Магнитное чувство человека опосредовано резонансом света и магнитного поля.
Jun 01, 2024Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8997 (2022) Цитировать эту статью
13 тысяч доступов
4 цитаты
60 Альтметрика
Подробности о метриках
Многие организмы используют магнитное поле Земли как сенсорный сигнал для миграции, выравнивания тела или поиска пищи. Несмотря на некоторые противоречивые сообщения, общепринято считать, что люди не ощущают геомагнитное поле. Здесь мы демонстрируем, что механизм резонанса магнитного поля обеспечивает светозависимую магнитную ориентацию у мужчин, используя эксперимент с вращающимся креслом в сочетании с парадигмой двухальтернативного принудительного выбора. Две группы испытуемых были классифицированы с различными тенденциями магнитной ориентации в зависимости от пищевого контекста. Магнитная ориентация испытуемых была чувствительна к длине волны падающего света и критически зависела от синего света, достигающего глаз. Важно отметить, что, по-видимому, эти реакции опосредованы механизмом, зависящим от резонанса магнитного поля, о чем свидетельствует нарушение или усиление способности ориентироваться с помощью радиочастотных магнитных полей на ларморовской частоте и зависимость этих эффектов от угла между радиочастотным и геомагнитным полями. . Кроме того, инверсия вертикальной компоненты геомагнитного поля выявила неканонический эффект наклона компаса на магнитную ориентацию. Эти результаты подтверждают существование человеческого магнитного чувства и предполагают лежащий в основе квантово-механический механизм магниторецепции.
Многочисленные организмы широкого спектра таксонов, включая птиц, морских черепах, рептилий, насекомых, магнитотактические бактерии и растения, используют геомагнитное поле (ГМП) в качестве сенсорного сигнала для миграции1,2,3,4, перемещения на короткие расстояния5 ,6,7, выравнивание тела8,9,10, поиск пищи6,7 или рост (растения)11, в зависимости от вида и биологического контекста. Информация как о магнитном компасе2,12, так и о магнитной карте3,13 может быть получена из ГМП; первое важно для разнообразного магниточувствительного поведения5,6,7,8,9,10,12,14,15. Компас наклона12,16 или полярности17,18 может предоставлять животным информацию о направлении посредством контрастирующих механизмов: светозависимых радикальных пар19,20,21 в криптохромных флавопротеинах в глазах птиц20,21 и светонезависимого железосодержащего биогенного магнетита в бактериях или решетчатая кость лосося14,22. Считается, что индуцированные светом радикальные пары, состоящие из радикала флавинадениндинуклеотида (FAD) и радикала триптофана, в криптохромах действуют как датчик магнитного компаса у перелетных птиц посредством квантово-механического механизма20,21,23. У этих видов компас наклона активируется синим или зеленым светом24 и нарушается красным светом25, что указывает на то, что разные длины волн играют разную роль в поведении, опосредованном радикальными парами21.
Исследования магниторецепции у людей очень ограничены. Широко признано, что статическое магнитное поле Земли не ощущается людьми, в то время как переменные магнитные поля, такие как поля промышленной частоты26 и импульсные поля27, могут иметь неблагоприятные последствия для здоровья и иметь терапевтическое применение соответственно. После предыдущих противоречивых сообщений28,29,30 два недавних исследования с использованием различных экспериментальных подходов подтверждают существование реакций GMF у людей31,32 с резким контрастом. В эксперименте с вращающимся стулом голодающие мужчины, но не женщины, смогли ориентироваться в зависимости от синего света в определенном магнитном направлении, которое ранее было связано с пищей в окружающем GMF31. Это исследование предполагает, что магниторецепторы находятся в глазах, но не демонстрирует основной сенсорный механизм. Напротив, электроэнцефалография показала, что снижение активности альфа-волн мозга происходило у некоторых людей в условиях темноты32. Наблюдаемая чувствительность к полярности приложенных магнитных полей предполагает механизм, основанный на магнетите. Однако до сих пор само существование человеческого магнетического чувства и какой-либо лежащий в его основе механизм далеки от ясности.
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>
Отправить запрос
Отправлять
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어
