Ukrainian Journal of Physical Optics 

Supplement 1, 2010

Home page

Other articles 

in this supplement
Magnetic biominerals localised in brain tissue: anomalous properties, possible 
functional role and synthetic analogues

(download full version)

Brik A. B.

Anomalous properties of biogenic magnetic minerals localised in human and animal brain tissues are described. The experiments are performed using a ferri-magnetic resonance technique. It is shown that the ferrimagnetic resonance sig-nals caused by physiogenic and pathogenic magnetic biominerals can be detected in the brain tissues. When the microwave power exceeds a critical value (~ 80 mW), physiogenic magnetically ordered nanoparticles demonstrate a pres-ence of unique dynamic effects. To our opinion, these effects are associated with transitions of the biogenic magnetic nanoparticles to macroscopic quantum states, which manifest themselves at the room temperature. It is supposed that the physiogenic magnetic biominerals play an important role in the brain functions, while the pathogenic biominerals cause brain diseases. We describe the main principles for development of technologies aimed at creation of synthetic materi-als with the macroscopic quantum effects occurring at the room temperature. Possible applications of our results for solution of fundamental and applied prob-lems are analysed.

Keywords: magnetic biominerals, ferrimagnetic resonance, brain, nanoparticles

UDC: 549.5/.7.08 : 543.429.22 : 537.622.5/.6
Ukr. J. Phys. Opt. 11, Suppl.1, S46-S61   doi: 10.3116/16091833/11/2/S46/2010
Received: 03.03.2010

Анотація. Описано аномальні властивості біогенних магнітних мінералів, локалізованих у тканинах мозку людини та тварин. Експерименти виконано за допомогою ферімагнітного резонансу. Показано, що в тканинах мозку можна зареєструвати сигнали ферімагнітного резонансу, обумовлені і фізіогенними, і патогенними біомінералами. Якщо мікрохвильова потужність перевищує критичне значення ( 80 мВт), то фізіогенні магнітовпорядковані наночастинки виявляють унікальні динамічні ефекти. Ми вважаємо, що ці ефекти пов’язані з переходом біогенних магнітних наночастинок до макроскопічних квантових станів за кімнатної температури. Зроблено припущення, що фізіогенні магнітні біомінера-ли відіграють важливу роль у функціонуванні мозку, а патогенні біомінерали є причиною захворювань мозку. Описано основні принципи розробки технологій створення синтетичних матеріалів з макроскопічними квантовими ефектами за кімнатної температури. Проведе-но аналіз можливого використання одержаних результатів у вирішенні фундаментальних і прикладних проблем.


