无线电能传输（WPT）是一种新型的电能传输方式，被广泛应用于电动汽车等各个领域。为保证无线电能传输系统的安全使用，必须分析其电磁环境的安全性。本实验搭建了小功率无线电能传输实验平台，接收功率 25 W，谐振频率 47 kHz，开展了动物暴露实验。小鼠在无线电能传输电磁环境下每天暴露 5 h，6 天为一个周期，每个周期后测试小鼠工作记忆能力，实验连续 12 周。实验结束后检测各只小鼠血清中的免疫参数、性激素含量和部分器官的生理结构。实验结果发现，小鼠的的记忆行为没有随着暴露时间的增加出现明显的变化，性激素含量无明显变化（P > 0.05），免疫因子如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素-6（IL-6）、白细胞介素-1β（IL-1β）含量均明显升高（P < 0.05），部分器官结构有一定的改变。实验结果表明，搭建的无线电能传输系统环境对小鼠记忆行为无影响，而对小鼠生理特性有一定的影响。
引用本文： 赵军, 杨婷, 王磊, 武志军. 小功率无线电能传输系统对小鼠记忆行为和部分生理特性影响的研究. 生物医学工程学杂志, 2020, 37(2): 280-287. doi: 10.7507/1001-5515.201903030 复制
引言
电子产品在人们的生活中扮演着重要的角色，特别是小功率家电和可穿戴设备的普及，给人们的生活带来极大的便利。然而电子产品的充电一直有电线缠绕、插座孔有限、充电期间不能灵活移动等缺点[1]。无线电能传输是一种新型的充电技术，其空间利用率高，使用便利，体验性更强[2-3]，能解决传统充电的弊端，能广泛应用于电动汽车、医疗电子和消费电子等领域。
目前无线电能传输的研究主要集中在传输系统的高效率和稳定性，如果大规模运用于市场，将涉及到人和环境的安全性研究。无线电能传输系统在依靠磁场耦合进行能量传输的过程中，在线圈周围空间存在电磁环境，电磁辐射对人体健康的影响和电气设备受外部电磁干扰是否正常运行，一直是电子产品安全性与可靠性研究的重要问题[4]。因此，目前较多研究提到需要对无线电能传输的生物安全进行评估[5-7]。2012 年美国匹斯堡大学孙民贵教授带领的团队针对心脏起搏器设计了一种新型的磁耦合谐振式无线电能传输植入天线，根据使用情况对胸腔部位比吸收率进行了仿真计算，实验证明设计的系统对人体的辐射远小于国际非电离辐射防护委员会制定的安全限值，证实了该植入式天线对人体的安全性[8]。法国格勒诺布尔大学提出了一种基于磁矢量势插值的体积积分方法，用于求解无线传输场量的静磁问题[9]。日本广岛大学研究了无线胶囊内窥镜对人的辐射问题，仿真计算了人类皮肤、脂肪等组织的比吸收率，证明了体内胶囊辐射剂量的安全性[10]。名古屋大学研究了无线供电可穿戴设备的电磁干扰问题[11]。华南理工大学总结了动物实验、三维模型等研究方法[12]。高通公司设计出一个无线电能接收系统，频率为 60 GHz，可以为智能电子设备提供 1 mW 的电力，同时对人体无显著影响[13]。天津工业大学分析了设计的磁屏蔽系统对传输效率影响的机制，设计了自激推挽式磁耦合无线电能传输装置磁屏蔽结构，还研究了电动汽车无线充电空间对大鼠血常规、血生化的影响[14-15]。河北工业大学对无线充电可穿戴电子设备电磁安全进行了仿真研究，实验结果证明对人体没有影响[16]。
