Effects of millimeter wave irradiation and equivalent thermal heating on the activity of individual neurons in the leech ganglion

Many of today's radiofrequency-emitting devices in telecommunication, telemedicine, transportation safety, and security/military applications use the millimeter-wave (MMW) band (30-300 GHz). To evaluate the biological safety and possible applications of this radiofrequency band for neuroscience and neurology, we have investigated the physiological effects of low-intensity 60 GHz electromagnetic irradiation on individual neurons in the leech midbody ganglia. We applied incident power densities of 1, 2, and 4 mW/cm^2 to the whole ganglion for a period of 1 minute, while recording the action potential with a standard sharp-electrode electrophysiology setup. For comparison, the recognized U.S. safe exposure limit is 1 mW/cm^2 for 6 minutes. During the exposure to MMWs and gradual bath heating at a rate of 0.04 ºC/sec (2.4 ºC/min), the ganglionic neurons exhibited similar dose-dependent hyperpolarization of the plasma membrane and decrease in the action potential amplitude. However, narrowing of the action potential half-width during MMW irradiation at 4 mW/cm^2 was 5 times more pronounced, as compared to equivalent bath heating of 0.6 ºC. Even more dramatic difference in the effects of MMW irradiation and bath heating was on the firing rate, which was suppressed at all applied MMW power densities and was increased in a dose-dependent manner during gradual bath heating. The mechanism of enhanced narrowing of action potentials and suppressed firing by MMW irradiation, as compared to gradual bath heating, is hypothesized to involve specific coupling of MMW energy with the neuronal plasma membrane

Comparison of the effects of millimeter wave irradiation, general bath heating, and localized heating on neuronal activity in the leech ganglion

The use of electrically-induced neuromodulation has grown in importance in the treatment of multiple neurological disorders such as Parkinson’s disease, dystonia, epilepsy, chronic pain, cluster headaches and others. While electrical current can be applied locally, it requires placing stimulation electrodes in direct contact with the neural tissue. Our goal is to develop a method for localized application of electromagnetic energy to the brain without direct tissue contact. Toward this goal, we are experimenting with the wireless transmission of millimeter wave (MMW) energy in the 10-100 GHz frequency range, where penetration and focusing can be traded off to provide non-contact irradiation of the cerebral cortex. Initial experiments have been conducted on freshly-isolated leech ganglia to evaluate the real-time changes in the activity of individual neurons upon exposure to the MMW radiation. The initial results indicate that low-intensity MMWs can partially suppress the neuronal activity. This is in contrast to general bath heating, which had an excitatory effect on the neuronal activity. Further studies are underway to determine the changes in the state of the membrane channels that might be responsible for the observed neuromodulatory effects. © (2013) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only

Розробка методики підвищення завадозахищеності засобів радіозв’язку з псевдовипадковою перестройкою робочої частоти

