Der magnetische Sinn des Menschen wird durch eine Licht- und Magnetfeldresonanz vermittelt

Jul 23, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8997 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Zahlreiche Organismen nutzen das Erdmagnetfeld als sensorischen Hinweis für Wanderungen, Körperausrichtung oder Nahrungssuche. Trotz einiger widersprüchlicher Berichte ist es allgemein anerkannt, dass der Mensch das Erdmagnetfeld nicht wahrnimmt. Hier zeigen wir, dass ein Magnetfeldresonanzmechanismus die lichtabhängige magnetische Ausrichtung bei Männern vermittelt, indem wir ein Drehstuhlexperiment in Kombination mit einem Zwei-Alternativen-Paradigma der erzwungenen Wahl verwenden. Je nach Lebensmittelkontext wurden zwei Gruppen von Probanden mit unterschiedlichen magnetischen Orientierungstendenzen klassifiziert. Die magnetische Ausrichtung der Probanden hing empfindlich von der Wellenlänge des einfallenden Lichts ab und war entscheidend davon abhängig, ob blaues Licht die Augen erreichte. Wichtig ist, dass es den Anschein hat, dass ein magnetfeldresonanzabhängiger Mechanismus diese Reaktionen vermittelt, was durch die Störung oder Verstärkung der Orientierungsfähigkeit durch hochfrequente Magnetfelder bei der Larmorfrequenz und die Abhängigkeit dieser Effekte vom Winkel zwischen den hochfrequenten und geomagnetischen Feldern belegt wird . Darüber hinaus zeigte die Umkehrung der vertikalen Komponente des Erdmagnetfelds einen nicht-kanonischen Neigungskompasseffekt auf die magnetische Ausrichtung. Diese Ergebnisse belegen die Existenz eines menschlichen Magnetsinns und legen einen zugrunde liegenden quantenmechanischen Magnetorezeptionsmechanismus nahe.

Zahlreiche Organismen aus einem breiten Spektrum von Taxa, darunter Vögel, Meeresschildkröten, Reptilien, Insekten, magnetotaktische Bakterien und Pflanzen, nutzen das Erdmagnetfeld (GMF) als sensorischen Hinweis für Migration1,2,3,4 und Kurzstreckenbewegungen5 ,6,7, Körperausrichtung8,9,10, Nahrungssuche6,7 oder Wachstum (Pflanzen)11, je nach Art und biologischem Kontext. Sowohl Informationen zum Magnetkompass2,12 als auch zur Magnetkarte3,13 können aus dem GMF abgeleitet werden; Ersteres ist für eine Vielzahl magnetisch sensibler Verhaltensweisen unerlässlich5,6,7,8,9,10,12,14,15. Ein Neigungs-12,16 oder Polaritätskompass17,18 kann Tieren durch Kontrastierungsmechanismen Richtungsinformationen liefern: lichtabhängige Radikalpaare19,20,21 in Cryptochrom-Flavoproteinen in den Augen von Vögeln20,21 und lichtunabhängiges eisenhaltiges biogenes Magnetit in Bakterien oder das Siebbein des Lachses14,22. Es wird angenommen, dass lichtinduzierte Radikalpaare, bestehend aus einem Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD)-Radikal und einem Tryptophan-Radikal, in Cryptochromen über einen quantenmechanischen Mechanismus als magnetischer Kompasssensor bei Zugvögeln fungieren20,21,23. Bei diesen Arten wird der Neigungskompass durch blaues oder grünes Licht24 aktiviert und durch rotes Licht25 gestört, was darauf hindeutet, dass unterschiedliche Wellenlängen bei radikalen paarvermittelten Verhaltensweisen unterschiedliche Rollen spielen21.

Die Forschung zur Magnetorezeption beim Menschen ist sehr begrenzt. Es ist allgemein anerkannt, dass das statische Magnetfeld der Erde vom Menschen nicht wahrgenommen wird, während magnetische Wechselfelder wie Netzfrequenzfelder26 und gepulste Felder27 negative Auswirkungen auf die Gesundheit bzw. therapeutische Anwendungen haben können. Im Anschluss an frühere kontroverse Berichte28,29,30 belegen zwei aktuelle Studien, die unterschiedliche experimentelle Ansätze verwenden, die Existenz von GMF-Reaktionen beim Menschen31,32 in scharfem Kontrast. In einem Drehstuhlexperiment konnten sich ausgehungerte Männer, jedoch nicht Frauen, auf eine von Blaulicht abhängige Weise in Richtung einer bestimmten magnetischen Richtung orientieren, die zuvor mit Nahrungsmitteln im Umgebungs-GMF in Verbindung gebracht worden war31. Diese Studie legt nahe, dass sich die Magnetorezeptoren in den Augen befinden, zeigt jedoch nicht den zugrunde liegenden sensorischen Mechanismus. Im Gegensatz dazu zeigte die Elektroenzephalographie, dass bei einigen menschlichen Probanden unter Dunkelheitsbedingungen eine Abnahme der Alpha-Gehirnwellenaktivität auftrat32. Die beobachtete Empfindlichkeit gegenüber der Polarität der angelegten Magnetfelder ließ auf einen Magnetit-basierten Mechanismus schließen. Bisher sind jedoch die Existenz eines menschlichen Magnetsinns selbst und der zugrunde liegende Mechanismus alles andere als klar.

Um die Existenz und den zugrunde liegenden Mechanismus der magnetischen Wahrnehmung des Menschen zu etablieren, haben wir die magnetische Orientierung bei Männern untersucht, die eine bemerkenswerte magnetische Empfindlichkeit zeigten, indem wir die Drehstuhlmethode mit einem Zwei-Alternative-Forced-Choice-Paradigma (2-AFC)33,34 unter Anwendung von Oszillieren kombinierten Magnetfelder als diagnostisches Werkzeug für einen Magnetfeldresonanzmechanismus, wie den Radikalpaarmechanismus35.

