Wahrnehmung von Mikrowellen durch das Gehirn

Die Einwirkung von Mikrowellen auf das Modell eines Schädels
Bei einem aus einer mehrlagigen Kugel bestehende Modell eines menschlichen Schädels ( Bild 1 ) mit den in Tabelle 1 wiedergegebenen elektrischen Eigenschaften und Schichtdicken wurde die Änderung der Stärke der absorbierten Energie in Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz an unterschiedlichen Orten im Schädel festgestellt.

Bild 1. Sechslagiges Kugelmodell des Schädels unter Bestrahlung mit einer sich in Richtung der Z-Achse fortpflanzenden ebenen Welle.

Tabelle 1. Abmessungen und elektrische Eigenschaften des mehrlagigen Kugelmodells des menschlichen Schädels.

In den Bildern 2,3,4 und 5 werden die Ergebnisse für Radien der Modelle von 7 und 10 cm wiedergegeben.

Bild 2. Relative Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der Frequenz für inhomogene ( sechslagige ) und homogene ( einlagige ) Kugelmodelle mit einem äußeren Radius von 7 cm

Bild 3. Relative Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der Frequenz für inhomogene ( sechslagige ) und homogene ( einlagige ) Kugelmodelle mit einem äußeren Radius von 10 cm

Bild 4. Verteilung der aufgenommenen Leistung innerhalb der simulierten Gehirnmasse ( innerste Lage ) entlang der Z-Achse bei dem sechslagigen Kugelmodell mit einem Radius von 7 cm bei einer Frequenz von 2,1 GHz

Bild 5. Verteilung der aufgenommenen Leistung innerhalb der simulierten Gehirnmasse ( innerste Lage ) entlang der Z-Achse bei dem sechslagigen Kugelmodell mit einem Radius von 10 cm bei einer Frequenz von 2,1 GHz

Bei der Berechnung der absorbierten Energie haben viele Forscher den menschlichen Schädel als eine homogene Kugel angenommen.(...) Das Ergebnis wird zum Vergleich als die unteren gepunkteten Kurven in den Bildern 2 und 3 wiedergegeben wobei der bemerkenswerte Unterschied der Stärke der aufgenommenen Energie im Bereich um 2,1 GHz offensichtlich ist. In den Bildern 2 und 3 wird die Absorptionsspitze bei niedrigerer Frequenz ( bei 0,65 GHz für einen Radius von 7 cm und bei 0,45 GHz für einen Radius von 10 cm ) dadurch hervorgerufen, daß das Schädelmodell wie ein Hohlraumresonator wirkt ( Anmerkung des Übersetzers: Der Schädel stellt eine auf die jeweilige Frequenz abgestimmte Antenne dar, so daß es zu einer erhöhten Energieaufnahme kommt. ). Aus diesem Grund sind diese Absorptionsspitzen mehr vom Schädelradius als von den verschiedenen Lagen des Modells abhängig.
Die Verteilung der elektrischen Feldstärke    innerhalb der aus unterschiedlichen Schichten aufgebauten Kugel im Bereich der stärksten Energieaufnahme bei 2,1 GHz wird in Bild 4 für den Radius 7 cm und in Bild 5 für den Radius 10 cm wiedergegeben. Die Energieverteilung wird in Richtung der Ausbreitung der Mikrowellen, also entlang der Z-Achse in Bild 1 wiedergegeben. (...) ( Wenn eine Mikrowellenstrahlung mit einer Leistungsdichte von ) 10 mW/cm2 auf die Kugel einwirkt beträgt die größte durchschnittliche Leistungsdichte in der Nähe der Mitte des Hirns (...) 8,7 mW/cm3 für einen Radius von 10 cm und (...) 20,8 mW/cm3 für einen Radius von 7 cm. Diese beiden Spitzen in der örtlichen Leistungsverteilung liegen über dem Grundumsatz des Stoffwechsels des Körpers ( 1,25 mW/cm3 ) aber nur die Spitze von 20,8 mW/cm3 liegt über dem durchschnittlichen Wert des Grundumsatzes des Stoffwechsels der grauen Substanz des Gehirns der ungefähr bei 12,5 mW/cm3 liegt. (...)

Der typische Verlauf von einfallenden Strahlen nach der Beeinflussung durch die unterschiedlichen Lagen der Kugel wird in Bild 6 für eine Ebene wiedergegeben Der Radius der Kugel beträgt 7 cm. Die ebenfalls auftretenden Reflektionen sind nicht dargestellt. Eine Drehung um die Z-Achse ergibt ein dreidimensionales Bild das zeigt wie alle Strahlenwege der auf die Oberfläche der Kugel treffenden Welle in der Mitte der Kugel bei 1 cm zusammenlaufen. (...)

