Transdução do campo geomagnético evidenciado pela atividade da banda alfa no cérebro humano

Resumo Visual

Resumo

Magnetorecepção, a percepção do campo geomagnético, é uma modalidade sensorial bem estabelecida em todos os principais grupos de vertebrados e alguns invertebrados, mas sua presença em humanos foi testada raramente, produzindo resultados inconclusivos. Relatamos aqui uma resposta cerebral humana forte e específica a rotações ecologicamente relevantes de campos magnéticos de força terrestre. Após a estimulação geomagnética, ocorreu uma queda na amplitude das oscilações alfa da eletroencefalografia (EEG) (8–13 Hz) de forma repetível. Denominada dessincronização relacionada a eventos alfa (alfa-ERD), tal resposta foi associada anteriormente ao processamento sensorial e cognitivo de estímulos externos, incluindo pistas visuais, auditivas e somatossensoriais. A alfa-ERD em resposta ao campo geomagnético foi desencadeada apenas por rotações horizontais quando o campo magnético vertical estático foi direcionado para baixo, como no Hemisfério Norte; nenhuma resposta cerebral foi provocada pelas mesmas rotações horizontais quando o componente vertical estático foi direcionado para cima. Isso implica uma resposta biológica sintonizada com a ecologia da população humana local, em vez de um efeito físico genérico. Testes biofísicos mostraram que a resposta neural era sensível a componentes estáticos do campo magnético. Isso descarta todas as formas de indução elétrica (incluindo artefatos dos eletrodos) que são determinadas somente em componentes dinâmicos do campo. A resposta neural também era sensível à polaridade do campo magnético. Isso descarta mecanismos de "bússola quântica" de radicais livres como a hipótese do criptocromo, que pode detectar apenas alinhamento axial. O ferromagnetismo continua sendo um mecanismo biofísico viável para transdução sensorial e fornece uma base para iniciar a exploração comportamental da magnetorecepção humana.

Declaração de significância

Embora muitos animais migratórios e de retorno sejam sensíveis ao campo magnético da Terra, a maioria dos humanos não está conscientemente ciente dos estímulos geomagnéticos que encontramos na vida cotidiana. Ou perdemos um sistema magnetossensorial ancestral compartilhado, ou o sistema não tem um componente consciente com atividade neural detectável, mas nenhuma percepção perceptual aparente por nós. Encontramos duas classes de rotações ecologicamente relevantes de campos magnéticos de força terrestre que produzem efeitos fortes, específicos e repetíveis na atividade das ondas cerebrais humanas na banda alfa da eletroencefalografia (EEG) (8–13 Hz); o EEG discrimina em resposta a diferentes estímulos de campo geomagnético. Testes biofísicos descartam todos, exceto a presença de um elemento de transdução ferromagnética, como cristais biologicamente precipitados de magnetita (Fe 3 O 4 ).

Introdução

A magnetorecepção é uma modalidade sensorial bem conhecida em bactérias ( Frankel e Blakemore, 1980 ), protozoários ( Bazylinski et al., 2000 ) e uma variedade de animais ( Wiltschko e Wiltschko, 1995a ; Walker et al., 2002 ; Johnsen e Lohmann, 2008 ), mas se os humanos têm esse antigo sistema sensorial nunca foi estabelecido de forma conclusiva. Resultados comportamentais sugerindo que campos geomagnéticos influenciam a orientação humana durante experimentos de deslocamento ( Baker, 1980 , 1982 , 1987 ) não foram replicados ( Gould e Able, 1981 ; Able e Gergits, 1985 ; Westby e Partridge, 1986 ). Tentativas de detectar respostas cerebrais humanas usando eletroencefalografia (EEG) foram limitadas pelos métodos computacionais que foram usados ​​( Sastre et al., 2002 ). Vinte a 30 anos depois dessas explosões anteriores de pesquisa, a questão da magnetorecepção humana continua sem resposta.

Enquanto isso, houve grandes avanços em nossa compreensão dos sistemas sensoriais geomagnéticos animais. Uma lista cada vez maior de experimentos em organismos magneticamente sensíveis revelou estímulos fisiologicamente relevantes, bem como fatores ambientais que podem interferir no processamento magnetossensorial ( Wiltschko e Wiltschko, 1995a ; Lohmann et al., 2001 ; Walker et al., 2002 ). Descobertas em animais fornecem um potencial espaço de características para explorar a magnetorecepção humana, os parâmetros físicos e os quadros de coordenadas a serem manipulados em testes em humanos ( Wiltschko, 1972 ; Kirschvink et al., 1997 ). Em animais, acredita-se que a navegação geomagnética envolva uma resposta de bússola e mapa ( Kramer, 1953 ). A resposta da bússola simplesmente usa o campo geomagnético como um indicador para orientar o animal em relação à direção magnética local norte/sul ( Wiltschko e Wiltschko, 1995a ; Lohmann et al., 2001 ). O mapa magnético é uma resposta mais complexa envolvendo vários componentes de intensidade e direção do campo; a direção é ainda subdividida em inclinação (ângulo vertical do plano horizontal; o vetor de busca do Norte do campo geomagnético mergulha para baixo no Hemisfério Norte) e declinação (ângulo horário do componente horizontal do Norte Geográfico, como em uma bússola feita pelo homem). Notavelmente, as respostas magnetossensoriais tendem a desligar completamente na presença de anomalias (por exemplo, atividade de manchas solares ou irregularidades geomagnéticas locais) que fazem com que o campo magnético local se desvie significativamente dos valores ambientais típicos ( Wiltschko, 1972 ; Martin e Lindauer, 1977 ), uma adaptação que se acredita proteger contra erros de navegação. Esses resultados indicam que as pistas geomagnéticas estão sujeitas a um processamento neural complexo, como na maioria dos outros sistemas sensoriais.