Männliche Probanden wurden ausgehungert oder normal ernährt und dann mit der Drehstuhlmethode in Kombination mit einem 2-AFC-Paradigma getestet, bei dem die Probanden eine der beiden Richtungen auf der magnetischen Nord-Süd-Achse wählen mussten (Abb. 1A, siehe Abschnitt „Methoden“) ). Während der Assoziationsphase des Experiments wurden Probanden mit geschlossenen Augen und Ohrenschützern von den Experimentatoren so ausgerichtet, dass sie auf einem drehbaren Stuhl saßen und in die magnetische Nordrichtung der Umgebung zeigten. Sie wurden entweder darauf konditioniert, diese Richtung mit Nahrung zu assoziieren, oder waren nicht darauf konditioniert, je nachdem Sitzung. Während der Testphase, in der der „modulierte“ magnetische Norden zufällig auf den wahren magnetischen Norden oder den wahren magnetischen Süden eingestellt wurde, wurden die Probanden gebeten, die modulierte magnetische Nordrichtung anzugeben, ohne Bezug auf andere Informationen, einschließlich visueller und akustischer Hinweise. Der Test wurde zunächst unter sichtbarem Licht voller Wellenlänge (350–800 nm) durchgeführt (Tabelle S1, Nr. 1 und Abb. S1A). Probanden, die ausgehungert wurden, um eine signifikante Senkung des Blutzuckerspiegels zu bewirken (Tabelle S2), wurden in zwei Gruppen eingeteilt. Gruppe 1 (Abb. 1B, links, n = 20, ca. 60 %) zeigte im Vergleich zu Probanden, die während Gruppe 2 (Abb. 1B, rechts, n = 14, ca. 40 %) zeigten eine signifikant geringere Rate der Lebensmittelassoziation (siehe Abb. S2 und 1C für die Clusterung der Probanden). In unserer vorherigen Studie31 zeigte die Mehrheit der Probanden unter Lichtbedingungen mit voller Wellenlänge und > 400 nm, aber nicht > 500 nm eine signifikant korrekte magnetische Orientierung bei der Nahrungsassoziation, während dies bei den übrigen nicht der Fall war. In einem Versuch, die Probanden in der vorliegenden Studie objektiv zu gruppieren, wurde eine Hauptkomponentenanalyse36,37 der Daten erstellt, die für ausgehungerte Probanden mit und ohne Nahrungsassoziation unter der vollen Wellenlänge und Lichtbedingungen von > 400 nm aufgezeichnet wurden, wie in Abb. 2A,C gezeigt zwei Themengruppen (Abb. 1C). Die in Abb. 1B gezeigten Ergebnisse stehen im Einklang mit einer erneuten Analyse relevanter Daten aus unserer vorherigen Studie31 (Abb. S3) und zeigen, dass hungernde Männer mit Nahrungsassoziation in zwei Gruppen eingeteilt wurden; eine Gruppe, die eine signifikante GMF-Ausrichtung in Richtung des modulierten magnetischen Nordens auf der magnetischen Nord-Süd-Achse zeigte, und eine, bei der dies nicht der Fall war. Im Gegensatz dazu zeigte sich bei normaler Ernährung der Probanden (Tabelle S2) in Gruppe 1, jedoch nicht in Gruppe 2, ein signifikanter Rückgang der korrekten Orientierungsrate bei der Nahrungsassoziation (Abb. 1D). Anschließend wurden die Probanden getestet, um den modulierten magnetischen Norden zu identifizieren, der zufällig auf der wahren magnetischen Ost-West-Achse angeordnet war. Ähnlich wie bei den Ergebnissen in Abb. 1B stieg die Orientierungsrate mit Nahrungsassoziation in Gruppe 1 an und sank in Gruppe 2 im Vergleich zur Nichtassoziation mit Hunger (Abb. S4, Tabelle S2). In unserer vorherigen Studie wurde angenommen, dass der Umgebungs-GMF ein unbedingter Reiz während der Assoziationsphase ist31. Daher haben wir untersucht, ob die Erfassung des Umgebungs-GMF während der Assoziation für die korrekte magnetische Ausrichtung auf der magnetischen Nord-Süd-Achse erforderlich ist, wie in Abb. 1B dargestellt. Unter einer GMF-Bedingung nahe Null während der Assoziationsphase zeigte keine der ausgehungerten Gruppen einen signifikanten Unterschied in der korrekten Orientierungsrate mit und ohne Nahrungsassoziation (Abb. 1E), was darauf hinweist, dass die Erfassung des umgebenden GMF vor dem Test für die korrekte magnetische Orientierung notwendig war in beiden Gruppen. Diese Ergebnisse zeigen, dass es je nach Lebensmittelkontext zwei Gruppen mit unterschiedlicher magnetischer Empfindlichkeit in Bezug auf die GMF-Orientierung in der Umgebung gibt.

Unterschiedliche Empfindlichkeit der geomagnetischen Orientierung bei Männern. (A) Schematische Darstellung eines 2-AFC-Verhaltensparadigmas zum Testen der geomagnetischen Orientierung bei Männern. Links: Draufsicht des Subjekts, das während der Phase ohne Assoziation/Nahrungsassoziation in Richtung des umgebenden geomagnetischen Nordens blickt und sich dreht, um nach einem der beiden modulierten magnetischen Nordrichtungen zu suchen, die während der Testphase zufällig bereitgestellt wurden. Die Probanden durften sich während des Tests im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen, wie durch Pfeile innerhalb des durch die gestrichelten blauen Linien angezeigten Bereichs angezeigt (siehe Abschnitt „Methoden“). mN, magnetischer Norden; quadratisch, die vertikalen Helmholtz-Spulen; Quadrat mit schraffierten Linien, Hocker zur Begrenzung der Drehung des Motivs; Kreis, das Thema; schwarzes geschlossenes Dreieck, die Blickrichtung des Motivs; rote(s) offene(s) Dreieck(e), Richtung des umgebenden magnetischen Nordens (Assoziationsphase) oder modulierter magnetischer Norden (Testphase). Rechts: Ablauf und Zeitplan des 2-AFC-Experiments. Lebensmittel wurden nur für „Food-Association“-Versuche bereitgestellt. (B) Ein signifikanter Anstieg (Gruppe 1) und Rückgang (Gruppe 2) der korrekten Orientierungsrate zwischen den verschiedenen Verbänden unter Hungerbedingungen. (C) Zwei Probandengruppen wurden durch Hauptkomponentenanalyse klassifiziert. Analysierte Parameter; Rate der korrekten Orientierung mit der Food/No-Food-Assoziation unter Lichtwellenlängen von 350–800 nm oder 400–800 nm (Daten, n = 136; 34 Probanden). Gruppe 1 (orange gefüllter Kreis), n = 20; Gruppe 2 (blau gefülltes Dreieck), n = 14. Durchgezogene Linie, die Klassifizierungsgrenze (PCA 2 = − 1,1515 PCA 1 − 0,0897) (D) Eine signifikante Abnahme (Gruppe 1) der korrekten Orientierungsrate durch die Änderung der Assoziation unter unverhungerter Zustand. (E) Keine nennenswerte Änderung der korrekten Orientierungsrate mit einem GMF nahe Null während der Assoziationsphase. NZA, Nahe-Null-GMF-Verband; §, P < 0,05 durch t-Test bei einer Stichprobe; *, P < 0,05; ***, P < 0,005 und ns, nicht signifikant im gepaarten Stichproben-T-Test; ###, P < 0,005 durch T-Test mit zwei Stichproben; †, P-Wert, 0,9999 > 0,9750 (Konfidenzintervall, − 0,2170, − 0,0820) für die Daten der Nicht-Assoziation und der Lebensmittelassoziation in Gruppe 1 und 1,0000 > 0,9750 (Konfidenzintervall, − 0,0801, 0,0786) für die Daten der Nichtassoziation in Gruppe 1 und Gruppe 2 durch eine Perzentil-Bootstrap-Analyse (siehe Abb. S2); horizontale gestrichelte Linien, 0,5 für korrekte Orientierungsrate; Fehlerbalken, Standardfehler des Mittelwerts (SEM).