The development of a technique for increasing the interference immunity of frequency-hopping spread spectrum radio communication equipment has been carried out. The essence of the proposed method is the rational distribution of operating frequencies among the frequency-hopping spread spectrum radio communication devices, taking into account the mutual influence of transceivers on each other. The technique takes into account the strategies of the electronic warfare complex, predicts the signal-interference environment, chooses the parameters of the frequency-hopping spread spectrum, depending on the parameters of the frequency range. The existing scientific-methodical apparatus is intended only for use in radio directions and does not take into account a number of important parameters that does not allow it to be used with a lack of radio resources and active electronic countermeasure. According to the results of the research, it has been found that the proposed method allows increasing the interference immunity of frequency-hopping spread spectrum radio communication equipment on average up to 30 %, depending on the state of the channel. However, an increase in computing complexity at the level of 10 % is noted due to the introduction of additional procedures. Additional procedures in the developed method are the distribution of frequencies in the network, calculation of the mutual influence of transceivers of frequency-hopping radio communication devices on each other, prediction of the signal-interference situation and selection of frequency-hopping parameters. It is advisable to use this methodology in radio stations with programmable architecture to increase their interference immunity due to the rational distribution of operating frequencies of frequency-hopping spread spectrum radio communication devices in the network and forecasting of the signal situationПроведена разработка методики повышения помехозащищенности средств радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Сущность предлагаемой методики заключается в рациональном распределении рабочих частот между средствами радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с учетом взаимного влияния приёмопередатчиков друг на друга. В методике учитываются стратегии комплекса радиоэлектронной борьбы, прогнозируется сигнально-помеховая обстановка, выбираются параметры псевдослучайной перестройки рабочей частоты в зависимости от параметров частотного диапазона. Существующий научно-методический аппарат предназначен только для использования в радионаправлениях и не учитывает ряд важных параметров, что не позволяет его использовать при дефиците радиоресурса и активном радиоэлектронном подавлении. По итогам исследования установлено, что предложенная методика позволяет повысить помехозащищенность средств радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты в среднем до 30 % в зависимости от состояния канала. Однако отмечается повышение вычислительной сложности на уровне 10 % за счет введения дополнительных процедур. Дополнительными процедурами в разработанной методике являются: распределение частот в сети, расчет взаимного влияния приемопередатчиков средств радиосвязи с псевдослучайной перестройкой друг на друга, прогнозирования сигнально-помеховой обстановки и выбор параметров перестройки частот. Указанную методику целесообразно использовать в радиостанциях с программируемой архитектурой для повышения их помехозащищенности за счет рационального распределения рабочих частот средств радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты в сети и прогнозирования сигнальной обстановкиПроведено розробку методики підвищення завадозахищеності засобів радіозв’язку з псевдовипадковою перестройкою робочої частоти. Сутність запропонованої методики полягає в раціональному розподілі робочих частот між засобами радіозв’язку з псевдовипадковою перестройкою робочої частоти з урахуванням взаємного впливу прийомопередавачів один на одного. В методиці враховується стратегії комплексу радіоелектронної боротьби, прогнозується сигнально-завадова обстановка, обирається параметри псевдовипадкової перестройки робочої частоти в залежності від параметрів частотного діапазону. Існуючий науково-методичний апарат призначений тільки для використання в радіонапрямку та не враховує ряд важливих параметрів, що не дозволяє його використовувати при дефіциті радіоресурсу та активному радіоелектронному подавленні. За результатами дослідження встановлено, що запропонована методика дозволяє підвищити завадозахищеність засобів радіозв’язку з псевдовипадковою перестройкою робочої частоти в середньому до 30 % в залежності від стану каналу. Проте відмічається підвищення обчислювальної складності на рівні 10 % за рахунок введення додаткових процедур. Додатковими процедурами в розробленій методиці є: розподіл частот в мережі, розрахунок взаємного впливу прийомопередавачів засобів радіозв’язку з псевдовипадковою перестройкою один на одного, прогнозування сигнально-завадової обстановки та вибір параметрів перестройки частот. Зазначену методику доцільно використовувати в радіостанціях з програмованою архітектурою для підвищення їх завадозахищеності за рахунок раціонального розподілу робочих частот засобів радіозв’язку з псевдовипадковою перестройкою робочої частоти в мережі та прогнозування сигнальної обстановк

Розробка методики підвищення завадозахищеності засобів радіозв’язку з псевдовипадковою перестройкою робочої частоти

