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人間の磁気感覚は光と磁場の共鳴によって媒介される

Jul 23, 2023Jul 23, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8997 (2022) この記事を引用

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60 オルトメトリック

メトリクスの詳細

多くの生物が、地球の磁場を移動、体の位置調整、または食物の探索のための感覚の合図として使用します。 いくつかの矛盾した報告にもかかわらず、人間は地磁気を感知しないことが一般に受け入れられています。 今回我々は、回転椅子の実験と二者択一の強制選択パラダイムを組み合わせて、磁場共鳴機構が男性の光依存性磁気配向を媒介していることを実証する。 被験者の 2 つのグループは、食事の状況に応じて異なる磁気配向傾向で分類されました。 被験者の磁気の向きは入射光の波長に敏感であり、目に届く青色光に大きく依存していました。 重要なのは、ラーモア周波数の高周波磁場による配向能力の破壊または増強、および高周波と地磁気の角度に対するこれらの効果の依存性によって証明されるように、磁場共鳴依存機構がこれらの応答を媒介しているようであることである。 。 さらに、地磁気の垂直成分の反転により、磁気方位に対する非正準的な傾斜コンパス効果が明らかになりました。 これらの結果は、人間の磁気感覚の存在を確立し、根底にある量子力学的磁気受信メカニズムを示唆しています。

鳥、ウミガメ、爬虫類、昆虫、走磁性細菌、植物を含む幅広い分類群の多くの生物は、移動1、2、3、4、短距離移動5の感覚信号として地磁気（GMF）を使用しています。種と生物学的状況に応じて、6、7、体の調整8、9、10、食物の探索6、7、または成長（植物）11。 磁気コンパス 2、12 と磁気地図 3、13 の情報は両方とも GMF から取得できます。 前者は、磁気に敏感なさまざまな動作に不可欠です5、6、7、8、9、10、12、14、15。 傾き 12,16 または極性コンパス 17,18 は、対照的なメカニズムによって動物に方向情報を提供する可能性があります。鳥の目のクリプトクロームフラボタンパク質の光依存性ラジカルペア 19,20,21 20,21 と、細菌や細菌の光非依存性鉄含有生体磁鉄鉱です。サケの篩骨14,22。 クリプトクロム中のフラビン・アデニン・ジヌクレオチド（FAD）ラジカルとトリプトファン・ラジカルで構成される光誘起ラジカル対は、量子力学的機構を通じて渡り鳥の磁気コンパスセンサーとして機能すると考えられています20、21、23。 これらの種では、傾斜コンパスは青色または緑色の光によって活性化され 24、赤色光によって破壊されます 25。これは、異なる波長がラジカルペア媒介の行動において異なる役割を果たすことを示しています 21。

人間の磁気受信に関する研究は非常に限られています。 地球の静磁場は人間には感知されないが、電力周波数磁場 26 やパルス磁場 27 などの交流磁場は、それぞれ健康に悪影響を及ぼし、治療用途に悪影響を与える可能性があることは広く受け入れられています。 以前の物議を醸した報告 28、29、30 に続いて、異なる実験アプローチを使用した 2 つの最近の研究が、ヒトにおける GMF 応答の存在を明確な対照をもって支持しています 31、32。 回転椅子の実験では、飢餓に陥った男性は、女性ではなく、青色光に依存して、周囲のGMF31内の食物と以前から関連付けられていた特定の磁気方向に向かうことができた。 この研究は、磁気受容体が目にあることを示唆していますが、根底にある感覚メカニズムは実証されていません。 対照的に、脳波検査では、暗闇の条件下では一部の被験者でアルファ脳波活動の低下が発生することが示されました 32。 印加された磁場の極性に対する観察された感度は、磁鉄鉱ベースのメカニズムを暗示しています。 しかし、これまでのところ、人間の磁気感覚そのものの存在やその根底にあるメカニズムは明らかではありません。