Blaues Licht spielt eine entscheidende Rolle bei der wellenlängenabhängigen magnetischen Ausrichtung. (A–D) Korrekte magnetische Orientierungsrate bei Probanden der Gruppe 1 (A, B) oder Gruppe 2 (C, D) unter ausgehungerten und nicht ausgehungerten Bedingungen. Die Daten für > 350 nm Licht waren die gleichen wie in Abb. 1, B oder D. Datenpunkte, die durch gerade Linien und gestrichelte Linien verbunden sind, wurden aus der Nahrungsassoziation bzw. Nichtassoziation erhalten. §, P < 0,05 durch t-Test bei einer Stichprobe; *, P < 0,05; ***, P < 0,005; *****, P < 0,0005; und ns, nicht signifikant durch gepaarten Stichproben-T-Test zwischen den entsprechenden Daten aus der Lebensmittel- und Nicht-Assoziation; #, P < 0,01 durch gepaarten Stichproben-T-Test zwischen den Daten von > 400 nm und > 500 nm im Lebensmittelbereich. (E) Korrekte magnetische Orientierungsrate bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen in Gruppe 1 ausgehungert. §, P < 0,05 durch t-Test bei einer Stichprobe; *, P < 0,05; und ns, nicht signifikant bei gepaartem Stichproben-T-Test; †, signifikant zwischen den Daten von > 350 nm und > 400 nm ohne Assoziation; NS, nicht signifikant gemäß einer Perzentil-Bootstrap-Analyse (siehe Anhänge S1 und S2); horizontale gestrichelte Linien, 0,5 für korrekte Orientierungsrate; Fehlerbalken, Standardfehler des Mittelwerts (SEM). Gruppe 1, n = 20 und Gruppe 2, n = 14.

Basierend auf unserer vorherigen Studie31, die zeigte, dass Licht für die ernährungsbedingte geomagnetische Orientierung bei ausgehungerten Männern notwendig ist, wurde der Einfluss der Wellenlänge auf die magnetische Orientierung in den beiden Gruppen untersucht. Unter sechs Lichtbedingungen wurden deutliche magnetische Orientierungsprofile erhalten, die stark vom Lebensmittelkontext und der Gruppe abhingen: fünf verschiedene Lichtwellenlängen (Tabelle S1, Nr. 1–5 und Abb. S1A–E) und „dunkel“ (Abb. 2A–D). . Die ausgehungerten Probanden in Gruppe 1 zeigten eine signifikante korrekte Orientierungsrate bei Nahrungsassoziation im Vergleich zu keiner Assoziation unter Vollwellenlänge und Licht von > 400 nm, während sich die Orientierungsraten unter Licht von > 500 nm dramatisch umkehrten (Abb. 2A). Dieses Ergebnis zeigt, dass UV-A-blaues (350–500 nm) und grünes (500–570 nm) Licht entweder für die korrekte magnetische Ausrichtung notwendig sind oder diese hemmen und dass diese Effekte je nach den beiden Wellenlängenbereichen in unterschiedlicher Richtung auftreten die Vereinsbedingungen. Dieser Befund erinnert an die antagonistische Wirkung von Licht < 450 nm und > 500 nm auf die magnetische Orientierung bei Molchen und Fliegen38. Die nicht ausgehungerten Probanden der Gruppe 1 zeigten eine niedrige Orientierungsrate unter Licht > 400 nm ohne Assoziation, was darauf hindeutet, dass UV-A-Licht (350–400 nm) für die korrekte Orientierung bei der gesamten Wellenlänge hilfreich war, wohingegen blaues Licht (400–500 nm) hilfreich war. verringerte die Orientierungsrate (Abb. 2B). Im Gegensatz dazu zeigten Probanden der Gruppe 2 keine signifikanten Unterschiede in der Orientierungsrate bei Änderungen der Wellenlänge und der Assoziationsbedingungen, mit oder ohne Hunger (Abb. 2C, D). Es gab jedoch eine signifikante Änderung der Rate für Licht > 400 nm im Vergleich zum gesamten Wellenlängenbereich, wobei die Wirkung von UV-A-Licht nicht vernachlässigbar war und es eine bemerkenswerte Rate unter rotem Licht (> 600 nm) mit Lebensmittel- Assoziation (Abb. 2C). Es gab keine signifikanten Unterschiede zwischen den Orientierungsraten im Dunkelzustand nach Assoziation, Hunger oder Gruppe, mit Ausnahme einer etwas höheren Rate in der ausgehungerten Gruppe 2 mit Nahrungsassoziation, was darauf hinweist, dass Licht für die korrekte magnetische Orientierung entscheidend ist. Um das Zusammenspiel zwischen Lichtwellenlängen zu analysieren, reichte blaues Licht allein aus, um die Rate bei ausgehungerten Probanden der Gruppe 1 zu erhöhen (Abb. 2E), was darauf hindeutet, dass rotes Licht zusammen mit den Daten in Abb. 2A einen Anstieg der durch grünes Licht hervorgerufenen Rate störte , aber nicht durch blaues Licht, mit dem Lebensmittelverband. Wichtig ist, dass dieses Ergebnis darauf hinweist, dass blaues Licht eine entscheidende Rolle bei der magnetischen Ausrichtung spielt, indem es den Effekt von rotem Licht überwindet. Darüber hinaus erzeugte UV-A-Licht allein je nach Gruppe und Lebensmittelkontext ein ausgeprägtes magnetisches Orientierungsprofil (Abb. S5). Diese Ergebnisse zeigen, dass die geomagnetische Orientierung des Menschen stark von der Lichtwellenlänge abhängt und dass blaues Licht eine entscheidende Rolle bei der Orientierung spielt.

Blaues Licht ist für die radikalpaarvermittelte Magnetorezeption bei Vögeln unerlässlich21,39. Um den magnetosensorischen Mechanismus beim Menschen zu verstehen, haben wir daher getestet, ob oszillierende Magnetfelder bei bestimmten Frequenzen35,40,41 die magnetische Orientierung beim Menschen stören. Zunächst wurde 1,260 MHz, die Elektronen-Larmor-Frequenz21 im umgebenden GMF (45,0 μT), oder eine flankierende Frequenz (1,890 MHz oder 60–400 kHz)39,40 vertikal an die ausgehungerten Probanden bereitgestellt, die eine korrekte Orientierungsrate von mehr als gezeigt hatten 0,5 in Abb. 1B (Gruppe 1 mit Lebensmittelassoziation und Gruppe 2 ohne Assoziation, Abb. 3A, Mitte und Abb. S6). Die breitbandigen Magnetfelder mit 1,260 MHz und niedrigeren Frequenzen, nicht jedoch das 1,890-MHz-Feld, störten die magnetische Ausrichtung im Vergleich zur Dummy-Load-Steuerung erheblich (Abb. 3B). Als die Stärke des statischen Magnetfelds um 50 % auf 67,5 μT erhöht wurde, sodass die Larmorfrequenz 1,890 MHz betrug, stellten wir fest, dass das 1,890-MHz-Feld, nicht jedoch das 1,260-MHz-Feld, die korrekte Orientierungsrate deutlich verringerte (Abb. 3C). Angesichts der kritischen Eigenschaft des vorgeschlagenen Radikalpaar-Magnetorezeptors als Richtungssensor 20, 21 wurde die Auswirkung des Winkels zwischen dem 1,260-MHz-Feld und dem Umgebungs-GMF bewertet (Abb. 3A, links und rechts). Die unterschiedlichen Ausrichtungen der Hochfrequenzantenne erzeugten unterschiedliche Magnetfeldstärken an den Augen der Probanden, verursacht durch die Schatteneffekte42 ihrer Köpfe. (Tabelle S3). Im Vergleich zur Dummy-Load-Steuerung änderte sich die Geschwindigkeit in der parallelen Konfiguration (0°) nicht wesentlich, wohingegen sie in der vertikalen Anordnung (37°) signifikant verringert und für den 74°-Winkel erhöht wurde, was auf einen unterschiedlichen Effekt auf eine Anisotropie hinweist Rezeptor (Abb. 3D). Diese Ergebnisse stützen die Annahme, dass Radikalpaare wahrscheinlich die beim Menschen beobachtete magnetische Ausrichtung vermitteln.