Estudos fisiológicos sinalizaram o ramo oftálmico do sistema trigêmeo (e equivalentes) em peixes ( Walker et al., 1997 ), pássaros ( Semm e Beason, 1990 ; Beason e Semm, 1996 ; Mora et al., 2004 ; Elbers et al., 2017 ) e roedores ( Wegner et al., 2006 ) como um canal de informações sensoriais magnéticas para o cérebro. Em humanos, o sistema trigêmeo inclui muitas funções autonômicas, viscerais e proprioceptivas que ficam fora da consciência ( Saper, 2002 ; Fillmore e Seifert, 2015 ). Por exemplo, o ramo oftálmico contém fibras nervosas parassimpáticas e carrega sinais de propriocepção extraocular, que não atingem a consciência ( Liu, 2005 ).

Se os componentes fisiológicos de um sistema magnetossensorial foram passados ​​de animais para humanos, então sua função pode ser subconsciente ou apenas fracamente disponível para percepção consciente. Experimentos comportamentais podem ser facilmente confundidos por fatores cognitivos como atenção, memória e volição, tornando os resultados fracos ou difíceis de replicar nos níveis de grupo ou individual. Como a atividade cerebral fundamenta todo comportamento, escolhemos uma abordagem eletrofisiológica mais direta para testar a transdução de campos geomagnéticos em humanos.

Materiais e métodos

Parte 1: resumo e lógica de design

Configuração do equipamento experimental

Construímos uma câmara isolada, blindada por radiofrequência, envolvida com três conjuntos aninhados de bobinas quadradas ortogonais, usando o projeto de quatro bobinas de Merritt et al. (1983) para alta uniformidade de campo central ( Fig. 1 ; mais detalhes na Fig. 2 e Materiais e Métodos, Parte 2: detalhes para replicação e validação). Cada bobina continha dois conjuntos correspondentes de enrolamentos para permitir a operação em modo ativo ou simulado. No modo ativo, as correntes em enrolamentos pareados eram paralelas, levando à soma dos campos magnéticos gerados. No modo simulado, as correntes corriam antiparalelas, não produzindo campo externo mensurável, mas com aquecimento ôhmico e efeitos magnetomecânicos semelhantes aos do modo ativo ( Kirschvink, 1992b ). Os modos ativo e simulado eram alternados por interruptores manuais na sala de controle distante, deixando as configurações do computador e do amplificador inalteradas. As bobinas eram alojadas dentro de uma gaiola de Faraday aterrada e acusticamente atenuada, com painéis de alumínio formando as paredes, o piso e o teto. Os participantes sentaram-se eretos em uma cadeira de madeira em uma plataforma eletricamente isolada do sistema de bobina com suas cabeças posicionadas perto do centro da região de campo uniforme. O campo magnético dentro da câmara experimental foi monitorado por um magnetômetro fluxgate de três eixos Applied Physics Systems 520A. O EEG foi continuamente registrado a partir de 64 eletrodos usando um sistema BioSemi ActiveTwo com posições de eletrodos codificadas no Sistema Internacional 10-20 (por exemplo, Fz, CPz, etc.). Dentro da gaiola, a unidade de conversão digital alimentada por bateria retransmitia dados por um cabo de fibra óptica não condutor para uma sala de controle remoto, a ∼20 m de distância, onde todas as fontes de alimentação, computadores e equipamentos de monitoramento estavam localizados.

Figura 1.

Ilustração esquemática da configuração experimental. Os painéis de alumínio de ∼1 mm de espessura da blindagem de Faraday eletricamente aterrada fornecem um ambiente eletromagneticamente "silencioso". Três conjuntos ortogonais de bobinas quadradas de ∼2 m na borda, seguindo o design de Merritt et al. (1983) , permitem que o campo geomagnético ambiente seja alterado ao redor da cabeça do participante com alta uniformidade espacial; o envoltório duplo fornece um sham ativo para cegamento das condições experimentais ( Kirschvink, 1992b ). Painéis acústicos na parede ajudam a reduzir o ruído externo do sistema de ventilação de ar do edifício, bem como o ruído interno devido ao eco. Uma cadeira não magnética é apoiada em uma base de madeira elevada isolada do contato direto com as bobinas magnéticas. O EEG alimentado por bateria está localizado em um banco atrás do participante e se comunica com o computador de gravação por meio de um cabo de fibra óptica para uma sala de controle a ∼20 m de distância. Detalhes adicionais estão disponíveis na Figura 2 . Este diagrama e a figura central para o resumo visual foram modificados da figura "Centro de atração", de C. Bickel ( Hand, 2016 ), com permissão.

Figura 2.

Imagens adicionais de aspectos críticos da exposição magnética humana no Caltech. A , Montagem parcialmente completa da gaiola de Faraday (verão de 2014) mostrando o conjunto aninhado de quatro bobinas quadradas ortogonais de Merritt ( Merritt et al., 1983 ) com todas as paredes de alumínio da gaiola de Faraday, exceto duas, completas. B , Imagem de um participante na instalação sentado em uma cadeira de madeira confortável e não magnética e usando o boné de cabeça de EEG BioSim de 64 derivações. Os fios do sensor de EEG são cuidadosamente trançados para minimizar artefatos elétricos. A cadeira fica em uma plataforma de madeira elevada que é isolada mecanicamente das bobinas magnéticas e coberta com uma camada de carpete sintético; a altura é tal que a cabeça do participante fica na área central de maior uniformidade do campo magnético. C , Esquema dos circuitos de controle de envoltório duplo que permitem experimentos de simulação ativa ( Kirschvink, 1992b ). Em cada eixo das bobinas, os quatro quadros quadrados são enrolados em série com dois fios discretos de fio magnético de cobre isolado e com o número de voltas e espaçamento de bobina escolhidos para produzir um campo magnético aplicado uniforme e de alto volume ( Merritt et al., 1983 ). A reversão do fluxo de corrente em um dos fios por meio de um interruptor DPDT resulta no cancelamento do campo externo com praticamente todos os outros parâmetros sendo os mesmos. Este esquema é implementado em todos os três eixos de bobina controlados independentemente (Cima/Baixo, Leste/Oeste e Norte/Sul). D , magnetômetro Fluxgate (Applied Physics Systems 520A) sensor de campo magnético de três eixos conectado a um suporte de câmera de fibra de carbono retrátil. No início de cada sessão, o fluxgate é abaixado para o centro da câmara para uma calibração inicial de corrente/controle do campo geomagnético ambiente. Ele é então elevado a uma posição ∼30 cm acima da cabeça do participante durante os seguintes testes experimentais, e as leituras do campo magnético de três eixos são registradas continuamente da mesma forma que os sinais de voltagem do EEG. E , Duto de ar. Um duto de ar de alumínio de 15 cm de diâmetro e ∼2 m de comprimento conecta um ventilador elétrico de velocidade variável (100 W) ao canto superior SE da câmara experimental; este também é o conduíte usado para os principais cabos elétricos (energia para as bobinas magnéticas, fios do sensor para o fluxgate, etc.). F , G , Um sistema de monitoramento de intercomunicação/vídeo foi desenvolvido montando um alto-falante controlado por computador ( F ) fora do escudo de Faraday no teto ao norte da câmara acoplado com ( G) um sistema de câmera/microfone de vídeo IR conectado por USB montado dentro do escudo. Observe a blindagem de fita de alumínio condutiva ao redor da câmera para reduzir a interferência de RF. Durante todos os testes experimentais, um pequeno relé DPDT localizado na sala de controle desconecta o alto-falante do computador e faz um curto-circuito direto nas conexões do alto-falante. Um segundo microfone na sala de controle pode ser ligado para se comunicar com o participante na câmara experimental, conforme necessário. Um experimentador monitora o áudio e o vídeo dos participantes o tempo todo, conforme os requisitos de segurança do Caltech IRB. H , luzes LED, matriz de 12 VCC, dispostas para iluminar a partir da superfície superior das bobinas magnéticas perto do teto da câmara. Elas são alimentadas por baterias de lítio recarregáveis ​​de 11,1 V (visíveis em E ) e controladas por um interruptor externo. I , indutores de ferrite. Sempre que possível, elas são montadas em um formato de oito com várias voltas ( Counselman, 2013 ) em todos os fios e cabos condutores que entram na área blindada e suplementadas com lã de alumínio aterrada quando necessário. J , Imagem da área de controle remoto incluindo (da esquerda para a direita): o PC para controlar as bobinas, os interruptores DPDT para alternar entre os modos ativo e simulado, a unidade de controle fluxgate, os três amplificadores de potência que controlam a corrente na sala da bobina remota e o PC separado que registra os dados de EEG. Os participantes sentados na câmara experimental não relatam conseguir ouvir sons da sala de controle e vice-versa. Orientações adicionais para o design de experimentos biomagnéticos são fornecidas por Kirschvink et al. (2010) e Schwarze et al. (2016) .

Sequência experimental

Uma sessão de EEG de ∼1 h consistiu em múltiplas execuções experimentais de ∼7 min. Em cada execução de mais de 100 ensaios, a direção do campo magnético girou repetidamente entre duas orientações predefinidas com a intensidade do campo mantida quase constante no valor de laboratório ambiente (∼35 µT). Nos ensaios SWEEP, o campo magnético começou em uma orientação e então girou suavemente por 100 ms para a outra orientação. Como condição de controle, ensaios FIXED sem rotação do campo magnético foram intercalados entre os ensaios SWEEP de acordo com sequências pseudoaleatórias geradas pelo software. Os ensaios foram separados no tempo por 2–3 s.

Ocultação de participantes

Durante os experimentos, os participantes sentaram-se com os olhos fechados na escuridão total. Os participantes não tinham conhecimento dos modos ativo versus simulado, sequências de teste e tempos de início do teste. A câmara experimental era escura, silenciosa e isolada da sala de controle durante as execuções. Tons auditivos sinalizavam apenas o início e o fim das execuções do experimento, e os experimentadores se comunicavam com os participantes apenas uma ou duas vezes por sessão entre as execuções ativas para atualizar o participante sobre o número de execuções restantes. Quando o tempo permitia, as execuções simuladas eram combinadas com as execuções ativas usando as mesmas configurações de software. As execuções ativas e simuladas eram programaticamente idênticas, diferindo apenas na posição dos interruptores de hardware que direcionavam a corrente para correr paralela ou antiparalela por meio de loops pareados. As execuções simuladas serviam como um controle adicional para confusões sensoriais não magnéticas, como estímulos subaurais ou oscilações mecânicas do sistema de bobina.

Estímulos de rotação magnética

A Figura 3 mostra as rotações do campo magnético usadas. Observe que as variáveis ​​experimentais que diferem entre as execuções são denotadas em camel case como em DecDn, DecUp, active, sham, etc., enquanto as variáveis ​​que mudam dentro das execuções são designadas em todas as letras maiúsculas como FIXED, SWEEP, CCW, CW, UP, DN, etc. Em experimentos de inclinação (Inc) ( Fig. 3 A ), a direção da declinação foi fixada para o Norte (declinação de 0° em nosso sistema de coordenadas), e os participantes sentaram-se voltados para o Norte. A rotação do vetor de campo de baixo para cima foi designada como um teste Inc.UP.N e a varredura de retorno como Inc.DN.N, com UP/DN indicando a direção da rotação do campo. Em experimentos de declinação (Dec) ( Fig. 3 B , C ), mantivemos a inclinação (e, portanto, o componente vertical do vetor de campo) constante, enquanto giramos o componente horizontal no sentido horário ou anti-horário para variar a declinação. Para ensaios com inclinação para baixo (como no Hemisfério Norte), as rotações de campo varreram o componente horizontal 90° CW ou CCW entre Nordeste e Noroeste, designado como DecDn.CW.N ou DecDn.CCW.N, respectivamente, com .N indicando uma direção Norte. Para testar hipóteses biofísicas de magnetorecepção, conforme discutido abaixo, conduzimos experimentos adicionais de rotação de declinação com inclinação estática para cima. Conforme mostrado na Figura 3 B , a rotação de um vetor de campo direcionado para cima entre SE e SW (DecUp.CW.S e DecUp.CCW.S) antiparalelo às rotações direcionadas para baixo fornece testes do modelo biofísico da bússola quântica, enquanto a varredura de um vetor para cima entre NE e NW (DecUp.CW.N e DecUp.CCW.N) fornece um teste geral para indução elétrica ( Fig. 3 C ).

Figura 3.

Rotações de campo magnético usadas nesses experimentos. Nos primeiros ∼100 ms de cada teste experimental, o vetor de campo magnético foi: (1) girado da primeira orientação predefinida para a segunda (SWEEP), (2) girado da segunda orientação predefinida para a primeira (também SWEEP) ou (3) deixado inalterado (FIXED). Em todos os testes experimentais, a intensidade do campo foi mantida constante no valor ambiente do laboratório (∼35 μT). Para rotações de declinação, o ângulo de rotação horizontal foi de +90° ou –90°. Para rotações de inclinação, o ângulo de rotação vertical foi de +120°/–120° ou +150°/–150°, dependendo do experimento de rotação de inclinação específico. A , Rotações de inclinação entre ±60° e ±75°. O vetor do campo magnético gira de baixo para cima (Inc.UP.N, vermelho) e vice-versa (Inc.DN.N, azul), com declinação estável em Norte (0°). B , Rotações de declinação usadas no ensaio principal (setas sólidas) e rotações opostas de vetores usadas para testar a hipótese da bússola quântica (setas tracejadas). No ensaio principal, o campo magnético girou entre NE (45°) e NW (315°) com inclinação mantida para baixo (+60° ou +75°) como no Hemisfério Norte (DecDn.CW.N e DecDn.CCW.N); vetores opostos com inclinação para cima (−60° ou −75°) e rotações de declinação entre SE (135°) e SW (225°) são mostrados com setas tracejadas (DecUp.CW.S e DecUp.CCW.S). C , Rotações de declinação idênticas, com componentes verticais estáticos, mas opostos, usadas para testar a hipótese de indução elétrica. O campo magnético foi deslocado na direção norte entre NE (45°) e NW (315°) com inclinação mantida para baixo (+75°, DecDn.CW.N e DecDn.CCW.N) ou para cima (−75°, DecUp.CW.S e DecUp.CCW.S). As duas linhas verticais pontilhadas indicam que as rotações começaram nos mesmos valores de declinação. Em B , C , as rotações no sentido anti-horário (vistas de cima) são mostradas em vermelho, no sentido horário em azul.

Artefato de EEG

Em execuções ativas, um artefato de indução eletromagnética ocorreu como uma flutuação de 10 a 40 μV no sinal de EEG durante a rotação do campo magnético de 100 ms. O artefato foi isolado e medido em experimentos fantasmas de EEG (apresentados em Materiais e Métodos, Parte 2: detalhes para replicação e validação). Exemplos de traços de EEG de teste único, domínio de tempo, filtrados por banda passante (1–50 Hz) no eletrodo Fz são mostrados na Figura 4. A Figura 4 A mostra o artefato durante a rotação de inclinação, medido de um melão e um humano. O artefato é detectável em testes únicos de participantes com baixa potência alfa (como mostrado), mas difícil de ver em participantes com alta potência alfa. A Figura 4 B mostra o artefato de indução durante a rotação de declinação, que tem ∂ B /∂ t menor e produz um artefato menor. O artefato é visível no traço do melão, mas normalmente invisível no EEG humano de teste único, especialmente em participantes com alta potência alfa (como mostrado). Este artefato de indução é semelhante ao observado em gravações eletrofisiológicas de trutas sempre que a direção ou intensidade do campo magnético era repentinamente alterada em um padrão de onda quadrada ( Walker et al., 1997 ). Artefatos de EEG induzidos por mudanças de campo magnético são induzidos na presença de campos magnéticos variáveis ​​no tempo e desaparecem dentro de alguns milissegundos após a mudança do campo magnético (quando ∂B/∂t = 0). Isso é verdade mesmo em estudos de EEG envolvendo estimulação magnética transcraniana, onde campos de pico excedendo 2T são atingidos dentro de 85 μs (resultando em 8 ordens de magnitude maior ∂B/∂t do que em nosso experimento). Artefatos em tais configurações simultâneas de TMS/EEG foram encontrados desaparecendo dentro de 5,6 ms ( Veniero et al., 2009 ). Além disso, o artefato de indução é bloqueado por fase como um potencial relacionado a eventos (ERP) e não aparece em análises de potência não bloqueada por fase, que usamos em todos os testes estatísticos subsequentes. Mais discussões sobre indução elétrica estão em Materiais e Métodos, Parte 2: detalhes para replicação e validação.

Figura 4.