Bild 6. Querschnitt der mehrlagigen Kugel entlang einer Ebene der einfallenden Welle, der zeigt wie die Strahlenwege in der Nähe der 1 cm Markierung zusammenlaufen.

Die auf einen Punkt der Oberfläche einfallende elektromagnetische Welle kann in zwei Anteile aufgeteilt werden. Bei dem einen Anteil ist das elektrische Feld senkrecht zu der Einfallsebene ( E 1 ) und bei dem anderen Anteil ist das elektrische Feld parallel zu ihr ( E 11 ). Bei einem gegebenen Einfallswinkel ( wie in Bild 6 ) werden diese beiden Anteile der Welle in unterschiedlichem Maße von der Oberfläche der Kugel reflektiert. Berechnungen der reflektierten Leistung unter Verwendung der Eigenschaften aus Tabelle 1 werden in Bild 7 für die homogene und für die mehrlagige Kugel bei einer Frequenz von 2,1 GHz und den Winkeln aus Bild 6 wiedergegeben. Da bei einer kugelförmigen Oberfläche die Gesamtanteile von E 1 und E 11 jeweils gleich groß sind, liegt der tatsächliche Prozentsatz der reflektierten Leistung auf einer Kurve zwischen E 1 und E 11.

Bild 7 wurde durch die Berechnung der Wellenimpedanz ( Anmerkung des Übersetzers: Impedanz bezeichnet den Widerstand für den Wechselstrom der in vielen Fällen einen anderen Wert hat als der Widerstand für den Gleichstrom ) an der Oberfläche der Kugel für jeden Teil der Welle bei verschiedenen Einfallswinkeln erhalten. Daraus wurde das Quadrat des Wertes des Reflektionskoeffizienten bestimmt. Diese Berechnungen zeigen, daß die äußeren Lagen der nicht homogenen Kugel bei 2,1 GHz als wirkungsvoller Viertelwellenüberträger dient. Dadurch wird über den größten Teil der Oberfläche der bestrahlten Kugel die Impedanz des Gehirns ( ungefähr 48,5 Ohm bei 2,1 GHz ) an die Impedanz der umgebenden Luft ( 377 Ohm ) angepasst. Die unteren Kurven in Bild 7 verschieben sich nach oben wenn die Frequenz von 2,1 GHz verringert oder erhöht wird.

Bild 7. Prozentsatz des reflektierten Anteils der einfallenden Leistung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel für den Teil der ebenen Welle mit dem elektrischen Feld senkrecht ( E 1 ) und den Teil der Welle mit dem elektrischen Feld parallel ( E 11 ) zu der Einfallsebene ( 2,1 GHz )

Einwirkung von Mikrowellen auf das Modell einer Nervenmembran
Für eine auf den Kopf einfallende Mikrowellenstrahlung von 10 mW/cm2 mit einer Frequenz von 2,1 GHz entsteht auf Grund der frequenzabhängigen Eigenschaft der Strahlenbündelung ( wie aus den Bildern 2,4 und 6 hervorgeht ) eine Leistungsdichte von 20 mW/cm3 in der Nähe der Mitte des Gehirns. Auf der Grundlage dieser zur Verfügung stehenden Leistung können wir die Möglichkeit, daß Nervenfunktionen innerhalb des Gehirns durch Mikrowellen beeinflusst werden, abschätzen.

Außer der direkten Erwärmung gibt es verschiedene Mechanismen durch die Mikrowellen auf Nerven einwirken könnten. Einer dieser möglichen Mechanismen ist die Gleichrichtung der Mikrowellen durch die Nervenmembran was im Folgenden untersucht wird.

Eine elektromagnetische Welle innerhalb eines biologischen Materials verursacht einen Stromfluß der Nervenmembranen durchdringt, was sich aus dem Ersatzschaltkreis für die Nervenmembran in Bild 8 ergibt ( Anmerkung des Übersetzers: Ein Ersatzschaltkreis bildet die elektrischen Eigenschaften eines oder mehrerer elektronischer Bauteile oder eben eines biologischen Körpers mit anderen genormten Bauteilen nach, so daß man elektrische Vorgänge an ihm untersuchen kann ). Das Ersatzschaltbild zeigt die Kapazität ( C ) und die Konduktanz ( G ) der Membran sowie die durch das elektromagnetische Feld verursachte Stromdichte ( J ).