Radikalpaarmechanismus vermittelt magnetische Orientierung beim Menschen. (A) Versuchsaufbau zum Testen des Einflusses des oszillierenden Magnetfelds (rote gestrichelte Pfeile) auf die magnetische Ausrichtung der Probanden. Die im Haupttext erwähnten ausgewählten ausgehungerten Probanden waren mit Nahrungsmitteln/Nichtnahrungsmitteln assoziiert und wurden unter dem Umgebungs-GMF (45,0 μT, graue Pfeile) mit Licht voller Wellenlänge getestet. (B) Korrekte Orientierungsrate der Probanden, die oszillierenden Magnetfeldern unterschiedlicher Frequenz ausgesetzt waren. (C) Die Probanden wurden unter einer erhöhten Intensität des GMF (67,5 μT) getestet, während der Umgebungs-GMF während der Assoziationsphase beibehalten wurde. (D) Verschiedene Richtungen des 1,260-MHz-Magnetfelds relativ zum umgebenden GMF; 0° (parallel), 37° (vertikal) und 74°. Beachten Sie, dass das 1,260-MHz-Magnetfeld in der Parallel- und 74°-Konfiguration den gleichen Winkel in Bezug auf die Probanden hatte. Für die Winkel 0° und 74° wurde das Hochfrequenzfeld nur in Versuchen bereitgestellt, wenn der modulierte magnetische Norden auf den echten magnetischen Norden (mN, 0°), aber nicht auf den echten magnetischen Süden (mS, 180°) und die richtige Ausrichtungsrate eingestellt war wurde allein anhand dieser Versuche berechnet. §, P < 0,05 durch t-Test bei einer Stichprobe; ****, P < 0,001; *****, P < 0,0005; und ns, nicht signifikant bei gepaartem Stichproben-T-Test; †, bedeutsam; NS, nicht signifikant gemäß einer Perzentil-Bootstrap-Analyse (siehe Anhänge S1 und S2); horizontale gestrichelte Linien, 0,5 für korrekte Orientierungsrate; Fehlerbalken, Standardfehler des Mittelwerts (SEM). Probanden, n = 22.

Im Prinzip verleiht die radikalpaarvermittelte Magnetorezeption einen Neigungskompass1,2. Die vertikale Komponente des Umgebungs-GMF wurde daher gelöscht, um mehr über die Eigenschaften des Magnetkompasses zu erfahren12. Die korrekte magnetische Ausrichtung, die wir für Probanden in Richtung des wahren magnetischen Nordens (mN) oder des wahren magnetischen Südens (mS) beobachtet hatten, als der modulierte magnetische Norden in der Kontrollfeldneigung (+ 53°) auf 0° bzw. 180° eingestellt war, wurde fast eliminiert, wenn die Neigung ≈ 0° betrug, was darauf hindeutet, dass die vertikale Komponente wesentlich war und dass ein Neigungskompass die beobachtete magnetische Ausrichtung vermittelte (Abb. 4A, S7A, B). Die Umkehrung der vertikalen GMF-Komponente, ein weiteres Diagnoseinstrument zur Unterscheidung zwischen magnetischen Kompassmechanismen2,12, erzeugte eine Ausrichtung in die entgegengesetzte Richtung, mS, wenn der modulierte magnetische Norden auf 0° eingestellt wurde (Abb. 4B, S7C). Im Gegensatz dazu führte eine exakte Umkehrung des GMF, d. h. die Einstellung des magnetischen Nordens auf 180° und die Umkehrung der vertikalen Komponente, nicht zu einer signifikanten Ausrichtung in Richtung mN oder mS, was von der Vorstellung eines kanonischen Neigungskompasses abweicht (Abb. 4B, S7C). . Zusammengenommen zeigen die Ergebnisse, dass die magnetische Ausrichtung des Menschen durch einen nicht-kanonischen Neigungskompass vermittelt wird.

Ein nicht-kanonischer magnetischer Neigungskompass beim Menschen. Ausgewählte ausgehungerte Probanden wurden unter verschiedenen Neigungen mit Licht voller Wellenlänge getestet. Die Y-Achse stellt die willkürliche Ausrichtungsrate in Richtung des wahren magnetischen Nordens (mN) oder des wahren magnetischen Südens (mS) dar. (A) Neigung ≈ 0° aufgrund der Aufhebung der vertikalen Komponente des Umgebungs-GMF. (B) Neigung − 53° aufgrund der Umkehrung der vertikalen Komponente. Die Daten der Umgebungsneigung (+ 53°) in (a) und (b) sind gleich. †, bedeutsam; NS, nicht signifikant gemäß einer Perzentil-Bootstrap-Analyse (siehe Anhänge S1 und S2); Fehlerbalken, Standardfehler des Mittelwerts (SEM). Probanden, n = 22.