Exemplos de traços de EEG de teste único, domínio de tempo, filtrados por banda passante (1–50 Hz) no eletrodo Fz de participantes fantasmas (melão) e humanos (um com baixa e outra com alta potência alfa basal) que ilustram o tipo de dados coletados neste estudo. A , Efeito de uma varredura de inclinação de 0,1 s de um campo magnético de 35 µT apontando para o norte, girando entre uma queda de 75° para baixo a 75° para cima (Inc.UP.N, painéis à esquerda) e o inverso (Inc.DN.N, painéis à direita). Este é o maior estímulo usado em nossos experimentos (arco de 150°, frequência efetiva de 4,2 Hz, com o vetor completo de 35 µT passando por rotação). O melão registra um artefato de ∼40 µV durante o intervalo de varredura, mas é plano. Um artefato semelhante pode ser visto em humanos com baixa potência alfa, mas é invisível em humanos com alta potência alfa sem média de teste. B , Efeito de uma varredura de declinação de 0,1 s do componente magnético horizontal (inclinação = +75°, campo total = 35 µT, então componente horizontal = 9,1 µT) girando de NE para NW na presença de um campo magnético vertical estático, direcionado para baixo (33,8 µT; DecDn.CCW.N) e o inverso (DecDn.CW.N). Este é um estímulo elétrico mais fraco do que o usado em A (apenas um arco de 90°, uma frequência efetiva menor de 2,5 Hz e um quarto da intensidade do campo). O melão mostra apenas um artefato fraco de <10 µV durante a rotação. Na maioria dos humanos com alta ou baixa potência alfa, esse artefato é difícil de detectar sem uma média extensa. Artefatos desse tipo são sincronizados com a fase do estímulo e são facilmente removidos usando técnicas padrão para analisar potência não sincronizada com a fase, conforme observado na seção Métodos de EEG. Observe que este exemplo humano mostra uma queda óbvia na potência alfa após a rotação CCW, mas não a rotação CW.

Análise de dados de EEG

Usamos métodos convencionais de decomposição de tempo/frequência (convolução de wavelet de Morlet) para calcular mudanças de potência pós-estímulo em relação a um intervalo de linha de base pré-estímulo (−500 a −250 ms) em uma faixa de frequência de 1 a 100 Hz. Focamos na potência não bloqueada por fase subtraindo o ERP em cada condição de cada teste dessa condição antes da decomposição de tempo/frequência. Este é um procedimento bem conhecido para isolar a potência não bloqueada por fase e é útil para excluir o artefato de análises subsequentes ( Cohen, 2014 ). Após a identificação da atividade da banda alfa como um ponto de interesse (detalhado em Resultados), o seguinte procedimento foi adotado para isolar a atividade alfa em indivíduos. Para compensar as diferenças individuais conhecidas no pico de frequência alfa em repouso (8–12 Hz em nosso grupo de participantes) e no tempo das respostas de ondas alfa após a estimulação sensorial, identificamos perfis de mudança de potência individualizados usando uma busca automatizada em uma banda alfa estendida de 6–14 Hz, 0–2 s após o estímulo. Para cada participante, as mudanças de potência no eletrodo Fz foram calculadas em média em todos os testes, independentemente da condição, para produzir um único mapa de tempo/frequência. Nessa média condicional cruzada, o ponto de tempo-frequência mais negativo foi definido como o local da dessincronização relacionada ao evento alfa (alfa-ERD) característica do participante. Uma janela de 250 ms e largura de banda de 5 Hz foi automaticamente centralizada o mais próximo possível desse ponto dentro das restrições do intervalo de busca geral. Esses parâmetros de busca e janela foram escolhidos com base nas durações e larguras de banda típicas de alfa-ERD. A janela individualizada foi usada para testar diferenças significativas entre as condições. Para cada condição, as mudanças de potência foram calculadas separadamente dentro da janela, com os ensaios subamostrados e bootstrapped para equalizar os números de ensaios entre as condições. Os ensaios discrepantes com valores extremos de potência alfa (tipicamente causados ​​por artefatos de movimento ou breves explosões de atividade alfa em um sinal de baixa amplitude) nos intervalos pré ou pós-estímulo foram removidos por um algoritmo automatizado antes da média, de acordo com um limite de 1,5 × o intervalo interquartil do logaritmo da potência alfa em todos os ensaios.

Software, dados e acesso aberto

As análises foram executadas usando scripts turnkey automatizados. Dados brutos de EEG, o código de análise e a documentação foram carregados no repositório de dados do Caltech e estão disponíveis sob a licença Creative Commons Attribution-NonCommercial (CC-BY-NC).

Protocolo de pesquisa humana

Os participantes foram 36 voluntários adultos (24 homens, 12 mulheres) recrutados da população do Caltech. Este grupo de participantes incluiu pessoas de ascendência europeia, asiática, africana e nativa americana. As idades variaram de 18 a 68 anos. Cada participante deu consentimento informado por escrito dos procedimentos do estudo aprovados pelo Caltech Institutional Review Board. Todos os experimentos foram realizados de acordo com as diretrizes e regulamentações relevantes seguindo os protocolos do NIH para experimentação humana, conforme revisados ​​e aprovados periodicamente pelo Administrative Committee for the Protection of Human Subjects (Caltech IRB, protocolos 13-0420, 17-0706 e 17-0734). Todos os métodos foram realizados de acordo com as diretrizes e regulamentações relevantes. O consentimento informado usando formulários aprovados pelo Caltech Institutional Review Board foi obtido de todos os sujeitos. Nenhum sujeito com menos de 18 anos foi usado nesses experimentos.