大量研究表明机体暴露在一定的电磁环境下，电磁场会对机体产生一定的影响[17-18]。主要研究的方向包括电磁场的致癌作用、生殖毒性和对神经系统、内分泌系统的危害，同时也涉及到记忆行为的研究。无线电能传输的生物实验较少，更缺乏动物行为学相关的研究，基于这一研究现状，本文探究了小功率无线电能传输系统对小鼠的记忆行为和部分生理特性的影响。本实验搭建小功率无线电能传输实验平台，接收功率为 25 W，谐振频率为 47 kHz，发射与接收线圈相距 20 cm。此功率满足我国现阶段小型家用电器功率，符合实际情况。实验时在无线电能传输充电空间放置小鼠，小鼠每天暴露 5 h，6 天为一个周期，每个周期后用 T 形迷宫行为学实验检测小鼠的记忆能力，12 周后检测小鼠细胞因子、主要性激素和部分器官组织，判断小鼠在长时间小功率无线电能传输系统暴露状态下的生理特性是否受到影响。本实验可为无线电能传输的电磁安全问题提供一定的分析数据。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 实验动物
选取一月龄 20 只健康昆明小鼠，雌雄各半，体重 18～22 g，购买于北京维通利华实验动物技术有限公司，合格证号为 SCXK9（京）2016-0006。小鼠的生命周期较短，一月龄到三月龄是辐射最敏感的时期。20 只小鼠随机分为四组：a：对照组雌性 5 只；b：实验组雌性 5 只；c：对照组雄性 5 只；d：实验组雄性 5 只。小鼠分笼饲养，恒温条件 26℃，遵循自由环境的明暗变化规则，尽量保证小鼠外部环境相同，实验期间小鼠自由进食。本次实验已通过河北工业大学生物医学伦理委员会审查，伦理审查编号为 HEBUTaCUC2019003。
1.1.2 主要试剂和仪器
流式细胞仪（BD LSR2，Becton，Dickinson and Company，美国）；全自动生化分析仪（HITACH7200，日立公司，日本）；高速离心机（JIDI-4D-WS，广州吉迪仪器有限公司，中国广州）；免疫因子和性激素试剂盒（E-EL-M0044C 等，欣博盛生物科技有限公司，中国深圳）；光学显微镜（BD 900，Becton Dickinson and Company，美国）；酶标仪（JC-1181，Sigma-Aldrich Company，美国）；三维电磁辐射检测仪（ESM 100，Maschek Elektronik，德国）。
1.2 方法
1.2.1 实验装置
实验采用磁耦合谐振式无线电能传输装置，高频电源向发射线圈输出高频交变电流，在磁耦合谐振下发射线圈与接收线圈发生耦合谐振，从而实现电能从发射端到接收端的高效无线传输，发射端与接收端分别带有功率表，用于检测两线圈的功率大小。系统工作时旋转功率旋钮，接收端功率为（25 ± 0.5）W，电磁谐振频率为 47 kHz，发射线圈与接收线圈为边长 32 cm 的正方形基板，线圈材料为定制的利兹线，线圈间距 20 cm，利用三维电磁辐射检测仪测量电磁环境，测得小鼠活动范围内的磁感应强度最小值为 88.3 μT，最大值为 537.3 μT，统计分析小鼠活动范围磁感应强度平均值为 272.5 μT，实验系统如图 1 所示。
图1
无线电能传输系统暴露实验
Figure1.
Wireless power transfer system exposure experiment
1.2.2 实验设计
本实验的实验周期为 3 个月。实验过程分为以下几个步骤：
（1）新环境熟悉性训练：图 2 为所使用的食物多选择参数 T 形迷宫。在 T 型迷宫的三个末端摆放一个食槽，再在迷宫中段固定处摆放 3 个食槽，共 6 个食槽。实验前小鼠禁食 24 h，将食槽编上序号，各食槽装上少量食物，使每只食槽均残留食物的气味，以降低食物气味对老鼠的诱导性。实验时只在主臂① 号、中端③ 号和左臂④ 号食槽处放入少量食物，在主臂中部放入一只小鼠，让其自由进食，吃完食物或 15 min 后取出，清理迷宫后再放入下一只小鼠，以此类推。本步骤每天一次，连续 7 天。该步骤是为了让小鼠建立初始的对 T 形迷宫的空间参考记忆能力。
图2
多选择性 T 形迷宫
Figure2.
