューロンは応答の強度の低下を示し、この効果は純音と自然な発声の両方を提示したときに観察された。純音に対する応答の強度の低下は、75 dBのスペクトルチューニング帯域幅の狭窄なしに発生し、すべての音強度で発生したため、低周波数と中周波数の皮質ニューロンの音響閾値の増加をもたらした。
誘発応答強度の低下は、LPS処理動物のSARACxにおけるLTEシグナリングの0.5 W/kgの効果が、3倍高いSARACx（1.55 W/kg）で適用されたGSM-1800 MHzの効果と類似していることを示している28。GSMシグナリングに関しては、LTE-1800 MHzへの頭部曝露は、LPS誘発神経炎症を受けたラットACxニューロンの神経興奮性を低下させる可能性がある。この仮説に沿って、発声に対するニューロン応答の試行信頼性の低下傾向（図4h）と自発活動の低下傾向（図4i）も観察された。しかし、LTEシグナリングがニューロン固有の興奮性を低下させるのか、シナプス入力を低下させてACxのニューロン応答を制御するのかをin vivoで判断することは困難であった。
まず、これらの反応の弱さは、LTE 1800 MHzへの曝露後の皮質細胞の本来の興奮性の低下によるものと考えられる。この考えを裏付けるように、GSM-1800 MHzと1800 MHz-CWをそれぞれ3.2 W/kgと4.6 W/kgのSARレベルでラット皮質ニューロンの初代培養に直接適用すると、バースト活動は減少したが、バースト活動を大幅に減少させるには閾値SARレベルが必要であった。本来の興奮性の低下を裏付けるものとして、曝露動物では偽曝露動物よりも自発発火率が低いことも観察された。
第二に、LTE 曝露は視床皮質シナプスまたは皮質皮質シナプスからのシナプス伝達にも影響を与える可能性があります。現在、多くの記録が、聴覚皮質では、スペクトルチューニングの幅は求心性視床投射のみによって決定されるのではなく、皮質内接続が皮質部位に追加のスペクトル入力を与えることを示しています39,40。私たちの実験では、皮質 STRF が曝露動物と偽曝露動物で同様の帯域幅を示したという事実は、LTE 曝露の影響が皮質皮質接続への影響ではないことを間接的に示唆しています。これはまた、SAR で曝露された他の皮質領域で ACx で測定されたよりも高い接続性 (図 2) が、ここで報告された変化した応答の原因ではないことを示唆しています。
ここでは、LPSに曝露された皮質記録では、LPS偽曝露動物と比較して、より高い閾値を示す割合が高かった。皮質の音響閾値は主に視床皮質シナプスの強度によって制御されることが提唱されていることから39,40、視床皮質伝達は、シナプス前レベル（グルタミン酸放出の減少）またはシナプス後レベル（受容体数または親和性の減少）のいずれかで、曝露によって部分的に減少していると推測できる。
GSM-1800 MHz の影響と同様に、LTE によって誘発された神経応答の変化は、ミクログリアの応答を特徴とする LPS 誘発神経炎症の状況下で発生しました。現在の証拠は、ミクログリアが正常および病理的脳の神経ネットワークの活動に強く影響することを示唆しています 41,42,43。神経伝達を調節するミクログリアの能力は、神経伝達を制限する可能性のある化合物の産生だけでなく、細胞突起の高い運動性にも依存します。大脳皮質では、神経ネットワークの活動の増加と減少の両方が、ミクログリア突起の成長によりミクログリアの空間領域の急速な拡大を引き起こします 44,45。特に、ミクログリア突起は活性化された視床皮質シナプスの近くに動員され、ミクログリアを介した局所的なアデノシン産生を含むメカニズムを介して興奮性シナプスの活動を阻害することができます。
LPS処理したラットに1.55 W/kgのSARACxでGSM-1800 MHzを照射したところ、ACxニューロンの活動が低下し、ACx28の増加で顕著なIba1染色領域によって示されるミクログリア突起の成長が見られました。この観察結果は、GSM曝露によって引き起こされるミクログリアのリモデリングが、音刺激による神経応答のGSM誘発性低下に積極的に寄与する可能性を示唆しています。今回の研究では、ミクログリア突起が覆う空間領域の増加が見られなかったため、SARACxを0.5 W/kgに制限したLTE頭部曝露の文脈ではこの仮説に反論しています。しかし、これはLTEシグナルがLPS活性化ミクログリアに及ぼす影響を排除するものではなく、それが神経活動に影響を与える可能性もあります。この疑問に答え、急性神経炎症がLTEシグナルに対する神経応答を変化させるメカニズムを解明するには、さらなる研究が必要です。