  1. Pavlyshyn V I, Matkovsky O I and Dovgyj S O. Genesis of minerals: Textbook. Kyiv: PPC “Kyiv University” (2003). 
  2. Yushkin N P, Pavlyshyn V I and Askhabov A M, 2003. Ultra-disperse state of min-eral matter and problems of nanomineralogy. Mineral. Zhurn. 25: 7–31. 
  3. Korrago A A. Introduction to biomineralogy. St.-Petersburg: Nedra Press (1992). 
  4. Lowenstam H A and Weiner S, On biomineralization. New York, Oxford: Oxford University Press (1989). 
  5. Driessens F C M and Verbeeck R M H. Biominerals. Boston: Boca Raton, CRC Press (1990). 
  6. Shpak A P, Brik A B, Karbovskiy V L and Rozenfeld L G, 2003. Properties of nano-scale particles on the basis of metals localized into biological tissues. Progr. Metal. Phys. 4: 303−336. 
  7. Kirschvink J L, Kobayashi-Kisrchvink A and Woodford B J, 1992. Magnetite biomineralization in the human brain. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 89: 7683−7687. doi:10.1073/pnas.89.16.7683
  8. Brik A B, 2002. Anomalous signals registered by EPR spectrometer in nanoscale particles of organic and mineral components of biominerals. Mineralog. Zhurn. 24: 29−39. 
  9. Brik A B, 2003. Angular dependencies of anomalous signals registered by EPR spectrometer in mineralized biological tissues. Mineralog. Zhurn. 25: 11−21. 
  10. Blumenfeld L A, 1963. About ferromagnetism of organic structures. Doklady Akad. Nauk. 148: 361–364. 
  11. Kirschvink J L, Jones D S and MacFadden B J, Magnetite biomineralization and magnetoreception in organisms. A new biomagnetism. New York; London: Plenum Press (1985). 
  12. Shpak A P, Brik A B, Dudchenko N O, Ponomarenko O M, Karbovskiy V L, Ivanit-skiy V P and Razumov O M, 2010. Properties of nanoscale magnetically ordered particles of iron oxides and hydroxides, synthesized by different technologies. Mineralog. Zhurn., 32: 5–13. 
  13. Blakemore R P, 1975. Magnetotactic bacteria. Science. 19: 377–379. doi:10.1126/science.170679PMid:170679
  14. Commoner B, Woolum J C and Larson E, 1969. Electron spin resonance in injured nerve. Science. 165: 703–704. doi:10.1126/science.165.3894.703PMid:4307422
  15. Kopp R E, Nash C Z, Kobayashi A, Weiss B P, Bazylinski D A and Kirshvink J L, 2006. Ferromagnetic resonance spectroscopy for assessment of magnetic anisotropy and magnetostatic interactions: A case study of mutant magnetotactic bacteria. J. Geophys. Res. 111: 1–15. doi:10.1029/2006JB004529
  16. Milvy P, Kakari S, Campbell J B and Demopoulos H B, 1976. Paramagnetic species and radical products in cat spinal cord. Annals New York Acad. Sci., 222: 1102–1111. doi:10.1111/j.1749-6632.1973.tb15327.xPMid:4361851
  17. Srebro Z, Froncize W, Sarna T and Lukiewicz S, Atypical magnetic properties of compounds detected in the central nervous system by the ESR method. In: Proc. 1st European Biophys. Congress (1971), 2: 575–579. 
  18. Sarna T, Froncisz W, Srebro Z and Lukiewicz S, 1970, Microcrystalline compaunds detectable in brain tissue by the electron spin resonance method. Folia Histochemica et Cytochemica. 8: 357−368. 
  19. Weiss B P, Kim S S and Kirschvink J L, 2004. Ferromagnetic resonance and low-temperature magnetic tests for biogenic magnetite. Earth and Planetary Sci. Lett. 224: 73– 89. doi:10.1016/j.epsl.2004.04.024
  20. Vonsovskiy S V. Ferromagnetic resonance. Moscow: GIPML (1961).
  21. 21. Barone A. and Paterno G. Physics and applications of the Josephson effect. New York, Singapore: John Wiley and Sons (1982). doi:10.1002/352760278X
  22. Licharev K K. Introduction in the dynamic of Josephson transitions. Moscow: Nauka (1985). 
  23. Schmidt V V, Introduction to physics of superconductors. Moscow: Nauka (1982). 
  24. Brik A B and Brik V B, 1998. Mechanisms of diffusion in biominerals and bone demineralization during space flights. Mineralog. Zhurn., 20: 46−61. 
  25. Squire L R, 2004, Memory systems of the brain: a brief history and current perspec-tive. Neurobiology of learning and memory, 82: 171−177. doi:10.1016/j.nlm.2004.06.005 PMid:15464402
  26. Landau L D and Lifshitz E M. Electrodynamics of continuous media. Moscow: Nauka (1982). 
  27. Baryakhtar V G, Lvov V A and Yablonskiy D A, 1983. Theory of inhomogenous magneto-electric effect. Pisma Zhurn. Eksp. Teor. Fiz., 37: 565−567. 
  28. Brik A B, 1994. Magnetoelectric tunnel effects in paramagnets. Ferroelectrics. 161: 59−63. doi: 10.1080/00150199408213353
  29. Chupis I E, 1994, Surface linear magnetoelectric effect. Ferroelectrics. 161: 287 −294. doi: 10.1080/00150199408213377
  30. Basylinsky D A and Frankel R B, 2003. Biologically controlled mineralization in prokaryotes. Rev. Mineral. Geochem. 54: 217—247.doi:10.2113/0540217
  31. Laurent S, Forge D and Port M, 2008. Magnetic iron oxide nanoparticles: synthesis, stabilization, vectorization, physicochemical characterizations, and biological appli-cations. Chem. Rev. 108: 2064−2110. doi:10.1021/cr068445e PMid:18543879 
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics