인간의 자기 감각은 빛과 자기장 공명에 의해 매개됩니다.

Jul 23, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8997(2022) 이 기사 인용

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수많은 유기체가 지구 자기장을 이동, 신체 정렬 또는 먹이 탐색을 위한 감각 신호로 사용합니다. 일부 모순된 보고에도 불구하고 인간은 지자기장을 감지하지 못한다는 것이 일반적으로 받아들여지고 있습니다. 여기에서 우리는 두 가지 대안 강제 선택 패러다임과 결합된 회전 의자 실험을 사용하여 자기장 공명 메커니즘이 남성의 빛 의존 자기 방향을 중재한다는 것을 보여줍니다. 두 그룹의 피험자는 음식 상황에 따라 서로 다른 자기 방향 경향으로 분류되었습니다. 피험자의 자기 방향은 입사광의 파장에 민감했으며 눈에 도달하는 청색광에 크게 의존했습니다. 중요한 것은 자기장 공명 의존 메커니즘이 이러한 반응을 중재하는 것으로 나타납니다. 이는 Larmor 주파수에서 무선 주파수 자기장에 의한 배향 능력의 중단 또는 증가와 무선 주파수와 지자기장 사이의 각도에 대한 이러한 효과의 의존성에 의해 입증됩니다. . 더욱이, 지자기장의 수직 성분의 반전은 자기 방향에 대한 비정규적인 경사 나침반 효과를 나타냈습니다. 이러한 결과는 인간의 자기 감각의 존재를 입증하고 근본적인 양자 역학적 자기 수용 메커니즘을 제안합니다.

조류, 바다거북, 파충류, 곤충, 자기주성 박테리아, 식물 등 다양한 분류군에 걸쳐 수많은 유기체가 지자기장(GMF)을 이동1,2,3,4, 단거리 이동을 위한 감각 신호로 사용합니다5 종과 생물학적 맥락에 따라 ,6,7, 신체 정렬8,9,10, 음식 검색6,7 또는 성장(식물)11이 있습니다. 자기 나침반2,12 및 자기 지도3,13 정보는 모두 GMF에서 파생될 수 있습니다. 전자는 다양한 자기적으로 민감한 행동5,6,7,8,9,10,12,14,15에 필수적입니다. 기울기12,16 또는 극성 나침반17,18은 대조 메커니즘을 통해 동물에게 방향 정보를 제공할 수 있습니다. 새 눈의 크립토크롬 플라보단백질의 빛 의존성 라디칼 쌍19,20,21과 박테리아 또는 박테리아의 빛 독립적인 철 함유 생체 자철석20,21 연어의 사골뼈14,22. 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드(FAD) 라디칼과 트립토판 라디칼로 구성된 빛에 의해 유도된 라디칼 쌍은 양자역학적 메커니즘을 통해 철새의 자기 나침반 센서 역할을 하는 것으로 생각됩니다20,21,23. 이러한 종에서 경사 나침반은 파란색 또는 녹색 빛24에 의해 활성화되고 빨간색 빛25에 의해 중단됩니다. 이는 서로 다른 파장이 급진적인 쌍 매개 동작에서 서로 다른 역할을 한다는 것을 나타냅니다.

인간의 자기 수용에 대한 연구는 매우 제한적입니다. 지구의 정자기장은 인간이 감지할 수 없는 반면, 전력 주파수장26 및 펄스장27과 같은 교류 자기장은 각각 건강에 해로운 영향을 미치고 치료 용도로 사용될 수 있다는 것이 널리 받아들여지고 있습니다. 이전의 논란이 많은 보고서28,29,30에 이어, 서로 다른 실험적 접근법을 사용하는 두 가지 최근 연구는 뚜렷한 대조를 통해 인간31,32에서 GMF 반응의 존재를 뒷받침합니다. 회전식 의자 실험에서, 굶주린 남성은(여성은 아님) 이전에 주변 GMF31의 음식과 연관되었던 특정 자기 방향을 향해 청색광 의존 방식으로 방향을 잡을 수 있었습니다. 이 연구는 자기수용체가 눈에 있다는 것을 시사하지만 근본적인 감각 메커니즘을 보여주지는 않습니다. 대조적으로, 뇌파검사는 어둠의 조건에서 일부 인간 피험자에게서 알파 뇌파 활동의 감소가 발생했음을 보여주었습니다32. 적용된 자기장의 극성에 대해 관찰된 민감도는 자철석 기반 메커니즘을 암시합니다. 그러나 아직까지 인간의 자기 감각 자체와 그 기반이 되는 메커니즘의 존재 여부는 명확하지 않습니다.

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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