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Le sens magnétique humain est médié par une résonance de lumière et de champ magnétique

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Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8997 (2022) Citer cet article

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De nombreux organismes utilisent le champ magnétique terrestre comme signal sensoriel pour la migration, l'alignement du corps ou la recherche de nourriture. Malgré certains rapports contradictoires, il est généralement admis que les humains ne perçoivent pas le champ géomagnétique. Ici, nous démontrons qu'un mécanisme de résonance de champ magnétique médie l'orientation magnétique dépendante de la lumière chez les hommes, en utilisant une expérience de chaise rotative combinée à un paradigme de choix forcé à deux alternatives. Deux groupes de sujets ont été classés avec des tendances d'orientation magnétique différentes en fonction du contexte alimentaire. L'orientation magnétique des sujets était sensible à la longueur d'onde de la lumière incidente et dépendait de manière critique de la lumière bleue atteignant les yeux. Il est important de noter qu'il semble qu'un mécanisme dépendant de la résonance du champ magnétique médie ces réponses, comme en témoigne la perturbation ou l'augmentation de la capacité d'orientation par des champs magnétiques radiofréquences à la fréquence de Larmor et la dépendance de ces effets sur l'angle entre les champs radiofréquences et géomagnétiques. . De plus, l’inversion de la composante verticale du champ géomagnétique a révélé un effet de boussole d’inclinaison non canonique sur l’orientation magnétique. Ces résultats établissent l’existence d’un sens magnétique humain et suggèrent un mécanisme de magnétoréception mécanique quantique sous-jacent.

De nombreux organismes, appartenant à un large éventail de taxons, notamment les oiseaux, les tortues marines, les reptiles, les insectes, les bactéries magnétotactiques et les plantes, utilisent le champ géomagnétique (GMF) comme signal sensoriel pour la migration1,2,3,4 et les déplacements sur de courtes distances5. ,6,7, alignement du corps8,9,10, recherche de nourriture6,7 ou croissance (plantes)11, selon l’espèce et le contexte biologique. Les informations du compas magnétique2,12 et de la carte magnétique3,13 peuvent être dérivées du GMF ; le premier étant essentiel pour une variété de comportements magnétiquement sensibles5,6,7,8,9,10,12,14,15. Une boussole d'inclinaison12,16 ou de polarité17,18 peut fournir aux animaux des informations directionnelles par des mécanismes contrastés : des paires de radicaux dépendants de la lumière19,20,21 dans les flavoprotéines cryptochromes des yeux des oiseaux20,21 et de la magnétite biogène contenant du fer indépendante de la lumière dans les bactéries ou l'os ethmoïde du saumon14,22. On pense que les paires de radicaux induits par la lumière, composés d’un radical flavine adénine dinucléotide (FAD) et d’un radical tryptophane, dans les cryptochromes agissent comme le capteur de boussole magnétique chez les oiseaux migrateurs par le biais d’un mécanisme de mécanique quantique20,21,23. Chez ces espèces, la boussole d'inclinaison est activée par la lumière bleue ou verte24 et perturbée par la lumière rouge25, indiquant que différentes longueurs d'onde jouent des rôles différents dans les comportements radicaux médiés par les paires21.

Les recherches sur la magnétoréception chez l’homme sont très limitées. Il est largement admis que le champ magnétique statique de la Terre n'est pas détecté par les humains, tandis que les champs magnétiques alternatifs, tels que les champs de fréquence industrielle26 et les champs pulsés27, peuvent avoir des effets néfastes sur la santé et des applications thérapeutiques, respectivement. À la suite de précédents rapports controversés28,29,30, deux études récentes, utilisant des approches expérimentales différentes, soutiennent l'existence de réponses GMF chez l'homme31,32 avec un contraste frappant. Dans une expérience sur chaise rotative, des hommes affamés, mais pas des femmes, ont pu s'orienter de manière dépendante de la lumière bleue vers une direction magnétique particulière précédemment associée à la nourriture dans le GMF31 ambiant. Cette étude suggère que les magnétorécepteurs se trouvent dans les yeux mais ne démontre pas le mécanisme sensoriel sous-jacent. En revanche, l’électroencéphalographie a montré qu’une diminution de l’activité des ondes cérébrales alpha s’est produite chez certains sujets humains dans des conditions d’obscurité32. La sensibilité observée à la polarité des champs magnétiques appliqués impliquait un mécanisme basé sur la magnétite. Cependant, jusqu’à présent, l’existence d’un sens magnétique humain lui-même et d’un mécanisme sous-jacent est loin d’être clair.

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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