Parte 2: detalhes para replicação e validação

Instalação de exposição magnética

Construímos uma gaiola de Faraday de seis lados mostrada nas Figuras 1 , 2 de alumínio, escolhida por causa de (1) sua alta condutividade elétrica, (2) baixo custo e (3) ausência de ferromagnetismo. A estrutura básica da gaiola é uma estrutura retangular de 2,44 × 2,44 × 2,03 m feita de hastes de alumínio, com seção transversal quadrada de 1,3 × 1,3 cm ( Fig. 2 A ). Cada uma das superfícies da gaiola (paredes, piso e teto) tem quatro hastes (duas verticais e duas horizontais) delimitando o perímetro de cada folha. Nas paredes da gaiola, três hastes verticais são espaçadas igualmente ao longo da parte interna traseira de cada superfície, e no piso e no teto, três hastes horizontais são espaçadas de forma semelhante, formando uma estrutura de suporte voltada para dentro. Esta estrutura fornece um chassi condutor no qual folhas de alumínio sobrepostas de 1 mm de espessura (2,44 m de comprimento e 0,91 m de largura) foram fixadas usando parafusos de alumínio auto-roscantes em intervalos de ∼0,60 m com grandes sobreposições entre cada folha. Além disso, selamos as costuras entre painéis de alumínio separados com fita de alumínio condutora. A porta de acesso para a gaiola é uma folha de alumínio que é fixada com uma dobradiça de alumínio de 2,4 m de comprimento na parede voltada para o leste, de modo que ela possa se afastar da gaiola e fornecer uma entrada/saída. Lã de alumínio foi afixada ao redor do perímetro desta aba de entrada para fornecer uma vedação condutora quando a aba é abaixada (por exemplo, a gaiola é fechada). A ventilação é fornecida por meio de um tubo de alumínio flexível de ∼3 m de comprimento e 15 cm de diâmetro ( Fig. 2 E ) que entra em um canto superior da sala e é conectado a um conjunto de ventiladores de teto de velocidade variável para um nível confortável, mas silencioso, de fluxo de ar. A extremidade do tubo em contato com a gaiola de Faraday é embalada frouxamente com lã de alumínio que permite a passagem do ar e fornece proteção elétrica. Faixas de luz LED ( Fig. 2 H ) fornecem iluminação para entrada e saída. Essas luzes são alimentadas por uma bateria de íons de lítio contida em um recipiente de alumínio preso na extremidade superior da gaiola de Faraday, adjacente à entrada do duto de ar de ventilação ( Fig. 2 E , bateria vermelha).

Em todas as sessões de experimento, a energia das luzes foi desligada. Um pequeno conjunto de câmera infravermelha e microfone alimentado por USB ( Fig. 2 G ) montado dentro da gaiola na parede norte permite o monitoramento audiovisual dos participantes dentro da sala. Instruções para os participantes são dadas por um par de alto-falantes montados fora da gaiola de Faraday ( Fig. 2 F ), controlados remotamente pelos experimentadores e eletricamente em curto por um relé TTL controlado por computador quando não estão em uso. Painéis de espuma acústica são fixados nas paredes verticais para amortecer ecos dentro da câmara, bem como para reduzir a amplitude do som externo que entra na câmara. Para completar a blindagem de Faraday, aterramos a gaiola permanentemente em um canto com um fio de cobre de 2,6 mm de diâmetro (10 AWG) conectado ao encanamento de cobre no subsolo do edifício. Medições de ruído RMS do interior da gaiola usando uma antena Rf de loop ativo de componente B Schwarzbeck Mess Elektronik FMZB 1513, um analisador de espectro RIGOL DSA815/E-TG e um analisador de sinal Tektronix RSA503A indicaram interferência de ruído residual abaixo de 0,01 nT, na faixa de frequência de 9 kHz a 10 MHz.

Os cabos elétricos que entram na gaiola de Faraday passam por uma abertura lateral no duto de ventilação de alumínio e depois pela lã de alumínio. A interferência de RF é bloqueada ainda mais em todos os cabos elétricos que entram na sala usando pares de indutores de ferrite clip-on (material Fair-Rite nº 75, composto de ferrite MnZn, projetado para supressão de EMI de baixa frequência, denominados daqui em diante como indutores de ferrite) e configurados sempre que possível usando a configuração de "indutor muito bom" de vários loops pareados descrita por Counselman (2013 ; Fig. 2 I ). Dentro do espaço blindado está localizado um conjunto de três eixos de bobinas quadradas de ∼2 m na borda seguindo Merritt et al. (1983) projeto de quatro bobinas (usando a relação de enrolamento de bobina de 59/25/25/59) que fornece uniformidade espacial notavelmente boa no campo magnético aplicado (12 bobinas no total, quatro em cada orientação Norte/Sul, Leste/Oeste e Cima/Baixo; Fig. 2 A ). As bobinas são enroladas duplamente dentro de canais U de alumínio aterrados seguindo um protocolo de projeto que permite exposições de campo ativo e simulado completos ( Kirschvink, 1992b ); elas foram construídas pela Magnetic Measurements, Ltd. Este projeto de enrolamento duplo fornece uma contagem total de enrolamento de bobina de 118/50/50/118 para todos os conjuntos de bobinas de três eixos.

Para fornecer um piso de trabalho isolado do contato direto com as bobinas, suspendemos uma camada de folhas de compensado de ∼2 cm de espessura em uma grade de vigas de madeira de ∼10 × 10 cm de espessura que repousavam sobre a placa basal de alumínio do escudo de Faraday, que são mantidas unidas com parafusos de latão. Cobrimos isso com uma camada de carpete de poliéster sobre a qual colocamos uma cadeira de plataforma de madeira para os participantes ( Fig. 2 B ). Parafusos e porcas não magnéticos foram usados ​​para prender a cadeira, e uma almofada de espuma acolchoada foi adicionada para maior conforto. A cadeira é situada de forma que a cabeça e a parte superior do tronco da maioria dos participantes se encaixem bem dentro do volume de ∼1 m 3 de campos magnéticos altamente uniformes produzidos pelo sistema de bobina ( Kirschvink, 1992b ), mantendo os participantes a uma distância confortável do contato direto com as bobinas de Merritt.

Suspendemos a sonda de três eixos de um magnetômetro fluxgate (Applied Physics Systems modelo 520A) em uma haste telescópica de câmera não magnética, de fibra de carbono, suspensa do teto da gaiola de Faraday ( Fig. 2 D ). Ela foi abaixada para o centro do sistema de bobina para calibração inicial das configurações de campo antes dos experimentos e então elevada até a borda da região de campo uniforme para fornecer registro contínuo do campo magnético durante os experimentos. Cabos de energia para as bobinas e um cabo de dados para o sensor fluxgate saem da gaiola de Faraday através do poço de ventilação, através de uma série de grandes indutores de Rf ( Counselman, 2013 ), uma perseguição de utilidade de teto no corredor adjacente, ao longo da parede da sala de controle e, finalmente, até o hardware de controle. O hardware de controle e o computador estão localizados a aproximadamente 20 m de distância da gaiola de Faraday, através de duas pesadas portas de madeira e através de um corredor que servem como amortecedores de som eficazes, de modo que os participantes não conseguem ouvir diretamente os experimentadores ou o equipamento de controle, e os experimentadores não conseguem ouvir diretamente o participante.