Die vorliegende Studie hat die Existenz eines menschlichen Magnetsinns für den GMF nachgewiesen und erstmals einen Magnetfeldresonanzmechanismus als zugrunde liegendes Prinzip der Magnetorezeption vorgeschlagen. In Übereinstimmung mit den Erkenntnissen für einige Vogelarten35,39 zeigen Änderungen der Orientierungsraten unter Verwendung von Magnetfeldern, die mit der Larmorfrequenz oszillieren, dass ein Magnetfeldresonanzmechanismus den menschlichen Magnetsinn vermittelt. Es ist bekannt, dass die Wirkung eines externen linear polarisierten oszillierenden Magnetfelds bei der Larmor-Frequenz vom Winkel zwischen der Feldachse und dem umgebenden GMF abhängt21,35,43; Daher liefert nicht nur das Fehlen eines Effekts in der parallelen Anordnung (0°), sondern auch die erhöhte Rate der korrekten Ausrichtung im 74°-Zustand einen starken Beweis für eine wahrscheinliche Beteiligung des Radikalpaarmechanismus beim Menschen. Es ist nicht zu erwarten, dass Magnetitpartikel, die groß genug sind, um im Erdmagnetfeld zu rotieren, solche Effekte zeigen, da sie sich zu langsam bewegen, um der Richtung eines Feldes zu folgen, das sich mehr als eine Million Mal pro Sekunde umkehrt21. In Übereinstimmung mit dem lichtabhängigen Radikalpaarmodell und früheren Studien an Vögeln24,39 führten Lichteffekte zu unterschiedlichen Orientierungsprofilen mit einer starken Wellenlängenabhängigkeit. Wichtig ist, dass blaues, aber nicht grünes Licht eine entscheidende Rolle bei der magnetischen Orientierung zu spielen scheint, indem es den Effekt von rotem Licht überwindet, während grünes Licht auch für die korrekte magnetische Orientierung bei Vögeln ausreicht25. Die magnetische Reaktion auf blaues Licht entspricht ungefähr dem Absorptionsspektrum von vollständig oxidiertem FAD in Cryptochrom21,39 (Wellenlängen unter 500 nm) und es wurde berichtet, dass Cryptochrome in der menschlichen Netzhaut vorkommen44, was darauf hindeutet, dass Cryptochrome beim Menschen vielversprechende Magnetorezeptoren sein könnten. Um die komplizierten kontext- und gruppenabhängigen Orientierungsprofile von Lebensmitteln zu verstehen, wird Folgendes vorgeschlagen: Radikale Spezies, z. B. reaktive Sauerstoffspezies wie O2·−, treten aufgrund unterschiedlicher Stoffwechselraten in unterschiedlichen Konzentrationen auf, abhängig von Hunger, Körpergewicht oder exponierte Magnetfelder45,46,47,48. O2·− könnte wiederum Teil eines magnetisch empfindlichen Cryptochrom-basierten Radikalpaares in den Augen sein35,49,50,51 (siehe aber Lit.52,53). Insbesondere O2·− im optimalen Konzentrationsbereich kann entscheidend für die deutliche Verstärkung des anisotropen Magnetfeldeffekts (Richtungssensor) durch das Radikalfängersystem FADH·/O2·− sein51. Neben dem evolutionären adaptiven Szenario31 könnte dies eine plausible Spekulation sein, die die höhere magnetische Empfindlichkeit von Männern im Vergleich zu Frauen mit niedrigerem Grundumsatz unter Fasten statt unter normaler Ernährung erklärt. Dennoch könnte es bei Frauen in verschiedenen Kontexten zu einer unbekannten magnetischen Empfindlichkeit kommen, die einer gesonderten Untersuchung bedarf. Der in der vorliegenden Studie identifizierte menschliche Neigungskompass weicht vom kanonischen Neigungskompass ab, behält aber dennoch die Kompassfunktion bei: Menschen sind viel weniger mobil als Langstrecken-Zugvögel und haben sich möglicherweise nicht so empfindlich gegenüber Polaritätsschwankungen entwickelt wie Vögel die GMF. Auf den ersten Blick sind die Hauptergebnisse dieser Studie, d. h. die durch blaues Licht und den Radikalpaarmechanismus vermittelte magnetische Orientierung, schwer mit den Ergebnissen von Wang et al.32 in Einklang zu bringen, die einen lichtunabhängigen Magnetit-basierten Mechanismus für den Menschen nahelegten magnetischer Sinn. Allerdings verwendeten die beiden Studien sehr unterschiedliche experimentelle Assays, die möglicherweise unterschiedliche Rezeptoren untersuchen. Dies könnte mit Vögeln verglichen werden, von denen angenommen wird, dass sie Radikalpaare in den Augen (zur Richtungserkennung) und Magnetit an anderer Stelle (zur Intensitätserkennung) haben.

Das 2-AFC-Paradigma wäre ein nützlicher Versuchsaufbau, insbesondere für eine vergleichende Studie zu Magnetorezeptionsmechanismen, wie z. B. Mechanismen, an denen Radikalpaare oder Magnetite beteiligt sind. Wie in Abb. S3 dargestellt, werden die Gültigkeit und Durchführbarkeit des Paradigmas für den magnetischen Orientierungstest durch die Konsistenz zwischen den Ergebnissen der vorliegenden und der vorherigen Studie31 gestützt, in der ein Drehstuhlexperiment durchgeführt wurde. Der 2-AFC ermöglicht eine Drehung innerhalb von 240°, die größer ist als die symmetrische Hälfte des Drehstuhls (180°), und die Probanden können sich in beiden Konfigurationen in jeder Position innerhalb des Winkels frei im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen. Daher sollte der Unterschied im Rotationsausmaß zwischen dem 2-AFC (240°) und dem Drehstuhl (360°) grundsätzlich nicht notwendigerweise ein Unterschied in der tatsächlichen magnetischen Richtungssuche von Probanden sein. Im 2-AFC-Paradigma könnten sich die Probanden mehr auf die korrekte magnetische Unterscheidung einer der beiden Richtungen als auf die genaue Ausrichtung konzentrieren, um den magnetischen Norden beispielsweise auf der magnetischen Nord-Süd-Achse zu modulieren, die durch die Richtungsreferenz verfügbar war zum Stuhl, der das Rotationsausmaß begrenzte. Nichtsdestotrotz ist eine deutlich korrekte Wahl des modulierten magnetischen Nordpols immer noch eine schwierige Aufgabe, die nicht zufällig gelöst werden könnte, wenn die Versuchspersonen nicht über eine tatsächliche magnetische Reaktionsfähigkeit verfügen, wie in der vorliegenden Studie gezeigt. Das 2-AFC-Paradigma sparte bemerkenswert Zeit (≈ 33 %) für das Experiment an menschlichen Probanden, wie im Abschnitt „Methoden“ beschrieben. Angesichts der realistischen oder potenziellen zeitlichen Begrenzung von Probanden, die Studien zur menschlichen Magnetorezeption in der Vergangenheit und in der Zukunft behindern, könnte Zeitersparnis ein wichtiger Vorteil sein. Folglich haben Forscher möglicherweise die Möglichkeit, ein geeigneteres Testparadigma für ihre Magnetorezeptionsstudien am Menschen zu nutzen.

Um weitere Einblicke in den Mechanismus zu gewinnen, könnten zukünftige Untersuchungen wie folgt durchgeführt werden, wobei der Versuchsaufbau der vorliegenden Studie als Plattform mit oder ohne oszillierende Magnetfelder verwendet wird: (1) ein magnetischer Orientierungstest an Probanden mit Farbenblindheit, einschließlich Tritanopie , um zu untersuchen, ob funktionierende Photorezeptorzellen für die magnetische Wahrnehmung erforderlich sind; (2) Identifizierung magnetorezeptiver Zellen und Magnetorezeptoren mithilfe von menschlichen Augenkulturen oder Augenorganoiden, kombiniert mit einer räumlich-zeitlichen Analyse des Magnetorezeptionsprozesses auf molekularer Ebene; und (3) Elektroenzephalographie der kortikalen Kartierung des magnetischen Sinnesbereichs, um zu untersuchen, ob der Radikalpaarmechanismus unter verschiedenen Licht- oder Lebensmittelkontexten kritisch ist.