 400 nm but not > 500 nm light conditions, a majority of subjects showed significantly correct magnetic orientations with food-association, whereas the remaining did not. In an attempt to objectively cluster the subjects in the present study, principal component analysis36,37 of data recorded for starved subjects with and without food-association under the full wavelength and > 400 nm light conditions as shown in Fig. 2A,C, produced two subject groups (Fig. 1C). The results shown in Fig. 1B are consistent with a reanalysis of relevant data from our previous study31 (Fig. S3) and indicate that starved men with food-association were clustered into two groups; one group that showed significant GMF-orientation toward modulated magnetic north on the magnetic north–south axis, and one that did not. By contrast, when the subjects were normally fed (Table S2), Group 1 but not Group 2 showed a significant decrease in correct orientation rate with food-association (Fig. 1D). Subjects were then tested to identify modulated magnetic north randomly set on the true magnetic east–west axis. Similar to the results in Fig. 1B, the orientation rate with food-association increased in Group 1 and decreased in Group 2, compared to no-association with starvation (Fig. S4, Table S2). In our previous study, the ambient GMF was thought to be an unconditioned stimulus during the association phase31. Therefore, we examined whether sensing the ambient GMF during association was necessary for correct magnetic orientation on the magnetic north–south axis, as shown in Fig. 1B. Under a near-zero GMF condition during the association phase, neither starved group demonstrated a significant difference in correct orientation rate with and without food association (Fig. 1E), indicating that sensing the ambient GMF prior to the test was necessary for correct magnetic orientation in both groups. These results show that there are two groups with different magnetic sensitivity in ambient GMF-orientation, depending on the food context./p> 0.9750 (confidence interval, − 0.2170, − 0.0820) for the data of no-association and food-association in Group 1, and 1.0000 > 0.9750 (confidence interval, − 0.0801, 0.0786) for the data of no-association in Group 1 and Group 2 by a percentile bootstrap analysis (see Fig. S2); horizontal dashed lines, 0.5 for correct orientation rate; error bars, standard error of the mean (SEM)./p> 350 nm light were the same as those in Fig. 1, B or D. Data points connected by straight lines and dashed lines were obtained from food-association and no-association, respectively. §, P < 0.05 by one-sample t-test; *, P < 0.05; ***, P < 0.005; *****, P < 0.0005; and n.s., not significant by paired sample t-test between the corresponding data from food- and no-association; #, P < 0.01 by paired sample t-test between the data from > 400 nm and > 500 nm in food-association. (E) Correct magnetic orientation rate with the different light conditions in Group 1 starved. §, P < 0.05 by one-sample t-test; *, P < 0.05; and n.s., not significant by paired sample t-test; †, significant between the data from > 350 nm and > 400 nm in no-association; N. S., not significant by a percentile bootstrap analysis (see Appendixes S1 and S2); horizontal dashed lines, 0.5 for correct orientation rate; error bars, standard error of the mean (SEM). Group 1, n = 20 and Group 2, n = 14./p> 400 nm light, while the orientation rates were dramatically reversed under > 500 nm light (Fig. 2A). This result indicates that UV-A–blue (350–500 nm) and green (500–570 nm) light are either necessary for, or inhibit, correct magnetic orientation and that these effects occur in different directions for the two wavelength ranges depending on the association conditions. This finding is reminiscent of the antagonistic effect of < 450 nm and > 500 nm light on magnetic orientation in newts and flies38. The unstarved Group 1 subjects showed a low orientation rate under > 400 nm light with no-association, suggesting that UV-A light (350–400 nm) was helpful for correct orientation under the full wavelength whereas blue light (400–500 nm) decreased the orientation rate (Fig. 2B). By contrast, Group 2 subjects demonstrated no significant differences in orientation rate for changes of wavelength and association conditions, with or without starvation (Fig. 2C,D). However, there was a significant change in the rate for > 400 nm light compared to the full wavelength range, wherein the effect of UV-A light was not negligible and there was a notable rate under red light (> 600 nm) with food-association (Fig. 2C). There were no significant differences between orientation rates in the dark condition by association, starvation, or group, except for a slightly higher rate in starved Group 2 with food-association, indicating that light was crucial for correct magnetic orientation. To dissect the interplay among light wavelengths, blue light alone was sufficient to increase the rate in starved Group 1 subjects (Fig. 2E), suggesting that together with the data in Fig. 2A red light disrupted an increase in the rate elicited by green light, but not by blue light, with the food-association. Importantly, this result indicates that blue light plays a pivotal role in magnetic orientation by overcoming the effect of red light. In addition, UV-A light alone produced a distinct magnetic orientation profile, depending on the group and food context (Fig. S5). These results demonstrate that human geomagnetic orientation is highly sensitive to light wavelength, and that blue light plays a critical role in orientation./p> 400 nm light conditions using SPSS 23 (IBM, USA). Following the principal component analysis calculation, the k-means clustering algorithm—one of the unsupervised learning methods—was used to objectively classify the groups58. The number of groups was two, and the distance between the center of the cluster and all points was Euclidean distance. The classification boundary was marked with the perpendicular bisector from the centers of the two groups. The first two principal components accounted for a significant portion of the total variance (73.1%; PC1 = 40.8%, PC2 = 32.3%). Statistical values are presented as mean ± SEM./p>

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