我々の知る限り、LTE信号が聴覚処理に及ぼす影響はこれまで研究されていません。我々の以前の研究26,28および今回の研究では、急性炎症の状況下で、頭部のみをGSM-1800 MHzまたはLTE-1800 MHzに曝露すると、聴力閾値の上昇によって示されるように、ACxの神経応答に機能的変化が生じることが示されました。少なくとも2つの主な理由から、蝸牛機能は我々のLTE曝露によって影響を受けないはずです。第一に、図2に示す線量測定研究で示されているように、SARの最高レベル（1 W/kgに近い）は背内側皮質（アンテナの下）に位置し、頭部の腹側に向かって外側に移動するにつれて大幅に減少します。ラットの耳介（外耳道の下）のレベルでは約0.1 W/kgと推定できます。第二に、モルモットの耳をGSM 900 MHz（5週 1 日、1 時間/日、SAR が 1 ～ 4 W/kg の場合、歪み生成物耳音響放射閾値と聴性脳幹反応 47 の大きさに検出可能な変化はありませんでした。さらに、局所 SAR が 2 W/kg の GSM 900 または 1800 MHz への頭部への繰り返し曝露は、健康なラットの蝸牛外有毛細胞の機能に影響を与えませんでした 48,49。これらの結果は、ヒトで得られたデータと一致しており、調査では、GSM 携帯電話からの EMF への 10 ～ 30 分の曝露は、蝸牛 50,51,52 または脳幹レベル 53,54 で評価される聴覚処理に一貫した影響がないことが示されています。
本研究では、LTEによって誘発された神経発火の変化は、曝露終了後3～6時間後に生体内で観察された。皮質の背内側部に関する以前の研究では、GSM-1800 MHzによって誘発されたいくつかの影響は、曝露後24時間で観察されたが、曝露後72時間では検出されなくなった。これは、ミクログリア突起の拡大、IL-1β遺伝子のダウンレギュレーション、およびAMPA受容体の翻訳後修飾の場合である。聴覚皮質は背内側領域（2.94W/kg26）よりもSAR値が低い（0.5W/kg）ことを考慮すると、ここで報告された神経活動の変化は一過性であると思われる。
私たちのデータは、携帯電話ユーザーの大脳皮質で達成される実際のSAR値の推定値と、適格SAR制限を考慮に入れる必要があります。現在、公衆を保護するために使用されている基準では、100 kHzおよび6 GHzのRF範囲の無線周波数への局所的な頭部または胴体への曝露に対するSAR制限を2 W/kgに設定しています。
様々な人体頭部モデルを用いて線量シミュレーションを行い、一般的な頭部通信や携帯電話通信中の頭部の様々な組織におけるRF電力吸収を決定しました。人体頭部モデルの多様性に加えて、これらのシミュレーションでは、頭蓋骨の外部形状や内部形状、厚さ、水分含有量などの解剖学的または組織学的パラメータに基づいて脳が吸収するエネルギーを推定する際の大きな違いや不確実性が強調されています。頭部の様々な組織は、年齢、性別、個人によって大きく異なります56,57,58。さらに、アンテナの内部位置や携帯電話とユーザーの頭部の位置など、携帯電話の特性は、大脳皮質におけるSAR値のレベルと分布に大きく影響します59,60。しかし、1800MHz帯の無線周波数を放射する携帯電話モデルから確立された、ヒト大脳皮質における報告されているSAR分布を考慮すると58,59,60、ヒト聴覚皮質で達成されたSARレベルは依然として人間の大脳皮質の半分は照射不足です。私たちの研究（SARACx 0.5 W/kg）。したがって、私たちのデータは、一般の人々に適用される現在のSAR値の制限に異議を唱えるものではありません。
結論として、本研究では、LTE-1800 MHzへの頭部のみの単回曝露が、感覚刺激に対する皮質ニューロンの神経応答を妨害することが示されました。GSMシグナリングの影響に関するこれまでの特徴付けと一致して、本研究の結果は、LTEシグナリングが神経活動に及ぼす影響は健康状態によって異なることを示唆しています。急性神経炎症はニューロンをLTE-1800 MHzに対して過敏にし、聴覚刺激の皮質処理の変化をもたらします。
データは、Janvier 研究室で入手した 31 匹の成体雄 Wistar ラットの大脳皮質から、生後 55 日目に収集されました。ラットは、湿度 (50～55%) と温度 (22～24 °C) が制御された施設で、12 時間/12 時間 (午前 7 時 30 分に点灯) の明暗サイクルで飼育され、餌と水は自由に摂取できました。すべての実験は、欧州共同体理事会指令 (2010/63/EU 理事会指令) によって確立されたガイドラインに従って実施されました。このガイドラインは、神経科学研究における動物の使用に関する神経科学学会ガイドラインに記載されているものと同様です。このプロトコルは、パリ南センター倫理委員会 (CEEA N°59、プロジェクト 2014-25、国家プロトコル 03729.02) によって、この委員会によって検証された手順 32-2011 および 34-2012 を使用して承認されました。
動物は、LPS投与およびLTE-EMFへの曝露（または偽曝露）の少なくとも1週間前から飼育室に慣らされた。
22匹のラットに、LTEまたは偽曝露の24時間前に、滅菌エンドトキシンフリー等張生理食塩水で希釈した大腸菌LPS（250 µg/kg、血清型0127:B8、SIGMA）を腹腔内注射した（各群n）。 = 11)。生後2ヶ月のWistar雄ラットでは、このLPS処理により、大脳皮質でいくつかの炎症促進遺伝子（腫瘍壊死因子α、インターロイキン1β、CCL2、NOX2、NOS2）がLPS注射後24時間で上方制御され、NOX2酵素とインターロイキン1βをコードする転写産物のレベルがそれぞれ4倍と12倍に増加したという特徴を持つ神経炎症反応が生じた。この24時間時点では、皮質ミクログリアは、LPSによって誘発される炎症促進細胞の活性化によって予想される典型的な「密な」細胞形態を示した（図1）。これは、他のLPSによって誘発される活性化とは対照的である。細胞の炎症促進活性化は、24、61に対応する。
LTE EMFへの頭部のみの曝露は、以前にGSM EMFの影響を評価するために使用された実験装置を用いて実施した26。LTE曝露は、LPS注射後24時間（11匹）またはLPS未投与（5匹）で実施した。動物は、曝露前にケタミン/キシラジン（ケタミン80 mg/kg、腹腔内投与；キシラジン10 mg/kg、腹腔内投与）で軽く麻酔し、動きを防止し、動物の頭部がLTE信号を発信するループアンテナ内にあることを確認した（再現可能な位置は下記参照）。同じケージのラットの半数を対照群とした（LPS前処理した22匹のラットのうち、偽曝露群11匹）：これらのラットをループアンテナの下に置き、LTE信号のエネルギーをゼロに設定した。曝露群と偽曝露群の体重は同程度であった（p = 0.558、対応のないt検定、有意差なし）。麻酔したすべての動物は、体温を維持するために金属を含まない加熱パッドの上に置いた。実験中は温度を約37℃に保った。以前の実験と同様に、曝露時間は2時間に設定した。曝露後、動物を手術室の別の加熱パッドの上に置く。同じ曝露手順を10匹の健康なラット（LPS未処理）に適用し、そのうち半数は同じケージから偽曝露を行った（p = 0.694）。
曝露システムは、以前の研究で説明されているシステム25、62と同様でしたが、無線周波数発生器がGSM電磁界ではなくLTE電磁界を生成するように変更されていました。簡単に説明すると、LTE - 1800 MHz電磁界を放射するRF発生器（SMBV100A、3.2 GHz、Rohde & Schwarz、ドイツ）が、パワーアンプ（ZHL-4W-422+、Mini-Circuits、米国）、サーキュレーター（D3 1719-N、Sodhy、フランス）、双方向カプラ（CD D 1824-2、-30 dB、Sodhy、フランス）、および4方向電力分配器（DC D 0922-4N、Sodhy、フランス）に接続され、4匹の動物を同時に曝露できるようになっていました。双方向カプラに接続されたパワーメータ（N1921A、Agilent、米国）により、装置内の入射電力と反射電力を連続的に測定および監視することができました。各出力はループアンテナに接続されていました。（Sama-Sistemi srl; ローマ）により、動物の頭部を部分的に露出させることが可能になった。ループアンテナは、絶縁エポキシ基板上に刻まれた2本の金属線（誘電率εr = 4.6）を持つプリント回路で構成されている。一方の端には、動物の頭部近くに配置されるリング状の1 mm幅のワイヤが配置されている。以前の研究26,62と同様に、比吸収率（SAR）は、数値ラットモデルと有限差分時間領域（FDTD）法63,64,65を用いて数値的に決定された。また、温度上昇を測定するためにLuxtronプローブを使用した均質ラットモデルで実験的にも決定された。この場合、SAR（W/kg）は、SAR = C ΔT/Δtの式を用いて計算される。ここで、Cは熱容量（J/(kg K)）、ΔTは°K、Δtは温度変化（秒）である。数値的に決定されたSAR値は、均質モデル、特にラットモデルを用いて得られた実験的SAR値と比較された。同等のラット脳領域において、数値SAR測定値と実験的に検出されたSAR値の差は30%未満である。
図2aは、ラットモデルにおけるラット脳内のSAR分布を示しており、これは本研究で使用したラットの体重とサイズに関する分布と一致している。脳の平均SARは0.37 ± 0.23 W/kg（平均±標準偏差）であった。SAR値はループアンテナ直下の皮質領域で最も高い。ACxの局所SAR（SARACx）は0.50 ± 0.08 W/kg（平均±標準偏差）であった（図2b）。被曝したラットの体重は均一であり、頭部組織の厚さの差は無視できるほど小さいため、ACxまたは他の皮質領域の実際のSARは、被曝した動物間で非常に類似していると予想される。
曝露終了時に、後肢をつまんだ後に反射運動が見られなくなるまで、動物にケタミン（20 mg/kg、腹腔内投与）とキシラジン（4 mg/kg、腹腔内投与）を追加投与した。局所麻酔薬（キシロカイン2%）を頭蓋骨上の皮膚と側頭筋に皮下注射し、動物を金属フリーの加温システム上に置いた。動物を定位固定装置にセットした後、左側頭皮質上に開頭術を行った。以前の研究66と同様に、頭頂骨と側頭骨の接合部から開始し、開口部は幅9 mm、高さ5 mmとした。ACx上の硬膜は、血管を損傷しないように双眼視下で慎重に除去した。処置の最後に、記録中に動物の頭部を非侵襲的に固定するために、歯科用アクリルセメントでベースを作成した。動物を支える定位固定装置を音響減衰室（IAC、モデルAC1）。
データは、LPS前処理した10匹を含む20匹のラットの一次聴覚野における多ユニット記録から得られた。細胞外記録は、1000 µm間隔で配置された8個の電極からなる2列（同一列内の電極間は350 µm）の16個のタングステン電極アレイ（TDT、直径：33 µm、< 1 MΩ）から得られた。接地用の銀線（直径：300 µm）を側頭骨と対側硬膜の間に挿入した。一次聴覚野の位置は、ブレグマから4～7 mm後方、上側頭縫合から3 mm腹側と推定される。生信号は10,000倍に増幅され（TDT Medusa）、その後、マルチチャンネルデータ収集システム（RX5、TDT）で処理された。各電極から収集された信号は、610～10,000 Hzでフィルタリングされ、多単位活動（MUA）。トリガーレベルは、信号から最大の活動電位を選択するために、各電極について（曝露状態または偽曝露状態を知らされていない共著者によって）慎重に設定されました。波形のオンラインおよびオフライン検査により、ここで収集されたMUAは、電極付近の3～6個のニューロンによって生成された活動電位で構成されていることがわかりました。各実験の開始時に、電極アレイの位置を設定し、吻側方向で実行した場合に、8個の電極の2列がニューロンをサンプリングし、低周波から高周波の応答をサンプリングできるようにしました。
音響刺激は Matlab で生成され、RP2.1 ベースのサウンド配信システム (TDT) に送信され、Fostex スピーカー (FE87E) に送られました。スピーカーはラットの右耳から 2 cm の位置に配置され、この距離ではスピーカーは 140 Hz ～ 36 kHz のフラットな周波数スペクトル (± 3 dB) を生成しました。スピーカーの校正は、プリアンプ B&K 2169 とデジタルレコーダー Marantz PMD671 に接続された Bruel and Kjaer マイクロホン 4133 で録音されたノイズと純音を使用して実行されました。スペクトル時間受容野 (STRF) は、8 オクターブ (0.14 ～ 36 kHz) をカバーする 97 のガンマトーン周波数を使用して決定され、4.15 Hz で 75 dB SPL でランダムな順序で提示されました。周波数応答領域 (FRA) は、同じトーンのセットを使用してランダムな順序で提示され、 75～5 dB SPLの範囲で2 Hzの周波数をそれぞれ8回ずつ提示します。
自然刺激に対する反応も評価した。以前の研究では、ラットの発声はニューロンの最適周波数（BF）に関係なく、ACxで強い反応を引き起こすことはまれであるのに対し、異種移植特有の（例えば、鳴禽類やモルモットの発声）は通常、音マップ全体に影響を与えることが観察された。そのため、モルモットの発声に対する皮質反応をテストした（36で使用した笛は1秒間の刺激に接続され、25回提示された）。