Na sala de controle remoto, três amplificadores de potência bipolares (Kepco modelo BOP-100-1MD) controlam a energia elétrica para os sistemas de bobina ( Fig. 2 J ) e operam em um modo onde a corrente de saída é regulada proporcionalmente à tensão de controle, evitando assim uma queda na corrente (e campo magnético) caso a resistência da bobina aumente devido ao aquecimento. Os níveis de tensão para estes são gerados usando um dispositivo DAQ de saída analógica de 10k amostras por canal por segundo, resolução de 16 bits, controlado por USB (Measurement Computing Modelo USB 3101FS), controlado pelo PC de mesa. Este mesmo PC controla os níveis de saída da fonte de alimentação CC, monitora e registra os componentes ortogonais cartesianos do magnetômetro fluxgate, exibe o vídeo do participante (cujas gravações não são preservadas de acordo com os requisitos do IRB) e é ativado ou em curto, via linhas TTL, para o sistema de comunicação de microfone/alto-falante da sala de controle para a câmara experimental. Como os experimentadores não podem ouvir diretamente o participante e o participante não pode ouvir diretamente os experimentadores, o microfone e o sistema de alto-falantes são necessários (conforme as diretrizes do Caltech Institute Review Board) para garantir a segurança e o conforto do participante, bem como para passar instruções ao participante e responder às perguntas dos participantes antes do início de um bloco de experimentos. O sistema de bobina magnética de três eixos pode produzir um vetor magnético de até 100 μT de intensidade (aproximadamente 2–3× a intensidade de fundo no laboratório) em qualquer direção desejada com uma constante de relaxamento RL característica de 79–84 ms (a indutância e a resistência das quatro bobinas em cada eixo variam ligeiramente dependendo dos diferentes diâmetros de bobina para cada um dos três eixos aninhados e com enrolamento duplo). O modo ativo/sham foi selecionado antes de cada execução por meio de um conjunto de interruptores DPDT (double-pole-double-throw) localizados perto das fontes de alimentação CC. Essas chaves DPDT são configuradas para trocar a direção da corrente que flui em um fio do fio bifilar em relação ao outro fio em cada um dos conjuntos de bobinas ( Kirschvink, 1992b ; Fig. 2 C ). Os níveis de tensão analógica do magnetômetro fluxgate foram digitalizados e transmitidos para um arquivo por meio de um dispositivo DAQ de entrada analógica USB 1608GX de 8 canais (modo diferencial) da Measurement Computing ou um dispositivo DAQ multifuncional A/D, D/A, DIO USB 1616HS-2 da Measurement Computing conectado ao PC de mesa do controlador. Os níveis de sinal de tensão analógica fluxgate foram amostrados a 1024 ou 512 Hz. Embora o experimentador monitore o fluxo de áudio/vídeo da webcam dos participantes continuamente, conforme os requisitos de segurança do Caltech IRB, enquanto eles estão na sala blindada, o software de controle desconecta os alto-falantes externos (na sala que abriga a gaiola de Faraday experimental e as bobinas) e os coloca em curto-circuito com o aterramento elétrico durante todas as execuções para evitar que sinais auditivos estranhos cheguem aos participantes.

Protocolo experimental

No experimento, os participantes sentaram-se eretos na cadeira com os olhos fechados e voltados para o Norte (definido como declinação de 0° em nosso quadro de referência de coordenadas do campo magnético). A câmara experimental era escura, silenciosa e isolada da sala de controle durante as execuções. (Os níveis de luz dentro da câmara experimental durante as execuções experimentais foram medidos usando um medidor de luminância Konica-Minolta CS-100A, que deu leituras de zero, por exemplo, abaixo de 0,01 ± 2% cd/m 2 ). Cada execução teve aproximadamente 7 minutos de duração, com até oito execuções em uma sessão de aproximadamente 1 hora. O campo magnético foi girado ao longo de 100 ms a cada 2–3 s, com intervalos intertrial constantes de 2 ou 3 s em experimentos iniciais e intervalos pseudoaleatoriamente variáveis ​​de 2 a 3 s em experimentos posteriores. Os participantes eram cegos para o modo ativo versus simulado, sequência de teste e tempo de teste. Durante as sessões, tons auditivos sinalizavam o início e o fim dos experimentos e os experimentadores só se comunicavam com os participantes uma ou duas vezes por sessão para atualizar o número de execuções restantes. Quando o tempo permitia, as execuções simuladas eram combinadas com execuções ativas usando as mesmas configurações de software. As execuções simuladas são idênticas às execuções ativas, mas são executadas com os interruptores de direção atuais ajustados para antiparalelo. Isso resultou em nenhuma mudança observável no campo magnético durante a duração de uma execução simulada com o campo local, uniforme e estático produzido pelo sistema de bobina duplamente enrolada no modo de cancelamento ( Kirschvink, 1992b ).