Multi-selective T-shaped maze
（2）暴露实验：每天 9 点开启无线电能传输装置，调整线圈间距，调节功率旋钮，待接收端功率达到（25 ± 0.5）W，将 b、d 实验组小鼠放置于两线圈间中心位置，每天定时暴露 5 h，共 6 天。由于线圈规格较小，两个鼠箱重叠，第一天雌鼠笼放置在下方，雄鼠笼在上方，第二天两鼠笼交换放置，第三天再次交换上下位置，以此类推，实验期间照常给小鼠供应食物和水。对照组小鼠在正常环境中进行常规饲养。
（3）适应能力测试：将小鼠禁食 24 h，单只小鼠置于 T 形迷宫主臂中部，在其迷宫固定主臂① 号、中端③ 号和左臂④ 号食槽分别放入少量食物，让小鼠自行寻找食物，吃完食物或 10 min 取出，记录小鼠在各食槽寻食的先后顺序，结束单只小鼠训练，清理迷宫后放入下一只小鼠，同样记录其顺序，以此类推。迷宫适应能力测试指标：
寻食总次数：小鼠触嗅食槽记为一次寻食，在实验时间内总的寻食次数；
总正确次数：小鼠触嗅有食物的食槽记为一次寻食，在实验时间内总的寻食次数；
进食次数：小鼠在一个食槽内进食记为一次，实验时间内总的进食次数；
小鼠首次错误寻食前正确次数：小鼠第一次在没有食物的食槽内触嗅食物之前的次数；
小鼠二次错误寻食前正确次数：小鼠第二次在没有食物的食槽内触嗅食物之前的次数；
正确寻食率：总正确次数/寻食总次数 × 100%；
进食率：进食次数/寻食总次数 × 100%。
重复第（2）（3）步骤（即暴露 − 测试
），连续时间为 12 周。
1.2.3 测定各免疫因子与睾酮、孕酮含量
实验结束后对小鼠分别进行眼球静脉丛取血，颈椎脱臼处死小鼠，血液置于抗凝管，离心机 3 500 r/min、10 min 离心后得到血清，分装后储存于 − 20℃ 冰箱，实验时将血清样本进行不同倍数稀释，通过预实验，确定血清样本的稀释倍数，然后进行正式测量。严格按照 ELISA 试剂盒说明书测定血清中免疫因子［肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白介素-6（interleukin 6，IL-6）、白细胞介素-1β（interleukin-1 beta，IL-1β）］和睾酮、孕酮含量。
1.2.4 观察各器官结构
在无菌工作室中解剖小鼠，分离心脏、肝脏等器官，剪去器官周围结缔组织，采用苏木精-伊红（hematoxylin-eosin，HE）染色法，经过脱水、浸蜡、包埋、切片等步骤，在光学显微镜下放大 10 倍观察各器官结构。
1.3 统计学分析
数据采用 SPSS 15.0 软件方差分析来评价相同暴露时间下不同组测量的正确寻食率、进食率、小鼠首次错误寻食前正确次数和小鼠二次错误寻食前正确次数的差异，数据采用均数 ± 标准差形式，P < 0.05 表示差异有统计学意义。
2 结果
2.1 对小鼠记忆行为的影响
在本次行为实验中，小鼠的记忆在新环境熟悉性训练阶段开始建立，最初小鼠正确寻食率低于 30%，随着训练次数增加，在新环境熟悉性训练结束后所有小鼠正确寻食率均达到 60% 以上，进食率逐步增加并达到稳定，说明实验中已建立了小鼠的记忆能力，所有小鼠熟悉性训练均达到实验要求。从处理 12 周内进行适应能力测试的数据中，发现无论雌性还是雄性小鼠，与对照组相比，每个暴露周期后的正确寻食率、进食率、首次错误寻食前正确次数和二次错误寻食前正确次数均不具有统计学差异（P > 0.05）。图 3 为各组小鼠正确寻食率和进食率情况，表 1 为对照组和实验组小鼠的首次错误寻食前正确次数和小鼠二次错误寻食前正确次数。实验证明小鼠的的记忆行为没有随着暴露时间的增加发生明显的变化。
表1
小鼠首次、二次错误寻食前正确次数
Table1.
The correct numbers before the first and second error feeding of mice
图3
暴露期间小鼠正确寻食率、进食率百分比
Figure3.
Percentage of correct seeking and eating of mice during exposure
2.2 对小鼠血清中免疫因子的影响
从图 4 中可以看出，实验组小鼠血清中免疫因子 TNF-α、IL-6 和 IL-1β 浓度都有显著提高，差异具有统计学意义（P < 0.05）。说明本实验长时间无线电能传输空间暴露会引起小鼠血清中 TNF-α、IL-6 和 IL-1β 含量增加。
图4
无线电能传输系统对各免疫因子的影响（*P < 0.05）
Figure4.
Effect of wireless power transfer system on immune factors (*P < 0.05)
2.3 对小鼠性激素的影响
实验结果表明，实验组雌性小鼠血清中孕酮含量降低，与对照组相比下降了 16% 左右，实验组雄性小鼠血清中睾酮含量降低，但差异均无统计学意义（P > 0.05），如图 5 所示，说明小鼠性激素可能有下降的趋势。
图5
无线电能传输系统对性激素的影响
Figure5.
Effect of wireless power transfer systemon sex hormone
2.4 对小鼠器官结构的影响
如图 6 所示，实验组雌雄小鼠心脏组织细胞排列整齐，结构清晰，无明显的损伤现象。如图 7 所示，雌性小鼠无明显的肝损伤现象，而雄性小鼠出现肝细胞水肿（4/5）。如图 8 所示，雌性小鼠胸腺结构小体结构完整，呈现圆形或卵圆形，胸腺细胞无明显差异，而部分实验组雄性小鼠胸腺细胞髓质面积增大（1/5），其他的雄性小鼠胸腺均正常。如图 9 所示，雌性实验组小鼠脾脏少量间质增加，排列疏松（4/5），雄性实验组小鼠则无明显的脾脏损伤现象，说明无线电能传输系统可能对雌性小鼠脾脏有一定影响。如图 10 所示，部分实验组小鼠卵巢缩小，可能呈多囊化改变（2/5）。如图 11 所示，实验组小鼠睾丸生精小管界膜完整，睾丸细胞核仁清楚，胞质丰富，形状大多无变化，但观察到部分细胞间隙增大，出现细胞边界模糊和细胞腺体缩小（4/5），提示无线电能传输系统可能对雄性小鼠睾丸有一定影响。
图6
无线电能传输系统对心脏组织的影响（标尺为 100 μm）
Figure6.
Effect of wireless power transfer system on heart tissue（scalar bar with 100 μm）
图7
无线电能传输系统对肝脏细胞的影响（标尺为 100 μm）
Figure7.
Effect of wireless power transfer system on hepatocytes（scalar bar with 100 μm）
图8
无线电能传输系统对胸腺细胞的影响（标尺为 100 μm）
Figure8.
Effect of wireless power transfer system on thymocytes（scalar bar with 100 μm）
图9
无线电能传输系统对脾脏细胞的影响（标尺为 100 μm）
Figure9.
Effect of wireless power transfer system on spleen cells（scalar bar with 100 μm）
图10
无线电能传输系统对卵巢细胞的影响（标尺为 100 μm）
Figure10.
Effect of wireless power transfer system on ovarian cells（scalar bar with 100 μm）
图11
无线电能传输系统对睾丸结构的影响（标尺为 100 μm）
Figure11.
Effect of wireless power transfer system on testis（scalar bar with 100 μm）
3 讨论
电磁辐射对机体认知能力的影响与磁场强度和暴露时长相关[19]。早期体征常常表现为行为异常而不是神经组织结构异常，记忆行为已成为评估危害神经和大脑的敏感指标。本实验将小鼠正确寻食率用于判断小鼠工作记忆能力，首次错误寻食前正确次数与二次错误寻食前正确次数用于判定小鼠参考记忆能力。实验表明，小鼠的工作记忆能力、参考记忆能力均没有随着暴露时间的增加而出现变化，说明小鼠的记忆没有受到无线电能传输系统的影响。
低剂量电磁辐射可促进免疫细胞表达，使巨噬细胞分泌更多免疫因子 IL-1β，从而促进细胞的免疫活性，而在高剂量辐射状态下，细胞的免疫活性受到抑制，从而降低机体的免疫能力[20]。胸腺、脾脏是多数免疫细胞生成或发育的重要场所，免疫因子 TNF-α、IL-6、IL-1β 广泛参与了组织破坏、水肿形成等多种病理损伤过程。与对照组相比，实验小鼠的 TNF-α、IL-6、IL-1β 含量均增加，差异具有统计学意义（P < 0.05）。临床上体表损伤、体内感染、血液肿瘤疾病患者均有血清 IL-6 水平明显升高的现象，发热、休克、恶病质等也会出现 TNF-α 过量，而本实验不能推测小鼠体内出现此类情况，只能说明电磁暴露激发了小鼠免疫应答。实验组雌性小鼠脾脏细胞间质增加，排列疏松，雄性小鼠无明显异常现象，可能是由于雄性小鼠的脾脏自我修复能力较好。本研究还发现，实验组一些雄性小鼠胸腺髓质面积增大，这与文献[21]中小鼠在连续 30 天的微波辐射暴露（功率密度 5、15 mW/cm2，每天 1 h）后胸腺结构小体增多的结果相似。总体情况上看，实验组雌雄小鼠免疫功能均受到无线电能传输系统的影响。