Bild 8. Ersatzschaltkreis für eine nicht gleichrichtende Membrane

Aus dem Ersatzschaltkreis ergibt sich zwischen den beiden Seiten der Membran ein Potential von .
Die Konduktivität des Gehirns beträgt 1 mho/m bei 2,1 GHz und die elektrische Feldstärke ( E ) bei einer Leistungsdichte von 20 mW/cm3 beträgt 200 Volt pro Meter. Für eine passive Membran beträgt C = 10hoch-2 Farad/m2 und G = 10 mhos/m2. Daraus ergibt sich:

Es ist zweifelhaft daß ein so kleines induziertes Membranpotential die elektrische Aktivität von Nervenzellen beeinflussen kann. Allerdings könnte der dieser Rechnung zugrundegelegte Ersatzschaltkreis nicht vollständig sein. (...) Nervenmembranen und synaptische Übergänge können sich wie elektrische Gleichrichter verhalten. In theoretischen Modellen, die erfolgreich die Entstehung und Weiterleitung des Aktionspotentials auf einem Nervenaxon vorhersagen, gehen davon aus daß sich die Nervenmembran wie ein Siliziumgleichrichter, wie eine Tunneldiode oder wie ein Transistor verhält.
Während die Modelle, die bei der Zellmembran die Eigenschaften einer Tunneldiode oder eines Siliziumgleichrichters annehmen, entwickelt wurden um die Nervenstimulation durch relativ niederfrequente elektrische Signale zu beschreiben, scheint es vernünftig anzunehmen, daß die Zellmembran auch im Mikrowellenbereich eine gewisse Fähigkeit zur Gleichrichtung behält.
Betrachten wir den Fall daß ein Gleichrichter in den Ersatzschaltkreis der Membran eingefügt wird ( Bild 9 ).

Bild 9. Ersatzschaltkreis für gleichrichtende Membrane

Nur die positiven Halbwellen der mit Mikrowellenfrequenz schwingenden Stromdichte ( J ) werden durch den Gleichrichter nach C und G weitergeleitet. Bei einer Mikrowellenfrequenz von 2 GHz beträgt die Zeit zwischen zwei positiven Signalspitzen 5 x 10hoch-10 Sekunden. Die zur Entladung der Kapazität benötigte Zeitkonstante beträgt C/G, also 0,001 Sekunden. Also wird die Kapazität der Membran bis zur Spitzenspannung von    aufgeladen solange das Mikrowellensignal einwirkt, denn die Größe der Entladung zwischen den positiven Signalspitzen ist so gering, daß sie vernachlässigt werden kann. Wenn also die Zellmembran eine Gleichrichtung des Mikrowellensignals bewirkt beträgt das hervorgerufene Potential über die Zellmembran bei den sonst gleichen Werten wie in dem vorangegangenen Beispiel

Dieser Wert ist zehn Millionen mal höher als der Wert ohne die Annahme einer Gleichrichtung. In dieser Rechnung wurde davon ausgegangen, daß die gesamte Stromdichte außerhalb der Zelle durch die Membran dringt und daß die Membran ein perfekter Gleichrichter ist. Eine kombinierte Effektivität der Durchdringung und Gleichrichtung an der Zellmembran von 0,01 Prozent würde eine Spannung von 2 mV über die Zellmembran ergeben. Eine solche Spannung genügt um die elektrischen Vorgänge einer Nervenzelle zu beeinflussen. Eine Effektivität von 0,1 Prozent ergibt eine Spannung von 20 mV über die Zellmembran. Diese Spannung reicht aus um ein Feuern des Nerven, also ein Aktionspotential auszulösen. Also ist die Gleichrichtung an der Zellmembran ein plausibler Mechanismus der die Reaktionen von Menschen auf Mikrowellenbestrahlung erklären kann.

Einwirkung von Mikrowellen auf lebende Zellen
Um durch Versuche festzustellen ob Mikrowellen niedriger Stärke die Aktivität von Nervenzellen beeinflussen oder nicht haben wir ein Bündel von lebenden Nervenzellen in ein Gefäß mit einem Streifenleiter zur Übertragung der Mikrowellen gebracht. Diese Zellen stammten von der Meeresschnecke Aplysia. In die Zellen gebrachte Glasmikroelektroden wurden verwendet um die elektrischen Aktivitäten der Zellen vor, während und nach der Bestrahlung mit Mikrowellen zu beobachten. Wir haben auch die Temperatur der Zellen und die von ihnen aufgenommene Mikrowellenenergie gemessen.