The development of a technique for increasing the interference immunity of frequency-hopping spread spectrum radio communication equipment has been carried out. The essence of the proposed method is the rational distribution of operating frequencies among the frequency-hopping spread spectrum radio communication devices, taking into account the mutual influence of transceivers on each other. The technique takes into account the strategies of the electronic warfare complex, predicts the signal-interference environment, chooses the parameters of the frequency-hopping spread spectrum, depending on the parameters of the frequency range. The existing scientific-methodical apparatus is intended only for use in radio directions and does not take into account a number of important parameters that does not allow it to be used with a lack of radio resources and active electronic countermeasure. According to the results of the research, it has been found that the proposed method allows increasing the interference immunity of frequency-hopping spread spectrum radio communication equipment on average up to 30 %, depending on the state of the channel. However, an increase in computing complexity at the level of 10 % is noted due to the introduction of additional procedures. Additional procedures in the developed method are the distribution of frequencies in the network, calculation of the mutual influence of transceivers of frequency-hopping radio communication devices on each other, prediction of the signal-interference situation and selection of frequency-hopping parameters. It is advisable to use this methodology in radio stations with programmable architecture to increase their interference immunity due to the rational distribution of operating frequencies of frequency-hopping spread spectrum radio communication devices in the network and forecasting of the signal situationПроведена разработка методики повышения помехозащищенности средств радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. Сущность предлагаемой методики заключается в рациональном распределении рабочих частот между средствами радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с учетом взаимного влияния приёмопередатчиков друг на друга. В методике учитываются стратегии комплекса радиоэлектронной борьбы, прогнозируется сигнально-помеховая обстановка, выбираются параметры псевдослучайной перестройки рабочей частоты в зависимости от параметров частотного диапазона. Существующий научно-методический аппарат предназначен только для использования в радионаправлениях и не учитывает ряд важных параметров, что не позволяет его использовать при дефиците радиоресурса и активном радиоэлектронном подавлении. По итогам исследования установлено, что предложенная методика позволяет повысить помехозащищенность средств радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты в среднем до 30 % в зависимости от состояния канала. Однако отмечается повышение вычислительной сложности на уровне 10 % за счет введения дополнительных процедур. Дополнительными процедурами в разработанной методике являются: распределение частот в сети, расчет взаимного влияния приемопередатчиков средств радиосвязи с псевдослучайной перестройкой друг на друга, прогнозирования сигнально-помеховой обстановки и выбор параметров перестройки частот. Указанную методику целесообразно использовать в радиостанциях с программируемой архитектурой для повышения их помехозащищенности за счет рационального распределения рабочих частот средств радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты в сети и прогнозирования сигнальной обстановкиПроведено розробку методики підвищення завадозахищеності засобів радіозв’язку з псевдовипадковою перестройкою робочої частоти. Сутність запропонованої методики полягає в раціональному розподілі робочих частот між засобами радіозв’язку з псевдовипадковою перестройкою робочої частоти з урахуванням взаємного впливу прийомопередавачів один на одного. В методиці враховується стратегії комплексу радіоелектронної боротьби, прогнозується сигнально-завадова обстановка, обирається параметри псевдовипадкової перестройки робочої частоти в залежності від параметрів частотного діапазону. Існуючий науково-методичний апарат призначений тільки для використання в радіонапрямку та не враховує ряд важливих параметрів, що не дозволяє його використовувати при дефіциті радіоресурсу та активному радіоелектронному подавленні. За результатами дослідження встановлено, що запропонована методика дозволяє підвищити завадозахищеність засобів радіозв’язку з псевдовипадковою перестройкою робочої частоти в середньому до 30 % в залежності від стану каналу. Проте відмічається підвищення обчислювальної складності на рівні 10 % за рахунок введення додаткових процедур. Додатковими процедурами в розробленій методиці є: розподіл частот в мережі, розрахунок взаємного впливу прийомопередавачів засобів радіозв’язку з псевдовипадковою перестройкою один на одного, прогнозування сигнально-завадової обстановки та вибір параметрів перестройки частот. Зазначену методику доцільно використовувати в радіостанціях з програмованою архітектурою для підвищення їх завадозахищеності за рахунок раціонального розподілу робочих частот засобів радіозв’язку з псевдовипадковою перестройкою робочої частоти в мережі та прогнозування сигнальної обстановк

Концепція управління розвитком професійно-технічної освіти

The conceptual provisions on the management of the development of vocational education, which are defined by the regulations of Ukraine, are analyzed. It is established that professional training “for a specific job” often does not contribute to the success of students, can lead to the emergence of specialists whose knowledge and skills are not required by the society. The weaknesses of the single-stage system have been identified. The reasons that determine the feasibility of the transition to a multilevel system are identified. The most important moments in the multilevel system of education are noted: structural and substantial. It is established that new pedagogical technologies are the core of the content of the multilevel system of education. The need to find the optimal ratio between the educational components at different levels of education and to identify priority areas in the field of educational diversification is indicated. It is proved that the degree system implements the continuity of programs related to a particular type of human activity or to a given field of production and differing in level of qualification. The programs are focused, first of all, on providing vocational training; the educational function is subordinated to them vocationally and at some stages the educational component may not be present at all. At the end of each stage, the specialist receives a document certifying the level of his/her qualifications (e.g., turner, technician, engineer). A single-level system of the vocational education is expedient and quite effective with a rigid long-term consolidation of the personnel in this field. The main purpose of such a system is to satisfy the state order for a specialist. The principles of the vocational education development, in particular humanization and fundamentalization, are determined. The system-forming functions performed by vocational education in the society are considered: economic, social and cultural.Проаналізовано концептуальні положення щодо управління розвитком професійної освіти, що визначені нормативно-правовими актами України. Встановлено, що професійна підготовка “під конкретне робоче місце” доволі часто, не сприяючи життєвому успіху учнів, може привести до появи фахівців, чиї знання і вміння не затребує суспільство. Визначено слабкі сторони моноступеневої системи. Встановлено причини, які зумовлюють доцільність переходу до багаторівневої системи. Відзначено найважливіші моменти в багаторівневій системі освіти: структурний і змістовний. Встановлено, що нові педагогічні технології є стрижнем змістовної сторони багаторівневої системи навчання. Вказано на необхідності знаходження оптимального співвідношення між освітніми складовими на різних рівнях навчання та виділення пріоритетних напрямів у галузі диверсифікації освіти. Доведено, що ступенева система реалізує наступність програм, що відносяться до певного виду діяльності людини або до даної галузі виробництва і відрізняються рівнем кваліфікації. Програми орієнтовані, найперше, на забезпечення професійної підготовки; освітня функція підпорядкована в них професійній підготовці та на деяких етапах освітній компонент може зовсім не бути присутнім. Після завершення кожного етапу фахівець отримує відповідний документ, що засвідчує рівень його кваліфікації (наприклад, токар, технік, інженер). Моноступенева система професійної освіти доцільна та цілком ефективна при жорсткому довгостроковому закріпленні кадрів у цій галузі. Головною метою такої системи є задоволення державного замовлення на спеціаліста. Визначено принципи розвитку професійної освіти, зокрема гуманізацію і фундаменталізацію. Розглянуто системоутворювальні функції, які виконує професійна освіта в суспільстві: економічну, соціальну і культурну

