地磁気擾乱を模した人工超低周波電磁場への長時間曝露と

様々な生体情報の変動性

 

光武 元*、生沼幸子*、久保豊*、山中 崇*、大塚邦明*、大川真一郎*、

Germaine Cornélissen•, Franz Halberg•, James Wanliss§

 

 

Does exposure to artificial ULF waves affect blood pressure and heart rate variability?

Gen Mitsutake*, Sachiko Oinuma*, Yutaka Kubo*, Takashi Yamanaka*, Kuniaki Otsuka*,

Sin-ichiro Ohkawa*, Germaine Cornélissen•, Franz Halberg•, James Wanliss§,

 

*Tokyo Women's Medical Univ., Tokyo, Japan; •Univ. of Minnesota, Minneapolis, MN, USA; §Embry-Riddle Aeronautical University, Daytona Beach, FL, USA

 

 

 

【目的】　

近年、抑うつをはじめとする精神心理学的状態や心筋虚血等の心疾患、あるいは脳血管障害の誘引として、地磁気擾乱をはじめとする電磁場の影響が指摘されるようになってきた。そこで本研究では地磁気擾乱を模した超低周波ULF波電磁場への長時間（８時間）暴露が、心拍変動・血圧変動をはじめとする様々な生体情報に、如何なる影響を及ぼすかについて検討した。両者間に何らかの因果関係が証明されれば、地磁気活動を考慮に入れた心筋梗塞・心血管病発症の予知・予防が可能になると期待される。すなわち、本研究の目的は地磁気脈動geomagnetic pulsationsにも含まれる、超低周波電磁場への長時間暴露が、ヒトにおける予測制御機構に如何なる影響を及ぼすかを、実験的に検定することである。具体的には、強度30nTの人工的な超低周波(0.0016Hzおよび0.1Hz)への連続８時間の曝露が、心拍変動、血圧変動をはじめとする生体情報の時間構造chronomicsを変化させ得るか否かを実験的に検証する事により、生体予測制御機構に及ぼす地磁気擾乱の影響の有無について検討・考察する。

 

【方法】　

カナダのManitoba州Winnipegにあるマニトバ大学に通う平均年齢29歳の健常男子学生３名が週1回24時間、延べ12日間の血圧と心拍変動のモニタリングをおこなった。被験者は６つの異なる時間帯に人工超低周波電磁場への８時間連続曝露と擬似曝露をそれぞれ1回ずつ受けた。最大強度約30nT、周波数0.0016Hzの人工的な超低周波(ULF波)への連続曝露（または擬似曝露）はELF波とVLF波のみを遮断する磁気シールド・ルームの中で行われた。磁気シールド・ルームの中には木製ベッド(幅90cm、長さ200 cm)３台を設置し、超低周波電磁場を発生させるための半径92 cmのヘルムホルツ・コイル一対を、被験者のベッドを左右両側から挟むように設置した。被験者は毎週８時間の超低周波電磁場曝露とそれに引き続く約１６時間（1日合計２時間の朝・昼・夕食時間を除く）を磁気シールド・ルーム内のベッドの上で過ごした。

この間、心拍変動、血圧変動、気分の評定（PANAS、 STCI、 SSS、 Mood and Vigor scale）、睡眠の質、時間の感覚 Time Estimation（60秒の予測）、光刺激に対する反応速度、唾液分泌量、身体活動量の測定を行った。3名の被験者のうち2名の心拍変動の測定は携帯型自動心拍測定装置SM50（フクダ電子、東京）を用いて、残りの１名の心拍変動の測定はGMS社のアクティブ・トレーサーAC-301を用いて行った。フクダ電子SM50より得られた心拍変動データは最大エントロピー法 (MEM) を用いて、またアクティブ・トレーサーAC-301(GMS社,東京)より得られた心拍変動データはcomplex demodulation法 (CDM) [1] を用いて解析した。血圧のモニタリングは携帯型自動血圧測定装TM2421 (A&D社,東京) を用いて30分毎に行った。また、睡眠時（午後１１時～午前７時）を除く日中、４時間毎に唾液採取を実施し、一分間当たりの唾液分泌量を算出した。

各被験者の各セッションの血圧と唾液分泌率の概日リズムはsingle　cosinor分析により算出し、さらにpopulation　mean　cosinor分析法を用いて、被験者全体の各セッションの血圧と唾液分泌率の日内変動幅、MESORおよびacrophaseを算出したのち、ｔ 検定およびparameter test （危険率５％の両側検定） を用いて、曝露条件下と擬似曝露条件下で得られたデータの群間比較をおこなった。また、心拍数(HR)および心拍変動の各指標（NN、SDNN、ULF、VLF、LF、HF、LF/HF）については１ 日毎の平均値を算出し、ｔ 検定を用いて曝露条件と擬似曝露条件との間で群間比較を行った。

なおこの実験検討は東京女子医科大学ならびにマニトバ大学の倫理委員会の許可のもとに、個人のインフォームドコンセントを得た上で遂行された。

 

