Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Menschen einen magnetischen Sinn haben, der es unserem Gehirn ermöglicht, das Magnetfeld der Erde zu erkennen und darauf zu reagieren.
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Von Shinsuke Shimojo, California Institute of Technology; Daw-An Wu vom California Institute of Technology und Joseph Kirschvink vom California Institute of Technology
Haben Menschen einen magnetischen Sinn? Biologen kennen andere Tiere. Sie denken, es hilft Kreaturen wie Bienen, Schildkröten und Vögeln, durch die Welt zu navigieren.
Wissenschaftler haben versucht zu untersuchen, ob Menschen auf die Liste der magnetisch empfindlichen Organismen gehören. Seit Jahrzehnten gibt es ein Hin und Her zwischen positiven Berichten und dem Versagen, das Merkmal bei Menschen zu demonstrieren, mit scheinbar endlosen Kontroversen.
Die gemischten Ergebnisse bei Menschen können auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass praktisch alle früheren Studien auf Verhaltensentscheidungen der Teilnehmer beruhten. Wenn der Mensch einen magnetischen Sinn besitzt, deutet die tägliche Erfahrung darauf hin, dass er sehr schwach oder tief unterbewusst wäre. Solche schwachen Eindrücke können leicht falsch interpretiert oder einfach übersehen werden, wenn versucht wird, Entscheidungen zu treffen.
Unsere Forschungsgruppe - darunter ein geophysikalischer Biologe, ein kognitiver Neurowissenschaftler und ein Neuroengineer - verfolgte einen anderen Ansatz. Was wir gefunden haben, liefert wohl den ersten konkreten neurowissenschaftlichen Beweis dafür, dass Menschen einen geomagnetischen Sinn haben.
Das Leben auf der Erde ist dem allgegenwärtigen geomagnetischen Feld des Planeten ausgesetzt, das in Intensität und Richtung über die Planetenoberfläche variiert. Bild über Nasky / Shutterstock.com.
Wie funktioniert ein biologischer geomagnetischer Sinn?
Die Erde ist von einem Magnetfeld umgeben, das durch die Bewegung des flüssigen Kerns des Planeten erzeugt wird. Aus diesem Grund zeigt ein Magnetkompass nach Norden. An der Erdoberfläche ist dieses Magnetfeld ziemlich schwach, ungefähr 100-mal schwächer als das eines Kühlschrankmagneten.
In den letzten 50 Jahren haben Wissenschaftler gezeigt, dass Hunderte von Organismen in nahezu allen Zweigen des Bakterien-, Protisten- und Tierreichs in der Lage sind, dieses geomagnetische Feld zu erkennen und darauf zu reagieren. Bei einigen Tieren - wie Honigbienen - sind die geomagnetischen Verhaltensreaktionen so stark wie die Reaktionen auf Licht, Geruch oder Berührung. Biologen haben starke Reaktionen bei Wirbeltieren festgestellt, darunter Fische, Amphibien, Reptilien, zahlreiche Vögel und eine Vielzahl von Säugetieren, darunter Wale, Nagetiere, Fledermäuse, Kühe und Hunde. Die letzten können trainiert werden, um einen versteckten Stabmagneten zu finden. In all diesen Fällen nutzen die Tiere das Erdmagnetfeld als Bestandteil ihrer Such- und Navigationsfähigkeiten, zusammen mit anderen Hinweisen wie Sehen, Riechen und Hören.
Skeptiker wiesen frühe Berichte über diese Reaktionen zurück, hauptsächlich, weil es keinen biophysikalischen Mechanismus zu geben schien, der das schwache geomagnetische Feld der Erde in starke neuronale Signale umwandeln könnte. Diese Ansicht wurde durch die Entdeckung, dass lebende Zellen Nanokristalle des ferromagnetischen Minerals Magnetit - im Grunde genommen winzige Eisenmagnete - bilden können, dramatisch verändert. Biogene Magnetitkristalle wurden zuerst in den Zähnen einer Gruppe von Mollusken, später in Bakterien und dann in einer Vielzahl anderer Organismen gesehen, die von Protisten und Tieren wie Insekten, Fischen und Säugetieren bis hin zu Geweben des menschlichen Gehirns reichten.
Magnetosomenketten von einem Rotlachs. Bild über Mann, Sparks, Walker & Kirschvink, 1988.
Dennoch haben Wissenschaftler den Menschen nicht als magnetisch empfindliche Organismen angesehen.
Das Magnetfeld manipulieren
In unserer neuen Studie haben wir 34 Teilnehmer gebeten, sich einfach in unsere Testkammer zu setzen, während wir mit Elektroenzephalographie (EEG) die elektrische Aktivität in ihrem Gehirn direkt aufzeichneten. Unser modifizierter Faraday-Käfig enthielt einen Satz 3-Achsen-Spulen, mit denen wir kontrollierte Magnetfelder mit hoher Gleichmäßigkeit über den Strom erzeugen konnten, den wir durch seine Drähte flossen. Da wir in mittleren Breiten der nördlichen Hemisphäre leben, sinkt das magnetische Umweltfeld in unserem Labor in nördlicher Richtung um etwa 60 Grad von der Horizontalen ab.
Schematische Darstellung der Testkammer für den menschlichen Magnetorezeptor bei Caltech. Bild geändert aus dem „Anziehungspunkt“ von C. Bickel (Hand, 2016).
Im normalen Leben ändert sich die Richtung des Erdmagnetfelds (das im Raum konstant bleibt) relativ zu ihrem Schädel, wenn jemand seinen Kopf dreht - zum Beispiel auf und ab nickt oder den Kopf von links nach rechts dreht. Dies ist keine Überraschung für das Gehirn der Testperson, da es die Muskeln anleitete, den Kopf in der richtigen Weise zu bewegen.
Die Studienteilnehmer saßen in der nach Norden gerichteten Experimentierkammer, während sich das nach unten gerichtete Feld im Uhrzeigersinn (blauer Pfeil) von Nordwesten nach Nordosten oder gegen den Uhrzeigersinn (roter Pfeil) von Nordosten nach Nordwesten drehte. Bild über Magnetfeldlabor, Caltech.
In unserer Experimentierkammer können wir das Magnetfeld relativ zum Gehirn leise bewegen, ohne dass das Gehirn ein Signal zur Bewegung des Kopfes ausgelöst hat. Dies ist vergleichbar mit Situationen, in denen Ihr Kopf oder Ihr Kofferraum von einer anderen Person passiv gedreht wird oder wenn Sie ein Passagier in einem rotierenden Fahrzeug sind. In diesen Fällen registriert Ihr Körper jedoch weiterhin vestibuläre Signale über seine Position im Raum sowie die Änderungen des Magnetfelds - im Gegensatz dazu war unsere experimentelle Stimulation nur eine Verschiebung des Magnetfelds. Als wir das Magnetfeld in der Kammer verschoben, hatten unsere Teilnehmer keine offensichtlichen Gefühle.
Die EEG-Daten zeigten andererseits, dass bestimmte Drehungen des Magnetfelds starke und reproduzierbare Gehirnreaktionen auslösen könnten. Ein aus der bisherigen Forschung bekanntes EEG-Muster, Alpha-ERD (Event-Related Desynchronization), tritt typischerweise auf, wenn eine Person plötzlich einen sensorischen Reiz erkennt und verarbeitet. Die Gehirne waren „besorgt“ über die unerwartete Änderung der Magnetfeldrichtung und dies löste die Reduzierung der Alphawellen aus. Dass wir solche Alpha-ERD-Muster als Reaktion auf einfache magnetische Rotationen gesehen haben, ist ein starker Beweis für die Magnetorezeption des Menschen.
Das Video zeigt den dramatischen, weit verbreiteten Abfall der Alphawellenamplitude (tiefblaue Farbe am Kopf ganz links) nach einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn. Nach dem Drehen im Uhrzeigersinn oder im festen Zustand wird kein Tropfen beobachtet. Video über Connie Wang, Caltech.
Die Gehirne unserer Teilnehmer reagierten nur, wenn die vertikale Komponente des Feldes bei horizontaler Drehung um etwa 60 Grad nach unten zeigte, wie dies natürlich hier in Pasadena, Kalifornien, der Fall ist. Sie reagierten nicht auf unnatürliche Richtungen des Magnetfelds - etwa wenn es nach oben zeigte. Wir schlagen vor, dass die Reaktion auf natürliche Reize abgestimmt ist, die einen biologischen Mechanismus widerspiegeln, der durch natürliche Selektion geformt wurde.
Andere Forscher haben gezeigt, dass das Gehirn von Tieren magnetische Signale filtert und nur auf diejenigen reagiert, die für die Umwelt relevant sind. Es ist sinnvoll, ein magnetisches Signal abzulehnen, das zu weit von den natürlichen Werten entfernt ist, da dies höchstwahrscheinlich auf eine magnetische Anomalie zurückzuführen ist, z. B. auf einen Lichteinfall oder eine Lagersteinablagerung im Boden. Ein früher Bericht über Vögel zeigte, dass Rotkehlchen das geomagnetische Feld nicht mehr nutzen, wenn die Stärke mehr als 25 Prozent von der gewohnten Stärke abweicht. Es ist möglich, dass diese Tendenz dazu führte, dass frühere Forscher Probleme hatten, diesen magnetischen Sinn zu identifizieren. Wenn sie die Stärke des Magnetfelds erhöht haben, um Probanden beim Erkennen zu helfen, haben sie möglicherweise dafür gesorgt, dass das Gehirn der Probanden ihn ignoriert.
Darüber hinaus zeigen unsere Versuchsreihen, dass der Rezeptormechanismus - das biologische Magnetometer des Menschen - keine elektrische Induktion ist und Nord von Süd unterscheiden kann. Dieses letztere Merkmal schließt den sogenannten "Quantenkompass" - oder "Kryptochrom" -Mechanismus vollständig aus, der heutzutage in der Tierliteratur zur Magnetorezeption populär ist. Unsere Ergebnisse stimmen nur mit funktionellen Magnetorezeptorzellen überein, die auf der biologischen Magnetithypothese basieren. Beachten Sie, dass ein auf Magnetit basierendes System auch alle Verhaltenseffekte bei Vögeln erklären kann, die den Aufstieg der Quanten-Kompass-Hypothese begünstigten.
Gehirne registrieren unbewusst magnetische Verschiebungen
Unseren Teilnehmern waren die Magnetfeldverschiebungen und ihre Gehirnreaktionen nicht bekannt. Sie hatten das Gefühl, dass während des gesamten Experiments nichts passiert war - sie saßen nur eine Stunde lang allein in dunkler Stille. Darunter enthüllte ihr Gehirn jedoch eine Vielzahl von Unterschieden. Einige Gehirne zeigten fast keine Reaktion, während andere Gehirne Alphawellen aufwiesen, die nach einer Magnetfeldverschiebung auf die Hälfte ihrer normalen Größe schrumpften.
Es bleibt abzuwarten, was diese versteckten Reaktionen für die menschlichen Verhaltensfähigkeiten bedeuten könnten. Widerspiegeln die schwachen und starken Gehirnreaktionen eine Art von individuellen Unterschieden in der Navigationsfähigkeit? Können diejenigen mit schwächeren Gehirnreaktionen von einer Art Training profitieren? Können Menschen mit starken Gehirnreaktionen darauf trainiert werden, das Magnetfeld tatsächlich zu fühlen?
Eine menschliche Reaktion auf Erdmagnetfelder scheint überraschend. Angesichts der Hinweise auf eine magnetische Empfindung bei unseren tierischen Vorfahren könnte es jedoch überraschender sein, wenn der Mensch jedes letzte Stück des Systems vollständig verloren hätte. Bisher haben wir Beweise dafür gefunden, dass Menschen über funktionierende Magnetsensoren verfügen, die Signale an das Gehirn senden - eine bisher unbekannte sensorische Fähigkeit im Unterbewusstsein des Menschen. Das volle Ausmaß unseres magnetischen Erbes muss noch entdeckt werden.
Shinsuke Shimojo, Gertrude Baltimore Professor für Experimentelle Psychologie, California Institute of Technology; Daw-An Wu, California Institute of Technology, und Joseph Kirschvink, Nico und Marilyn Van Wingen, Professor für Geobiologie, California Institute of Technology
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Fazit: Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass Menschen - wie viele andere Tiere - einen magnetischen Sinn haben, mit dem wir das Magnetfeld der Erde erkennen und darauf reagieren können.