Microdosimetry and physiological effects of millimeter wave irradiation in isolated neural ganglion preparation

Possible effects of millimeter waves (MMWs) on biological objects becomes an increasingly important issue due to development of technologies for telecommunication, telemedicine and security/military applications operating at this extremely high radiofrequency band. Specifically, the safety limits of MMW irradiation of neuronal tissue need to be evaluated. In this study, we evaluated the thermal and physiological effects of MMWs on the neural ganglia isolated from the leech. The initial results indicate that low-intensity MMWs can partially suppress the neuronal activity at relatively low levels of applied MMW power density, with associated sub-1°C heating of the ganglion. Further studies are underway to determine if altered conductivity through the membrane channels might be responsible for the observed effects

Alterations in Neuronal Action Potential Shape and Spiking Rate Caused by Pulsed 60 GHz Millimeter Wave Radiation

This study demonstrates effect of 60 GHz radiation applied in a pulsed mode to the finite neuronal network. Short powerful pulses of 50 to 300 msec duration were applied to leech neuronal ganglion and electrophysiological activity of the Retzius cells were recorded via sharp electrodes. Pulses were applied with respect to the natural activity of the tested cell and preconditioned every recorded action potential. Despite fairly low increase of sample's temperature caused by radiation's heating, clear and instant alteration in action potential parameters occurred. Along with that the prolonged utilization of this mode resulted into decrease of action potential spiking rate. Obtained results demonstrate the potential use of sub-terahertz radiation for wireless modulation of neuronal activity

Ultrashort Pulsed Electric Fields Induce Action Potentials in Neurons When Applied at Axon Bundles

International audienc

Alterations in Neuronal Action Potential Shape and Spiking Rate Caused by Pulsed 60 GHz Millimeter Wave Radiation

This study demonstrates effect of 60 GHz radiation applied in a pulsed mode to the finite neuronal network. Short powerful pulses of 50 to 300 msec duration were applied to leech neuronal ganglion and electrophysiological activity of the Retzius cells were recorded via sharp electrodes. Pulses were applied with respect to the natural activity of the tested cell and preconditioned every recorded action potential. Despite fairly low increase of sample's temperature caused by radiation's heating, clear and instant alteration in action potential parameters occurred. Along with that the prolonged utilization of this mode resulted into decrease of action potential spiking rate. Obtained results demonstrate the potential use of sub-terahertz radiation for wireless modulation of neuronal activity

Neurostimulation with nanosecond pulsed electric fields: A combined electrophysiology and multiphoton imaging approach in intact ganglia

International audienceThe effect of high power nanosecond pulsed electric fields (nsPEF) was examined on the complex neuronal assemblies ofintact leech ganglia. The medicinal leech midbody ganglion is a convenient experimental preparation that represents a realneuronal network with neuronal diversity and glial cells. 10 ns pulses of different intensities ranging from 22.5 to 47 kV/cmwere applied to the ganglia body and alterations in natural electrical activity of Retzius cells were recorded with sharp glasselectrode in a current-clamp mode or multiphoton whole-ganglia imaging with calcium indicators. The lowest nsPEFintensity tested resulted in stimulation of a single action potential (AP) whereas all higher intensities used led to bursts ofAPs