电磁辐射对生殖器官、心脏等方面也会产生影响。睾丸和卵巢分别对雄性和雌性生殖系统的功能完整有着重要意义，其形态的改变可能引起生殖系统功能异常。秦粉菊[22]将 SD 大鼠置于 900 MHz、（0.66 ± 0.01）W/kg 电磁环境下，每天暴露 2 h，连续 50 天，发现大鼠的精子质量下降，细胞内活性氧簇含量降低，细胞凋亡加快。本实验检测生殖器官时，发现雄性睾酮、雌性孕酮含量下降，但与对照组的差异无统计学意义（P > 0.05）；雄性睾丸细胞间隙增大，部分细胞边界模糊和细胞腺体缩小，部分雌性卵巢缩小，可能呈多囊化改变，推测电磁辐射对小鼠生殖系统的作用机制可能与生殖细胞氧化损伤有关。本实验在解剖实验小鼠的心脏、肝脏的结构中，发现雄性肝脏组织有一定的水肿，推测小鼠在长时间低磁感应强度下肝脏细胞也出现氧化损伤。
本文以小鼠作为实验对象，研究了小功率无线电能传输系统对小鼠记忆行为和部分生理特性的影响，虽然相对正常小鼠来说，实验小鼠出现一些器官结构改变，但并未发现实验小鼠出现病态和任何异常的行为。本实验暴露周期为 12 周，短时间内小鼠机体免疫是否能自动修复损伤，以及更长时间的暴露是否对小鼠有更大的危害，这还需进一步验证。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
引言
电子产品在人们的生活中扮演着重要的角色，特别是小功率家电和可穿戴设备的普及，给人们的生活带来极大的便利。然而电子产品的充电一直有电线缠绕、插座孔有限、充电期间不能灵活移动等缺点[1]。无线电能传输是一种新型的充电技术，其空间利用率高，使用便利，体验性更强[2-3]，能解决传统充电的弊端，能广泛应用于电动汽车、医疗电子和消费电子等领域。
目前无线电能传输的研究主要集中在传输系统的高效率和稳定性，如果大规模运用于市场，将涉及到人和环境的安全性研究。无线电能传输系统在依靠磁场耦合进行能量传输的过程中，在线圈周围空间存在电磁环境，电磁辐射对人体健康的影响和电气设备受外部电磁干扰是否正常运行，一直是电子产品安全性与可靠性研究的重要问题[4]。因此，目前较多研究提到需要对无线电能传输的生物安全进行评估[5-7]。2012 年美国匹斯堡大学孙民贵教授带领的团队针对心脏起搏器设计了一种新型的磁耦合谐振式无线电能传输植入天线，根据使用情况对胸腔部位比吸收率进行了仿真计算，实验证明设计的系统对人体的辐射远小于国际非电离辐射防护委员会制定的安全限值，证实了该植入式天线对人体的安全性[8]。法国格勒诺布尔大学提出了一种基于磁矢量势插值的体积积分方法，用于求解无线传输场量的静磁问题[9]。日本广岛大学研究了无线胶囊内窥镜对人的辐射问题，仿真计算了人类皮肤、脂肪等组织的比吸收率，证明了体内胶囊辐射剂量的安全性[10]。名古屋大学研究了无线供电可穿戴设备的电磁干扰问题[11]。华南理工大学总结了动物实验、三维模型等研究方法[12]。高通公司设计出一个无线电能接收系统，频率为 60 GHz，可以为智能电子设备提供 1 mW 的电力，同时对人体无显著影响[13]。天津工业大学分析了设计的磁屏蔽系统对传输效率影响的机制，设计了自激推挽式磁耦合无线电能传输装置磁屏蔽结构，还研究了电动汽车无线充电空间对大鼠血常规、血生化的影响[14-15]。河北工业大学对无线充电可穿戴电子设备电磁安全进行了仿真研究，实验结果证明对人体没有影响[16]。
大量研究表明机体暴露在一定的电磁环境下，电磁场会对机体产生一定的影响[17-18]。主要研究的方向包括电磁场的致癌作用、生殖毒性和对神经系统、内分泌系统的危害，同时也涉及到记忆行为的研究。无线电能传输的生物实验较少，更缺乏动物行为学相关的研究，基于这一研究现状，本文探究了小功率无线电能传输系统对小鼠的记忆行为和部分生理特性的影响。本实验搭建小功率无线电能传输实验平台，接收功率为 25 W，谐振频率为 47 kHz，发射与接收线圈相距 20 cm。此功率满足我国现阶段小型家用电器功率，符合实际情况。实验时在无线电能传输充电空间放置小鼠，小鼠每天暴露 5 h，6 天为一个周期，每个周期后用 T 形迷宫行为学实验检测小鼠的记忆能力，12 周后检测小鼠细胞因子、主要性激素和部分器官组织，判断小鼠在长时间小功率无线电能传输系统暴露状态下的生理特性是否受到影响。本实验可为无线电能传输的电磁安全问题提供一定的分析数据。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 实验动物
