O sentido magnético humano é mediado por uma ressonância de luz e campo magnético
Jul 23, 2023Scientific Reports volume 12, Artigo número: 8997 (2022) Citar este artigo
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Numerosos organismos usam o campo magnético da Terra como uma dica sensorial para migração, alinhamento corporal ou busca de alimento. Apesar de alguns relatos contraditórios, é geralmente aceito que os humanos não sentem o campo geomagnético. Aqui, demonstramos que um mecanismo de ressonância de campo magnético medeia a orientação magnética dependente da luz em homens, usando um experimento de cadeira rotativa combinado com um paradigma de escolha forçada de duas alternativas. Dois grupos de sujeitos foram classificados com diferentes tendências de orientação magnética dependendo do contexto alimentar. A orientação magnética dos sujeitos era sensível ao comprimento de onda da luz incidente e dependia criticamente da luz azul que atingia os olhos. É importante ressaltar que parece que um mecanismo dependente da ressonância do campo magnético medeia essas respostas, como evidenciado pela interrupção ou aumento da capacidade de orientação por campos magnéticos de radiofrequência na frequência de Larmor e pela dependência desses efeitos no ângulo entre a radiofrequência e os campos geomagnéticos . Além disso, a inversão da componente vertical do campo geomagnético revelou um efeito não canônico da bússola de inclinação na orientação magnética. Estes resultados estabelecem a existência de um sentido magnético humano e sugerem um mecanismo de magnetorecepção mecânica quântica subjacente.
Numerosos organismos, numa ampla gama de táxons, incluindo aves, tartarugas marinhas, répteis, insetos, bactérias magnetotáticas e plantas, utilizam o campo geomagnético (GMF) como uma sugestão sensorial para migração1,2,3,4, movimento de curta distância5 ,6,7, alinhamento corporal8,9,10, busca por alimento6,7 ou crescimento (plantas)11, dependendo da espécie e do contexto biológico. Tanto as informações da bússola magnética2,12 quanto do mapa magnético3,13 podem ser derivadas do GMF; sendo o primeiro essencial para uma variedade de comportamentos magneticamente sensíveis5,6,7,8,9,10,12,14,15. Uma inclinação12,16 ou bússola de polaridade17,18 pode fornecer aos animais informações direcionais por meio de mecanismos contrastantes: pares de radicais dependentes de luz19,20,21 em flavoproteínas criptocromo nos olhos de pássaros20,21 e magnetita biogênica contendo ferro independente de luz em bactérias ou o osso etmóide do salmão14,22. Pensa-se que pares de radicais induzidos pela luz, compostos por um radical flavina adenina dinucleotídeo (FAD) e um radical triptofano, em criptocromos atuam como sensor de bússola magnética em aves migratórias através de um mecanismo mecânico quântico . Nessas espécies, a bússola de inclinação é ativada pela luz azul ou verde e interrompida pela luz vermelha, indicando que diferentes comprimentos de onda desempenham papéis diferentes em comportamentos radicais mediados por pares .
A pesquisa sobre magnetorecepção em humanos é muito limitada. É amplamente aceite que o campo magnético estático da Terra não é sentido pelos seres humanos, enquanto campos magnéticos alternados, tais como campos de frequência de energia26 e campos pulsados27, podem ter efeitos adversos para a saúde e aplicações terapêuticas, respetivamente. Seguindo relatórios controversos anteriores28,29,30, dois estudos recentes, utilizando diferentes abordagens experimentais, apoiam a existência de respostas ao GMF em humanos31,32 com um nítido contraste. Numa experiência de cadeira rotativa, homens famintos, mas não mulheres, foram capazes de se orientar de uma forma dependente da luz azul para uma direcção magnética específica que tinha sido anteriormente associada à comida no ambiente GMF31. Este estudo sugere que os magnetorreceptores estão nos olhos, mas não demonstra o mecanismo sensorial subjacente. Em contraste, a eletroencefalografia mostrou que ocorreu uma diminuição na atividade das ondas cerebrais alfa em alguns indivíduos humanos sob condições de escuridão32. A sensibilidade observada à polaridade dos campos magnéticos aplicados implicou um mecanismo baseado em magnetita. No entanto, até agora, a existência de um sentido magnético humano e de qualquer mecanismo subjacente está longe de ser clara.
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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