【結果】　

概日リズムは、電磁場曝露時、擬似曝露時のいずれの条件においても、収縮期血圧（systolic blood pressure: SBP）(電磁場曝露時:P=0.001;　擬似曝露時:P=0.003)、HR(電磁場曝露時:P<0.001;　擬似曝露時:P<0.001)、および唾液分泌率（flow rate）(電磁場曝露時:P<0.001;　擬似曝露時:P<0.001) [2] において認められた (表１参照) 。拡張期血圧（diastolic blood pressure: DBP）については擬似曝露時のみ概日リズムが認められた(電磁場曝露時:P=0.141;　擬似曝露時:P=0.012)。しかし、気分のデータの結果 [３] と同様に、血圧、HR、唾液分泌率のどの変数においても、電磁場曝露下および擬似曝露下の概日リズムにおける有意差は認められなかった (表2参照)。同様に、HRおよび心拍変動の各指標 ( NN、SDNN、ULF、LF、HF、LF/HF)の１ 日毎の平均値においても、電磁場曝露下および擬似曝露下の間での有意差は認められなかった (表3参照)。

時間の感覚（Time Estimation）は、曝露前・電磁場曝露（あるいは擬似曝露）時・曝露後、長くなる傾向が観察された。すなわち、曝露前・電磁場曝露時・曝露後のTime Estimation測定値（平均値、標準偏差）は各々、58.1 (3.7)sec, 59.1 (6.3) sec, 60.3 (6.7) sec (p<0.10, Kruskal Wallis検定)。曝露前・擬似曝露時・曝露後のTime Estimation測定値（平均値、標準偏差）は各々、57.5 (3.6) sec, 61.6 (4.8) sec, 59.5 (4.3) sec (p<0.01, Kruskal Wallis検定) であった。

 

【考察】　

地磁気擾乱を模した超低周波ULF波電磁場への長時間（８時間）暴露は、心拍変動・血圧変動をはじめとする様々な生体情報のcircadian rhythmに、何ら有意の影響を及ぼさなかった。この結果は、これまでに検討してきた地磁気活動と生体情報時系列データとのコヒーレンス解析の成績と一致している [4]。一方、超低周波ULF波電磁場は、生体現象の十数分から数時間単位の振動成分に影響する可能性が示唆された。これまでの検討結果と一致する成績と言える [5, 6]。

しかし、今回の実験プロトコールにおけるいくつかの不備があったことが反省される。第一に、実験に使用された磁気シールド・ルームは地磁脈動により自然発生するULF波を遮蔽するものではなかった。第二の問題点は、生体に最も大きく影響する地磁気ベクトルについての検討が不十分である点である。磁気シールド・ルーム内で人工的に発生させた磁場は地面に対して水平であった。すなわち、磁場方向は、水平方向ベクトルのみでの検討であった。今回使用した人工ULF波は、磁気シールド・ルームの大きさ、および磁気シールド・ルーム内で使われたベッドと、ヘルムホルツ・コイルのレイアウトなどを考慮に入れたため、地面に対して平行な磁場を形成するようにヘルムホルツコイルを設置せざるを得なかった。そのため地磁気の如く、垂直ベクトルを含む各種ベクトル磁場変動、あるいは地磁気におけるD成分、の検討ができていない欠点がある。第三に、使用した電磁場の強度、周波数、曝露時間が果たして概日リズムに影響を及ぼすのに充分かつ適切であったかどうかは疑問である。少なくとも以上の如くいくつかの問題点が存在することは、今回の実験で人工的に作成したULF波が、地磁気擾乱に模した電磁場であったかについて今後検討の余地を残している。

実験計画にもいくつかの反省点がある。曝露前の対照データ記録のための時間帯の設定が不十分であったことがその最たるものである。また、曝露時間帯の設定が果たして妥当であったかの考察が必要であるが、曝露時刻の影響を考察するために十分な例数が検討されていない。一方、今回の実験の特長としては、磁気シールド・ルームを使用したことによって、3人の被験者の生体リズムを長時間、ほぼ同じ条件下でモニターすることができた点である。今回の実験経験をもとに、今後は、地磁気脈動geomagnetic pulsationsをより正確に再現するためのヘルムホルツ・コイルの開発と、曝露実験直前の最終確認用の対照記録表の作成、ULF波を遮蔽可能で、直径およそ４メートルのヘルムホルツ・コイルを頭上と床に設置でき、日中の被験者の動きを拘束しない広い磁気シールド・ルームの確保、被験者の増員などにより実験環境および実験計画の改善を図りたい。

 

Acknowledgements:

This study was supported by the Japan Arteriosclerosis Prevention Fund, and Hokkaido Institute of Public Health Grant (Studies on Age-related Dysregulation in Circulatory, Nervous and Immune Systems).

 

 

【文献】

1.    Hayano J, Taylor JA, Mukai S, Okada A, Watanabe Y, Takata K, Fujinami T. Assessment of frequency shifts in R-R interval variability and respiration with complex demodulation. Journal of Applied Physiology 1994; 77: 2879-2888.

2.    Dawes C. Circadian rhythms in the flow rate and composition of unstimulated and stimulated human submandibular saliva. Journal of Physiology 1975; 244: 535-548.