选取一月龄 20 只健康昆明小鼠，雌雄各半，体重 18～22 g，购买于北京维通利华实验动物技术有限公司，合格证号为 SCXK9（京）2016-0006。小鼠的生命周期较短，一月龄到三月龄是辐射最敏感的时期。20 只小鼠随机分为四组：a：对照组雌性 5 只；b：实验组雌性 5 只；c：对照组雄性 5 只；d：实验组雄性 5 只。小鼠分笼饲养，恒温条件 26℃，遵循自由环境的明暗变化规则，尽量保证小鼠外部环境相同，实验期间小鼠自由进食。本次实验已通过河北工业大学生物医学伦理委员会审查，伦理审查编号为 HEBUTaCUC2019003。
1.1.2 主要试剂和仪器
流式细胞仪（BD LSR2，Becton，Dickinson and Company，美国）；全自动生化分析仪（HITACH7200，日立公司，日本）；高速离心机（JIDI-4D-WS，广州吉迪仪器有限公司，中国广州）；免疫因子和性激素试剂盒（E-EL-M0044C 等，欣博盛生物科技有限公司，中国深圳）；光学显微镜（BD 900，Becton Dickinson and Company，美国）；酶标仪（JC-1181，Sigma-Aldrich Company，美国）；三维电磁辐射检测仪（ESM 100，Maschek Elektronik，德国）。
1.2 方法
1.2.1 实验装置
实验采用磁耦合谐振式无线电能传输装置，高频电源向发射线圈输出高频交变电流，在磁耦合谐振下发射线圈与接收线圈发生耦合谐振，从而实现电能从发射端到接收端的高效无线传输，发射端与接收端分别带有功率表，用于检测两线圈的功率大小。系统工作时旋转功率旋钮，接收端功率为（25 ± 0.5）W，电磁谐振频率为 47 kHz，发射线圈与接收线圈为边长 32 cm 的正方形基板，线圈材料为定制的利兹线，线圈间距 20 cm，利用三维电磁辐射检测仪测量电磁环境，测得小鼠活动范围内的磁感应强度最小值为 88.3 μT，最大值为 537.3 μT，统计分析小鼠活动范围磁感应强度平均值为 272.5 μT，实验系统如图 1 所示。
图1
无线电能传输系统暴露实验
Figure1.
Wireless power transfer system exposure experiment
1.2.2 实验设计
本实验的实验周期为 3 个月。实验过程分为以下几个步骤：
（1）新环境熟悉性训练：图 2 为所使用的食物多选择参数 T 形迷宫。在 T 型迷宫的三个末端摆放一个食槽，再在迷宫中段固定处摆放 3 个食槽，共 6 个食槽。实验前小鼠禁食 24 h，将食槽编上序号，各食槽装上少量食物，使每只食槽均残留食物的气味，以降低食物气味对老鼠的诱导性。实验时只在主臂① 号、中端③ 号和左臂④ 号食槽处放入少量食物，在主臂中部放入一只小鼠，让其自由进食，吃完食物或 15 min 后取出，清理迷宫后再放入下一只小鼠，以此类推。本步骤每天一次，连续 7 天。该步骤是为了让小鼠建立初始的对 T 形迷宫的空间参考记忆能力。
图2
多选择性 T 形迷宫
Figure2.
Multi-selective T-shaped maze
（2）暴露实验：每天 9 点开启无线电能传输装置，调整线圈间距，调节功率旋钮，待接收端功率达到（25 ± 0.5）W，将 b、d 实验组小鼠放置于两线圈间中心位置，每天定时暴露 5 h，共 6 天。由于线圈规格较小，两个鼠箱重叠，第一天雌鼠笼放置在下方，雄鼠笼在上方，第二天两鼠笼交换放置，第三天再次交换上下位置，以此类推，实验期间照常给小鼠供应食物和水。对照组小鼠在正常环境中进行常规饲养。
（3）适应能力测试：将小鼠禁食 24 h，单只小鼠置于 T 形迷宫主臂中部，在其迷宫固定主臂① 号、中端③ 号和左臂④ 号食槽分别放入少量食物，让小鼠自行寻找食物，吃完食物或 10 min 取出，记录小鼠在各食槽寻食的先后顺序，结束单只小鼠训练，清理迷宫后放入下一只小鼠，同样记录其顺序，以此类推。迷宫适应能力测试指标：
寻食总次数：小鼠触嗅食槽记为一次寻食，在实验时间内总的寻食次数；
总正确次数：小鼠触嗅有食物的食槽记为一次寻食，在实验时间内总的寻食次数；
进食次数：小鼠在一个食槽内进食记为一次，实验时间内总的进食次数；
小鼠首次错误寻食前正确次数：小鼠第一次在没有食物的食槽内触嗅食物之前的次数；
小鼠二次错误寻食前正确次数：小鼠第二次在没有食物的食槽内触嗅食物之前的次数；
正确寻食率：总正确次数/寻食总次数 × 100%；
进食率：进食次数/寻食总次数 × 100%。
重复第（2）（3）步骤（即暴露 − 测试），连续时间为 12 周。
1.2.3 测定各免疫因子与睾酮、孕酮含量