Die Studie umfasste 34 Männer (19–26 Jahre, durchschnittlich 23 Jahre; Body-Mass-Index 19–31 kg/m2, durchschnittlich 24 kg/m2) ohne körperliche Behinderungen oder geistige Störungen, einschließlich Farbenblindheit und Klaustrophobie30,31. Alle Probanden wurden über die Ziele, den Studienablauf und die finanzielle Vergütung für die Teilnahme informiert und aufgefordert, die Studienregeln einzuhalten. Vor jedem Experiment wurden die Probanden kurzzeitig gehungert31,54 (18–20 Stunden; keine Nahrung außer reinem Wasser nach dem Mittagessen (12–13 Uhr) oder dem Abendessen (18–19 Uhr), spätestens um 13 Uhr oder 19 Uhr). bzw. einer am Tag vor dem Test), keine medizinischen Behandlungen und normaler Schlaf (mindestens 6 Stunden, zwischen 22 Uhr am Tag vor dem Testtag und 8 Uhr am Testtag)31. Vor Beginn jedes Experiments wurden die Probanden etwa 10 Minuten lang in einem Raum neben dem Testraum auf einem Stuhl stabilisiert. Basierend auf einer Beurteilung mit einem Fragebogen vor dem Experiment und dem ersten Blutzuckerspiegel, der vor Beginn des Experiments gemessen wurde (siehe Abschnitt „Test zur geomagnetischen Orientierung“ weiter unten), durften Probanden, die diese Regeln nicht befolgt hatten, an diesem Tag nicht am Test teilnehmen und der Test wurde verschoben. Die Studie wurde vom Institutional Review Board der Kyungpook National University genehmigt und alle Verfahren folgten den Vorschriften für die Forschung am Menschen. Von allen Probanden wurde eine Einverständniserklärung eingeholt.

Der Umgebungs-GMF im Testraum hatte eine Gesamtintensität von 45,0 μT, eine Neigung von 53° und eine Deklination von –7° (Stadt Daegu, Republik Korea); die Gesamtintensität von 50,0 μT in unserer vorherigen Studie31 wurde aufgrund einer Rekonstruktion des Gebäudes verändert; 45,0 μT wurden während des gesamten Zeitraums dieser Studie beibehalten. Um die Probanden mit verschiedenen GMF-ähnlichen Magnetfeldern zu versorgen (dh durch Modulation der Gesamtintensität, Neigung oder Richtung des magnetischen Nordens), wurde das Spulensystem aus unseren früheren Studien6,7,31 verwendet. Es bestand aus drei doppelt gewickelten, orthogonalen, rechteckigen Helmholtz-Spulen (1.890 × 1.890 m, 1.890 × 1.800 m und 1.980 × 1.980 m für die Nord-Süd-, Ost-West- und Vertikalachsen), die mit Kupfer elektrisch geerdet waren Netzabschirmung. Der Proband saß auf einem drehbaren Plastikstuhl ohne Metallkomponenten im Zentrum der dreidimensionalen Spulen, wobei sein Kopf im mittleren Raum der vertikalen Achse der Spulen positioniert war. Um den geomagnetischen Norden zu modulieren, wurde jedes Spulenpaar mit Gleichstrom aus einem Netzteil (MK3003P; MKPOWER, Republik Korea) versorgt. Das Magnetfeld wurde mit einem 3-Achsen-Magnetometer (MGM 3AXIS; ALPHALAB, USA) gemessen; Die Feldhomogenität an der Position des Kopfes des Probanden betrug 95 %. Der Versuchsraum war durch einen sechsseitigen Faradayschen Käfig aus 10 mm dicken Aluminiumplatten abgeschirmt und während des gesamten Experiments geerdet40. Zu Beginn und am Ende jedes Versuchstages wurde elektromagnetisches Hintergrundrauschen in den Spulen gemessen. Es wurde durch den Faradayschen Käfig im Bereich von 500 Hz bis 100 MHz mehr als 200-fach gedämpft, wie in unserer vorherigen Studie ausführlich beschrieben31. Das 60-Hz-Netzfrequenz-Magnetfeld betrug nicht mehr als 2 nT (3D NF-Analysator NFA 1000; Gigahertz Solutions, Deutschland). Mit Ausnahme des Schaltknopfmoduls für die GMF-Modulation und der Antenne zur Erzeugung der oszillierenden Magnetfelder wurden während der Experimente alle elektronischen Geräte außerhalb des Faradayschen Käfigs platziert. Die von den Probanden erlebte Temperatur wurde durch Luftzirkulation durch die Wabe an der Decke des Faradayschen Käfigs auf 25 ± 0,5 °C gehalten (Datenlogger 98.581; MIC Meter Industrial, Taiwan)31.