3.    Mitsutake G, Cornélissen G, Otsuka K, Wanliss J, Halberg F. Does exposure to artificial ULF waves affect blood pressure and heart rate variability? Proceedings, 2nd International Symposium, Workshop on Chronoastrobiology & Chronotherapy (Satellite Symposium, 8th Annual Meeting, Japanese Society for Chronobiology), Kudan, Chiyodaku, Tokyo, 17 Nov 2001, pp. 40-41.

4.    Otsuka K, Ichimaru Y, Cornelissen G, Weydahl A, Holmeslet B, Schwartzkopff O, Halberg F: Dynamic analysis of heart rate variability from 7-day Holter recordings associated with geomagnetic activity in subarctic area.　 Computers in Cardiology 2000; 27:453-456.

5.    Otsuka K, Cornelissen G, Weydahl A, Holmeslet B, Hansen TL, Shinagawa M, Kubo Y, Nishimura Y, Omori K, Yano S, Halberg F: Geomagnetic disturbance associated with decrease in heart rate variability in a subarctic area. Biomed Pharmacother 2001; 55:51-56.

6.    Otsuka K, Oinuma S, Cornelissen G, Weydahl A, Ichimaru Y, Kobayashi M, Yano S, Holmeslet B, Hansen TL, Mitsutake G, Engebretson MJ, Schwartzkopff O, Halberg: Alternating light-darkness-influenced human electrocardiographic magnetoreception in association with geomagnetic pulsations. Biomed Pharmacother 2001; 55:63-75.

表 1

 

PR (%)

P

MESOR

Amplitude

Acrophase

(95%C.I.)

擬似曝露

(%)

(Ho: A=0)

±SE

(95%C.I.)

(360°=24h; 0°=00:00)

 

SBP

19

0.003

114.691±3.75

5.27

(2.78, 7.76)

-273

(-239, -298)

 

DBP

13

0.012

72.05±3.39

2.85

(1.25, 4.44)

-256

(-224, -294)

 

HR

19

<0.001

60.831±2.81

5.63

(3.60, 7.66)

-266

(-251, -289)

 

Flow Rate

46

<0.001

0.289±0.05

0.11

(0.07, 0.14)

-256

(-235, -289)

電磁場曝露:

 

 

 

 

 

 

 

 

SBP

22

0.001

114.579±4.18

5.54

(3.18, 7.90)

-271

(-250, -294)

 

DBP

13

0.141

73.355±3.58

2.47

(0,　 0)

-230

(0, 0)

 

HR

22

<0.001

62.174±2.22

6.94

(5.02, 8.86)

-270

(-255, -285)

 

Flow Rate

58

<0.001

0.244±0.04

0.11

(0.07, 0.14)

-251

(-238, -270)

表 2

 

 

電磁場曝露

 

擬似曝露

 

t-test

 

 

Mean

N

SD

 

Mean

N

SD

 

　　　 t

df

　　　　　　　 P

SBP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MESOR

73.10

12

5.91

 

72.05

12

5.33

 

1.02

11

0.329

 

Amplitude

4.62

12

2.33

 

4.15

12

1.80

 

0.59

11

0.570

 

Acrophase

-245.17

12

50.54

 

-219.50

12

81.94

 

-0.74

11

0.474

DBP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MESOR

73.10

12

5.91

 

72.05

12

5.33

 

1.02

11

0.329

 

Amplitude

4.62

12

2.33

 

4.15

12

1.80

 

0.59

11

0.570

 

Acrophase

-245.17

12

50.54

 

-219.50

12

81.94

 

-0.74

11

0.474

HR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MESOR

62.56

12

4.34

 

60.83

12

4.42

 

1.26

11

0.233

 

Amplitude

7.42

12

2.83

 

6.34

12

2.93

 

0.88

11

0.400

 

Acrophase

-274.83

12

25.08

 

-276.83

12

34.16

 

0.19

11

0.854

Flow Rate

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MESOR

0.24

15

0.08

 

0.29

15

0.09

 

-1.74

14

0.104

 

Amplitude

0.12

15

0.06

 

0.13

15

0.06

 

-0.51

14

0.619

 

Acrophase

-256.00

15

35.26

 

-264.13

15

37.91

 

0.62

14

0.548

表 3

電磁場曝露

 

擬似曝露

 

t-test

Item

Mean

N

SD

 

Item

Mean

N

SD

 

　 t

df

　　 P

HR

69.75

5

3.63

 

HR

68.07

5

6.54

 

0.653

4

0.549

NN

898.97

5

30.99

 

NN

916.27

5

60.08

 

-0.564

4

0.603

SDNN

72.15

5

11.85

 

SDNN

76.16

5

10.80

 

-0.918

4

0.411

ULF

64.85

5

6.60

 

ULF

72.41

5

7.17

 

-1.491

4

0.210

LF

38.62

5

6.14

 

LF

41.16

5

7.91

 

-0.860

4

0.438

HF

28.46

5

6.78

 

HF

30.72

5

8.12

 

-0.954

4

0.394

LF/HF

1.50

5

0.21

 

LF/HF

1.49

5

0.22

 

0.467

4

0.665

-