(...) Eindeutige Änderungen des ansonsten immer gleichen Feuermusters der Aplysia Nervenzellen wurden bei aufgenommenen Leistungsdichten von weit unter 20 mW/cm3 festgestellt. Die untersuchten sogenannten Schrittmacherneuronen hatten zwei natürliche Feuermuster: "schlagende" Schrittmacher mit einzelnen Aktionspotentialspitzen die in gleichbleibenden zeitlichen Abständen aufeinander folgen und "ausbrechende" Schrittmacherneuronen mit Gruppen von mehreren schnell aufeinander folgenden Aktionspotentialspitzen wobei zwischen den einzelnen Ausbrüchen immer gleiche Zeitabstände liegen. In den meisten der durchgeführten Versuche wurde festgestellt, daß die Wirkung der Mikrowellen durch die Zuführung der gleichen Wärmemenge ohne Einwirkung von Mikrowellen ausgelöst werden konnte.

In einigen Fällen allerdings ließen sich die durch Mikrowellenstrahlung hervorgerufenen Änderungen der Feuermuster eindeutig nicht durch einfache Erwärmung auslösen. So verursachte Mikrowellenbestrahlung zum Beispiel in einem Fall eine Verringerung der Zeit zwischen den einzelnen Ausbrüchen bei einem "ausbrechenden" Schrittmacherneuron von 12 auf 7 Sekunden während eine vergleichbare Erwärmung durch Konvektion eine Zunahme der Zeit zwischen den einzelnen Ausbrüchen von 12 auf 14 Sekunden verursachte. In einem anderen Fall hörte "schlagendes" Neuron bei Bestrahlung mit Mikrowellen auf zu feuern. Dieses Neuron verdoppelte aber ungefähr seine Feuerrate wenn die gleiche Wärmemenge durch Konvektion zugeführt wurde. Die beobachteten Wirkungen waren in dem Sinne reversibel als die untersuchten Neuronen im Allgemeinen ihr normales Feuerverhalten nach dem Abschalten der Mikrowellen und der Erwärmung durch Konvektion wieder aufnahmen. Die Frage ob die Mikrowellenwirkungen schädlich sind kann durch unsere Ergebnisse nicht beantwortet werden, aber es ist fast absolut sicher daß diese Wirkungen der Mikrowellen die in einem intakten Nervensystem stattfindende Informationsverarbeitung massiv stören würde.

Außer der Beobachtung der elektrischen Aktivitäten von Nervenzellen in einem Gefäß mit Streifenleiter als Indikator für die Wirkung von Mikrowellen arbeiten wir an einem direkteren Weg um festzustellen ob die Nervenmembran bei Mikrowellenfrequenzen ein Gleichrichter ist oder nichtlineare Eigenschaften hat. Bei diesem Versuchsaufbau dient eine die Zellmembran durchdringende Mikroelektrode als Übertragungslinie die zwei Mikrowellensignale mit unterschiedlicher Frequenz in die Nervenzelle leitet. Eine andere Elektrode leitet die Signale von der äußeren Oberfläche der Nervenzelle zu einem Spektrumanalysator. Wenn die Nervenmembran nichtlineare Eigenschaften hat ergeben die beiden die Zellmembran vom Inneren der Nervenzelle nach außen durchquerenden Mikrowellensignale als Ergebnis ihrer Überlagerung ein gemeinsames Signal das mit dem Spektrumanalysator nachzuweisen sein sollte.

( Anmerkung des Übersetzers: Die Frequenz dieses Signal ist auf Grund der Überlagerung der beiden Mikrowellenfrequenzen die Differenz aus beiden Signalen. So würde ein Signal von 2 000 000 000 ( 2 GHz ) bei einer Überlagerung mit einem Signal der Frequenz 2 000 001 000 ein Signal der Frequenz 1000 Hz ergeben. Auf diesem Wege kann also bei entsprechender Steuerung der Frequenz und der Leistung zweier Hochfrequenzsender jedes in Frequenz und Stärke beliebige Signal das eine niedrigere Frequenz als die der beiden Sender hat, drahtlos auf große Entfernung übertragen werden. Das gilt natürlich auch für Signale in der Art wie sie von Nervenzellen zur Informationsübertragung verwendet werden, obwohl sie selbst auf Grund ihrer niedrigen Frequenz nicht abgestrahlt werden können. Ein weiterer Vorteil dieser Wellenüberlagerung liegt darin, daß die entsprechende biologische Wirkung ausschließlich an dem Ort auftritt, an denen sich die Wellen überlagern, nicht aber auf dem Weg dorthin, vorausgesetzt daß die Sender aus unterschiedlichen Richtungen stark gebündelte Hochfrequenzstrahlung senden. In so einem Fall ist es also nicht einmal nötig, daß an der Zellmembran eine Gleichrichtung stattfindet um eine biologische Waffenwirkung zu erzielen. Es genügt durch Wellenüberlagerung in der Zielperson einen entsprechenden niederfrequenten Strom zu verursachen. )

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