Unter Anwendung eines Zwei-Alternative-Forced-Choice-Paradigmas (2-AFC)33,34 wurde ein geomagnetischer Orientierungstest ähnlich wie in unserer vorherigen Studie31 durchgeführt. Die Experimente wurden um 09:30–11:30 Uhr oder 13:00–17:00 Uhr (Ortszeit, UTC + 09:00 Uhr) durchgeführt (jedes Experiment: 50 Min.–1 Std. 10 Min.; Mittelwert ≈ 1 Std.). um etwa 30 Minuten kürzer als in der vorherigen Studie: 1 Stunde 20 Minuten–1 Stunde 40 Minuten; Mittelwert ≈ 1 Stunde 30 Minuten). Je nach Experiment wurden einzeln ausgehungerte oder nicht ausgehungerte Probanden getestet. Vor jedem Experiment wurden die Probanden gebeten, während des Experiments mit dem Kopf nach vorne gerichtet, mit geschlossenen Augen und aufgesetzten Ohrenschützern zu bleiben. Insbesondere wurden sie gebeten, sich, wenn möglich, auf die Erfassung des umgebenden geomagnetischen Nordens während der Assoziationsphase zu konzentrieren und die erfassten Informationen je nach Experiment zu nutzen, um sich auf einen der beiden modulierten magnetischen Norden (0°/ 180° für die magnetische Nord-Süd-Achse oder 90°/270° für die magnetische Ost-West-Achse, im Uhrzeigersinn gedreht in Bezug auf den umgebenden geomagnetischen Norden) während der Testphase. Die Probanden wurden angewiesen, ablenkende Gedanken zu vermeiden und sofort zu denken: „In welche Richtung wird der magnetische Norden moduliert?“ wann immer sie während der Testphase abgelenkt waren oder das Gefühl hatten, durch Erfahrungen aus früheren Experimenten voreingenommen zu sein. Während er auf dem drehbaren Stuhl saß, wurde der Blutzuckerspiegel des Probanden kurz vor der ersten Sitzung und unmittelbar nach jeder Sitzung mit offenen Augen gemessen, außer im „Dunkel“-Experiment (Accu-Chek Guide; Roche, Deutschland)31. Wenn der ermittelte Wert vor der ersten Sitzung um mehr als 15 % vom Mittelwert abwich (Tabelle S2)31, wurde das Experiment verschoben und zu einem späteren Zeitpunkt wiederholt (ca. 2 % der Experimente). Die Probanden wurden vor dem ersten Versuch zwei Minuten lang mit geschlossenen Augen stabilisiert, ohne dass visuelle, auditive, olfaktorische und haptische Sinnesreize vorhanden waren. Für das „dunkle“ Experiment (Lichtintensität ≈ 0 lx) trugen die Probanden selbstgemachte „blinde“ Schutzbrillen und wurden 5 Minuten lang mit geschlossenen Augen stabilisiert55,56 und dann gefragt, ob sie Licht sehen könnten. Wenn möglich, wurde die Schutzbrille angepasst, um ein Austreten von Licht zu verhindern, und die Versuchsperson konnte sich dann weitere fünf Minuten lang mit geschlossenen Augen stabilisieren, bevor sie mit dem Experiment begann. Die Probanden wurden je nach Experiment mit Licht einer gefilterten/ungefilterten diffusen Leuchtdiode beleuchtet (Tabelle S1). Die selbstgebauten Filterbrillen wurden während des gesamten Experiments, einschließlich der Assoziations- und Testphase, bei Bedarf getragen. Die Schutzbrillen enthielten Glasfilter (Tae Young Optics, Republik Korea), um die Augen mit bestimmten Lichtwellenlängen zu versorgen (Spectrometer USB4000-UV-VIS, Ocean Optics, USA) (Abb. S1). Jedes Experiment bestand aus 16 aufeinanderfolgenden Versuchen für „keine Assoziation“ und „Nahrungsmittelassoziation“. Für die Nahrungsassoziation wurde einer Versuchsperson, die in Richtung des geomagnetischen Nordens der Umgebung blickte, von einem Experimentator vorsichtig ein Schokoladenstückchen31 auf die rechte Handfläche gelegt und 30 Sekunden Zeit gegeben, um es zu essen, während bei Nicht-Assoziationsversuchen währenddessen kein Essen bereitgestellt wurde Assoziationsphase. Nach einem anschließenden 5-s-Intervall berührte der Experimentator sanft mit einem Papierstab den rechten Daumenballenbereich des Probanden, um den Test zu starten. Eine der beiden modulierten magnetischen Nordrichtungen wurde je nach Experiment zufällig 3 s vor dem Testaufruf bereitgestellt. Jede der modulierten magnetischen Nordrichtungen wurde achtmal für die Sitzungen ohne Assoziation und Nahrungsassoziation bereitgestellt. Die Probanden wurden vor jedem Experiment über die nahezu gleiche Wahrscheinlichkeit für jede der modulierten magnetischen Nordrichtungen informiert. Mit dem Touch-Cue wurden die Probanden gebeten, sich frei in jede Richtung (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) zu drehen (1–4 Zyklen einer Zweidritteldrehung) und zu versuchen, die Richtung des modulierten magnetischen Nordens während eines Zeitraums von 1 Minute zu spüren. Die Rotation war innerhalb des Rotationswinkels (– 30° bis 210° für die magnetische Nord-Süd-Achse oder – 120° bis 120° für die Ost-West-Achse, je nach Experiment, in Bezug auf den umgebenden magnetischen Norden) zulässig durch den Plastikhocker (Abb. 1A) eingeschränkt, der den linken oder rechten Knöchel der Probanden berührt. Als die Probanden die Richtung des magnetischen Nordens bestimmten, hörten sie auf, sich zu drehen, um in die Richtung zu schauen, und hoben ihre rechte Hand, um dem Experimentator die Richtung anzuzeigen. Die Richtung wurde vom Experimentator in 10°-Intervallen anhand der Skala an den Wänden des Faradayschen Käfigs gemessen31. Voraussetzung für eine korrekte Orientierung war, dass der Proband die Richtung im Bereich von 30° nach beiden Seiten in Bezug auf die magnetischen Himmelsrichtungen angab, was den Probanden vor jedem Experiment mitgeteilt wurde. Wenn die von den Probanden angegebene Richtung außerhalb des 30°-Bereichs lag, wurde der Versuch nicht in die Daten einbezogen und wiederholt (ungefähr 0,63 % der Versuche). Vor dem anschließenden Versuch wurde die Versuchsperson vorsichtig gedreht, sodass sie in Richtung des umgebenden geomagnetischen Nordens blickte, und dann 5 Sekunden lang ruhen gelassen. Für das „Dunkel“-Experiment wurden die Probanden gefragt, ob sie unmittelbar nach der letzten Messung des Blutzuckerspiegels am Ende des Experiments austretendes Licht sehen konnten. Wenn die Versuchsperson durchgesickertes Licht sehen konnte, wurde das Experiment abgebrochen und später wiederholt (ungefähr 3 % der Experimente; 2/68). Alle Experimente wurden doppelblind durchgeführt. Der Experimentator, der den Orientierungstest durchführte, wusste, ob die Versuchsperson ausgehungert war oder nicht, ob sie eine Filterbrille trug und mit Lebensmitteln zu tun hatte oder nicht, kannte jedoch nicht die zufälligen magnetischen Nordsequenzen, die vom Personalcomputersystem (PC) gesteuert wurden. Ein anderer Experimentator, der für die Analyse der Daten verantwortlich war, wusste nicht, ob die Versuchsperson ausgehungert war oder nicht, welche Versuchsbedingungen, einschließlich der Lichtwellenlängen, galten oder ob den Versuchspersonen ein oszillierendes Magnetfeld zur Verfügung gestellt worden war. Daher war sich keiner der Experimentatoren während der Experimente und der Datenanalyse über alle Informationen und Daten des Probanden im Klaren. Die Rate der korrekten Orientierung wurde berechnet durch (Anzahl der Versuche mit korrekter Orientierung/Gesamtzahl der Versuche) (Rohdaten, Anhang S3). Alle Probanden nahmen an allen Experimenten teil, die in zufälliger Reihenfolge mit einem Abstand von mindestens 3 Tagen zwischen den Experimenten durchgeführt wurden. Nach jedem Experiment wurden die Probanden gebeten, einen Post-Experiment-Fragebogen darüber zu beantworten, ob sie während der gesamten Experimentdauer bei Bedarf die Augen geschlossen hatten. In Fällen, in denen eine Versuchsperson die Augen nicht geschlossen hielt, wurde das Experiment wiederholt (ungefähr 1 % der Experimente). Für jede Versuchsperson wurde ein vorläufiges Experiment zur „magnetischen Nord-Süd-Achse“ zweimal (jeweils ohne und ohne Schutzbrille) ohne Schutzbrille zur Anpassung an den Versuchsablauf durchgeführt. Diese Daten flossen nicht in die Ergebnisse ein.