实验结束后对小鼠分别进行眼球静脉丛取血，颈椎脱臼处死小鼠，血液置于抗凝管，离心机 3 500 r/min、10 min 离心后得到血清，分装后储存于 − 20℃ 冰箱，实验时将血清样本进行不同倍数稀释，通过预实验，确定血清样本的稀释倍数，然后进行正式测量。严格按照 ELISA 试剂盒说明书测定血清中免疫因子［肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白介素-6（interleukin 6，IL-6）、白细胞介素-1β（interleukin-1 beta，IL-1β）］和睾酮、孕酮含量。
1.2.4 观察各器官结构
在无菌工作室中解剖小鼠，分离心脏、肝脏等器官，剪去器官周围结缔组织，采用苏木精-伊红（hematoxylin-eosin，HE）染色法，经过脱水、浸蜡、包埋、切片等步骤，在光学显微镜下放大 10 倍观察各器官结构。
1.3 统计学分析
数据采用 SPSS 15.0 软件方差分析来评价相同暴露时间下不同组测量的正确寻食率、进食率、小鼠首次错误寻食前正确次数和小鼠二次错误寻食前正确次数的差异，数据采用均数 ± 标准差形式，P < 0.05 表示差异有统计学意义。
2 结果
2.1 对小鼠记忆行为的影响
在本次行为实验中，小鼠的记忆在新环境熟悉性训练阶段开始建立，最初小鼠正确寻食率低于 30%，随着训练次数增加，在新环境熟悉性训练结束后所有小鼠正确寻食率均达到 60% 以上，进食率逐步增加并达到稳定，说明实验中已建立了小鼠的记忆能力，所有小鼠熟悉性训练均达到实验要求。从处理 12 周内进行适应能力测试的数据中，发现无论雌性还是雄性小鼠，与对照组相比，每个暴露周期后的正确寻食率、进食率、首次错误寻食前正确次数和二次错误寻食前正确次数均不具有统计学差异（P > 0.05）。图 3 为各组小鼠正确寻食率和进食率情况，表 1 为对照组和实验组小鼠的首次错误寻食前正确次数和小鼠二次错误寻食前正确次数。实验证明小鼠的的记忆行为没有随着暴露时间的增加发生明显的变化。
表1
小鼠首次、二次错误寻食前正确次数
Table1.
The correct numbers before the first and second error feeding of mice
图3
暴露期间小鼠正确寻食率、进食率百分比
Figure3.
Percentage of correct seeking and eating of mice during exposure
2.2 对小鼠血清中免疫因子的影响
从图 4 中可以看出，实验组小鼠血清中免疫因子 TNF-α、IL-6 和 IL-1β 浓度都有显著提高，差异具有统计学意义（P < 0.05）。说明本实验长时间无线电能传输空间暴露会引起小鼠血清中 TNF-α、IL-6 和 IL-1β 含量增加。
图4
无线电能传输系统对各免疫因子的影响（*P < 0.05）
Figure4.
Effect of wireless power transfer system on immune factors (*P < 0.05)
2.3 对小鼠性激素的影响
实验结果表明，实验组雌性小鼠血清中孕酮含量降低，与对照组相比下降了 16% 左右，实验组雄性小鼠血清中睾酮含量降低，但差异均无统计学意义（P > 0.05），如图 5 所示，说明小鼠性激素可能有下降的趋势。
图5
无线电能传输系统对性激素的影响
Figure5.
Effect of wireless power transfer systemon sex hormone
2.4 对小鼠器官结构的影响
如图 6 所示，实验组雌雄小鼠心脏组织细胞排列整齐，结构清晰，无明显的损伤现象。如图 7 所示，雌性小鼠无明显的肝损伤现象，而雄性小鼠出现肝细胞水肿（4/5）。如图 8 所示，雌性小鼠胸腺结构小体结构完整，呈现圆形或卵圆形，胸腺细胞无明显差异，而部分实验组雄性小鼠胸腺细胞髓质面积增大（1/5），其他的雄性小鼠胸腺均正常。如图 9 所示，雌性实验组小鼠脾脏少量间质增加，排列疏松（4/5），雄性实验组小鼠则无明显的脾脏损伤现象，说明无线电能传输系统可能对雌性小鼠脾脏有一定影响。如图 10 所示，部分实验组小鼠卵巢缩小，可能呈多囊化改变（2/5）。如图 11 所示，实验组小鼠睾丸生精小管界膜完整，睾丸细胞核仁清楚，胞质丰富，形状大多无变化，但观察到部分细胞间隙增大，出现细胞边界模糊和细胞腺体缩小（4/5），提示无线电能传输系统可能对雄性小鼠睾丸有一定影响。
图6
无线电能传输系统对心脏组织的影响（标尺为 100 μm）
Figure6.