Experimente mit oszillierenden Magnetfeldern wurden unter Verwendung des oben beschriebenen standardmäßigen geomagnetischen Orientierungstests durchgeführt. Um die oszillierenden Magnetfelder zu erzeugen, wurden oszillierende Ströme von einem Funktionsgenerator (AFG3021; ​​Tektronix, USA. Für jedes Magnetfeld, Durchlauf von 500 ms; Intervall von 1 ms. Siehe Abb. S6A) verstärkt (ENI 2100L RF-Leistungsverstärker; Bell Electronics, USA) und in eine kalibrierte Spulenantenne (30 cm Durchmesser, 6509 Rahmenantenne; ETS-LINDGREN, USA) eingespeist, die auf einem Holzrahmen montiert ist und aus einer einzigen Koaxialkabelwicklung besteht. Die oszillierenden Magnetfelder wurden täglich vor dem ersten und nach dem letzten Experiment des Tages mit einem Spektrumanalysator (SPA-921TG; Com-Power, USA) mit einer kalibrierten Rahmenantenne (48 cm Durchmesser, AL-130R; Com -Power, USA) und einem kalibrierten Magnetometer (Probe HF 3061, NBM-550; Narda, Deutschland). An der Glabella der Probanden wurden magnetische Feldstärken gemessen; Intensitätsschwankungen zwischen Probanden aufgrund unterschiedlicher Sitzhöhen betrugen weniger als 10 % der Durchschnittswerte (Tabelle S3). Der Funktionsgenerator und der Verstärker wurden außerhalb des Faradayschen Käfigs platziert und während der Dummy-Load-Control-Experimente ohne Signal vom PC-System eingeschaltet. Die Bandbreiten der monochromatischen Magnetfelder, dh 1,260 und 1,890 MHz, betrugen am Tiefpunkt der Spitzen 0,020 bzw. 0,019 MHz („Durchschnitt“, √3 kHz). Während der Testphase überstiegen die Maximalwerte des magnetischen Rauschens auf der Glabella der Probanden einschließlich der Dummy-Last die folgenden Werte nicht: (1) 5 Hz–9 kHz; 2 nT/√ 2 kHz „Durchschnitt“ und 8 nT/√ 9 kHz „Max-Halt“ (0,05 nT/√ 2 kHz „Durchschnitt“ und 5 nT/√ 9 kHz „Max-Halt“ im Dummy Last) (3D NF Analyzer NFA 1000; Gigahertz Solutions, Deutschland); (2) 9 kHz–500 kHz; 5 nT/√ 3 kHz „Durchschnitt“ und 8 nT/√ 3 kHz „Max-Halten“ (≈ 0 nT/√ 3 kHz „Durchschnitt“ und ≈ 1 nT/√ 3 kHz „Max-Halten“ in die Dummy-Last) (die AL-130R-Antenne) (Abb. S6C); und (3) 500 kHz–30 MHz; 0,006 nT der 3,780-MHz-Oberwelle bei 1,260 MHz, 0,03 nT der 5,670-MHz-Oberwelle bei 1,890 MHz und ≈ 0 nT in der Ersatzlast (/√ 10 kHz des „Durchschnitts“) (Abb. S6B) und 0,15 nT/ √ 10 kHz „Max-Hold“ bei den gleichen Frequenzen oben und ≈ 0 nT in der Dummy-Last (der AL-130R-Antenne).

Um die Signifikanz von Orientierungsdaten aus dem 2-AFC-Paradigma zu bestimmen, wurde mit der Origin-Software 11 (Origin, USA). Um die Plausibilität der t-Tests zu überprüfen, wurden alle Datensätze mit dem Anderson-Darling-Test überprüft, ob die Daten einer Normalverteilung folgen (Anhang S4). Um die Differenz zwischen den Mittelwerten zweier Datensätze auszuwerten, wenn mindestens einer von ihnen keine Normalverteilung aufwies, wurde die Perzentil-Bootstrap-Methode57 verwendet (95 %-Konfidenzintervall, siehe Abb. S2, Anhänge S1 und S2 für Rohdaten). Zur Analyse der Blutzuckerdaten wurde ein gepaarter Stichproben-T-Test verwendet. Basierend auf den Ergebnissen früherer Studien31 wurde eine Hauptkomponentenanalyse36,37 zur Beschreibung unterschiedlicher Reaktionsgruppen magnetischer Orientierung im 2-AFC-Paradigma zu korrekten Orientierungsraten ausgehungerter Probanden durchgeführt, ohne Assoziation/Nahrungsassoziation unter der vollen Wellenlänge oder > 400 nm Lichtbedingungen mit SPSS 23 (IBM, USA). Nach der Berechnung der Hauptkomponentenanalyse wurde der k-Means-Clustering-Algorithmus – eine der unbeaufsichtigten Lernmethoden – verwendet, um die Gruppen objektiv zu klassifizieren58. Die Anzahl der Gruppen betrug zwei und der Abstand zwischen der Mitte des Clusters und allen Punkten war der euklidische Abstand. Die Klassifikationsgrenze wurde durch die Mittelsenkrechte zwischen den Mittelpunkten der beiden Gruppen markiert. Die ersten beiden Hauptkomponenten machten einen erheblichen Teil der Gesamtvarianz aus (73,1 %; PC1 = 40,8 %, PC2 = 32,3 %). Statistische Werte werden als Mittelwert ± SEM dargestellt.

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Wir danken den Studierenden für die technische Unterstützung bei der Berechnung der Orientierungsrohdaten. Wir danken Dr. Peter Hore (Universität Oxford, UK) für hilfreiche Kommentare zum Manuskript. Diese Forschung wurde vom Basic Science Research Program (2021R1A2C1094765) des KSC über das von der koreanischen Regierung finanzierte NRF (MSIT) unterstützt.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Kwon-Seok Chae und Soo-Chan Kim.

Abteilung für Biologiedidaktik, Kyungpook National University, Daegu, 41566, Republik Korea

Kwon-Seok Chae

Abteilung für Nanowissenschaften und Nanotechnologie, Kyungpook National University, Daegu, 41566, Republik Korea

Kwon-Seok Chae & Hye-Jin Kwon

Brain Science and Engineering Institute, Kyungpook National University, Daegu, 41566, Republik Korea

Kwon-Seok Chae

Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik, Forschungszentrum für angewandte Humanwissenschaften, Hankyong National University, Anseong, 17579, Republik Korea

Soo-Chan Kim

Fakultät für Mathematik, Kyungpook National University, Daegu, 41566, Republik Korea

Yongkuk Kim

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KSC initiierte die Studie und konzipierte die Experimente; KSC und HJK führten Experimente durch; KSC, SCK, YK und HJK analysierten die Daten; SCK und KSC bauten die Versuchsapparate; KSC hat den Artikel geschrieben. Alle Autoren diskutierten und kommentierten das Manuskript.

Korrespondenz mit Kwon-Seok Chae.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Chae, KS., Kim, SC., Kwon, HJ. et al. Der magnetische Sinn des Menschen wird durch einen licht- und magnetfeldresonanzabhängigen Mechanismus vermittelt. Sci Rep 12, 8997 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12460-6

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Eingegangen: 29. September 2021

Angenommen: 10. Mai 2022

Veröffentlicht: 30. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12460-6

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