Effect of wireless power transfer system on heart tissue（scalar bar with 100 μm）
图7
无线电能传输系统对肝脏细胞的影响（标尺为 100 μm）
Figure7.
Effect of wireless power transfer system on hepatocytes（scalar bar with 100 μm）
图8
无线电能传输系统对胸腺细胞的影响（标尺为 100 μm）
Figure8.
Effect of wireless power transfer system on thymocytes（scalar bar with 100 μm）
图9
无线电能传输系统对脾脏细胞的影响（标尺为 100 μm）
Figure9.
Effect of wireless power transfer system on spleen cells（scalar bar with 100 μm）
图10
无线电能传输系统对卵巢细胞的影响（标尺为 100 μm）
Figure10.
Effect of wireless power transfer system on ovarian cells（scalar bar with 100 μm）
图11
无线电能传输系统对睾丸结构的影响（标尺为 100 μm）
Figure11.
Effect of wireless power transfer system on testis（scalar bar with 100 μm）
3 讨论
电磁辐射对机体认知能力的影响与磁场强度和暴露时长相关[19]。早期体征常常表现为行为异常而不是神经组织结构异常，记忆行为已成为评估危害神经和大脑的敏感指标。本实验将小鼠正确寻食率用于判断小鼠工作记忆能力，首次错误寻食前正确次数与二次错误寻食前正确次数用于判定小鼠参考记忆能力。实验表明，小鼠的工作记忆能力、参考记忆能力均没有随着暴露时间的增加而出现变化，说明小鼠的记忆没有受到无线电能传输系统的影响。
低剂量电磁辐射可促进免疫细胞表达，使巨噬细胞分泌更多免疫因子 IL-1β，从而促进细胞的免疫活性，而在高剂量辐射状态下，细胞的免疫活性受到抑制，从而降低机体的免疫能力[20]。胸腺、脾脏是多数免疫细胞生成或发育的重要场所，免疫因子 TNF-α、IL-6、IL-1β 广泛参与了组织破坏、水肿形成等多种病理损伤过程。与对照组相比，实验小鼠的 TNF-α、IL-6、IL-1β 含量均增加，差异具有统计学意义（P < 0.05）。临床上体表损伤、体内感染、血液肿瘤疾病患者均有血清 IL-6 水平明显升高的现象，发热、休克、恶病质等也会出现 TNF-α 过量，而本实验不能推测小鼠体内出现此类情况，只能说明电磁暴露激发了小鼠免疫应答。实验组雌性小鼠脾脏细胞间质增加，排列疏松，雄性小鼠无明显异常现象，可能是由于雄性小鼠的脾脏自我修复能力较好。本研究还发现，实验组一些雄性小鼠胸腺髓质面积增大，这与文献[21]中小鼠在连续 30 天的微波辐射暴露（功率密度 5、15 mW/cm2，每天 1 h）后胸腺结构小体增多的结果相似。总体情况上看，实验组雌雄小鼠免疫功能均受到无线电能传输系统的影响。
电磁辐射对生殖器官、心脏等方面也会产生影响。睾丸和卵巢分别对雄性和雌性生殖系统的功能完整有着重要意义，其形态的改变可能引起生殖系统功能异常。秦粉菊[22]将 SD 大鼠置于 900 MHz、（0.66 ± 0.01）W/kg 电磁环境下，每天暴露 2 h，连续 50 天，发现大鼠的精子质量下降，细胞内活性氧簇含量降低，细胞凋亡加快。本实验检测生殖器官时，发现雄性睾酮、雌性孕酮含量下降，但与对照组的差异无统计学意义（P > 0.05）；雄性睾丸细胞间隙增大，部分细胞边界模糊和细胞腺体缩小，部分雌性卵巢缩小，可能呈多囊化改变，推测电磁辐射对小鼠生殖系统的作用机制可能与生殖细胞氧化损伤有关。本实验在解剖实验小鼠的心脏、肝脏的结构中，发现雄性肝脏组织有一定的水肿，推测小鼠在长时间低磁感应强度下肝脏细胞也出现氧化损伤。
本文以小鼠作为实验对象，研究了小功率无线电能传输系统对小鼠记忆行为和部分生理特性的影响，虽然相对正常小鼠来说，实验小鼠出现一些器官结构改变，但并未发现实验小鼠出现病态和任何异常的行为。本实验暴露周期为 12 周，短时间内小鼠机体免疫是否能自动修复损伤，以及更长时间的暴露是否对小鼠有更大的危害，这还需进一步验证。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