Foram usados ​​dois tipos de sequências de teste: (1) uma Sequência Gold de 127 testes com 63 testes FIXED e 64 testes SWEEP divididos uniformemente entre duas rotações (32 cada) e (2) várias sequências pseudoaleatórias de 150 testes com 50 testes de cada rotação intercaladas com 50 testes FIXED para equilibrar o número de testes em cada uma das três condições. Todos os parâmetros do campo magnético foram mantidos constantes durante os testes FIXED, enquanto a intensidade do campo magnético foi mantida constante durante as rotações de inclinação ou declinação. Em experimentos de inclinação ( Fig. 3 A ), o componente vertical do campo magnético foi girado para cima e para baixo entre ±55°, ±60° ou ±75° (Inc.UP e Inc.DN, respectivamente); os dados coletados de execuções com cada um desses valores de inclinação foram reunidos em um único conjunto representativo de rotações de inclinação entre ângulos íngremes. Em cada caso, o componente horizontal foi estável em 0° de declinação (Norte; Inc.UP.N e Inc.DN.N). Dois tipos de experimentos de declinação foram conduzidos, projetados para testar as hipóteses da bússola quântica e da indução elétrica. Como a bússola quântica só pode determinar o eixo do campo e não a polaridade, comparamos um par de experimentos de declinação nos quais os vetores rotativos foram varridos para o Norte (DecDn.N) e para o Sul (DecUp.S), fornecendo dois conjuntos de dados antiparalelos simétricos ( Fig. 3 B ). Nos experimentos DecDn.N, o componente vertical foi mantido constante e para baixo em +60° ou +75°, enquanto o componente horizontal foi girado entre NE (45°) e NW (315°), ao longo de um arco ao Norte (DecDn.CW.N e DecDn.CCW.N). Nos experimentos DecUp.S, o componente vertical foi mantido para cima a −60° ou −75°, enquanto o componente horizontal foi girado entre SW (225°) e SE (135°) ao longo de um arco sul (DecUp.CW.S e DecUp.CCW.S). Novamente, execuções com valores de inclinação diferentes foram agrupadas como conjuntos de dados com inclinação acentuada para baixo ou acentuada para cima. Para testar a hipótese de indução, pareamos as varreduras DecDn.N com um conjunto semelhante, DecUp.N ( Fig. 3 C ) . Essas duas condições diferem apenas na direção do componente de campo vertical; as rotações foram entre NE e NW em ambos os experimentos (DecDn.CW.N, DecDn.CCW.N, DecUp.CW.N e DecUp.CCW.N). Portanto, qualquer diferença significativa na resposta magnetossensorial elimina a indução como um mecanismo.

Gravação de EEG

O EEG foi registrado usando um sistema BioSemi ActiveTwo com 64 eletrodos seguindo o Sistema Internacional 10-20 ( Nuwer et al., 1998 ). Os sinais foram amostrados a 512 Hz em relação à referência CMS/DRL em baixa impedância <1 Ω e filtrados por banda passante de 0,16 a 100 Hz. Para reduzir artefatos elétricos induzidos pelo campo magnético variável no tempo, os cabos de EEG foram agrupados e torcidos cinco vezes antes de serem conectados a uma caixa de conversão analógica/digital BioSemi alimentada por bateria. Os sinais digitalizados foram transmitidos por um cabo de fibra óptica não condutor de 30 m para uma caixa BioSemi USB2 localizada na sala de controle a ∼20 m de distância, onde um PC de mesa (separado do sistema de controle do experimento) adquiriu dados contínuos de EEG usando o software comercial ActiView. Os gatilhos de EEG sinalizando o início da estimulação magnética foram inseridos pelo sistema de controle do experimento conectando um sinal de temporização de voltagem (0–5 V) do dispositivo DAQ de saída analógica USB 3101FS. O sinal de temporização foi enviado tanto para o dispositivo DAQ de entrada analógica USB 1608GX (ou USB 1616HS-2) da Measurement Computing, usado para amostrar o campo magnético no PC de controle do experimento, quanto para um canal de entrada de voltagem DIO sobressalente na caixa de entrada DAQ USB2 do sistema de EEG, que sincronizou os dados de EEG do cabo óptico com os gatilhos acionados pelo PC de mesa de controle. Isso forneceu: (1) um registro de data e hora preciso em EEG contínuo sempre que as correntes elétricas eram alteradas (ou no caso de ensaios FIXED, quando as correntes elétricas poderiam ter sido alteradas para varrer a direção do campo magnético, mas eram mantidas constantes) na câmara experimental; e (2) uma correlação precisa (±2 ms, precisão determinada pela taxa de entrada digital de 512 amostras por segundo da caixa USB2 da BioSemi) entre os dados fluxgate e EEG.

Análise de EEG

Dados brutos de EEG foram extraídos usando a caixa de ferramentas EEGLAB para MATLAB (MATLAB, RRID: SCR_001622 ; EEGLAB, RRID: SCR_007292 ) e analisados ​​usando scripts MATLAB personalizados. Os testes foram definidos como épocas de 2 ou 3 s de -0,75 s pré-estímulo a +1,25 ou +2,25 s pós-estímulo, com um intervalo de linha de base de -0,5 s a -0,25 s pré-estímulo. A decomposição tempo/frequência foi realizada para cada teste usando a Transformada Rápida de Fourier (função fft do MATLAB ) e a convolução wavelet de Morlet em 100 frequências espaçadas linearmente entre 1 e 100 Hz. A potência média em uma banda alfa estendida de 6–14 Hz foi computada para os intervalos pré-estímulo e pós-estímulo de todos os ensaios, e um limite de 1,5× o intervalo interquartil foi aplicado para identificar ensaios com valores extremos de log alfa-potência. Esses ensaios foram excluídos de análises posteriores, mas retidos nos dados. Após a rejeição automatizada do ensaio, os ERPs foram computados para cada condição e, em seguida, subtraídos de cada ensaio dessa condição para reduzir o artefato de indução elétrica que apareceu apenas durante o intervalo de estimulação magnética de 100 ms. Este é um procedimento estabelecido para remover componentes de fase bloqueada, como potenciais evocados sensoriais de um sinal de EEG para análise subsequente de representações de potência de tempo/frequência não bloqueadas por fase. A potência não bloqueada por fase foi computada no eletrodo frontal da linha média Fz para cada teste e então calculada a média e normalizada na linha de base para cada condição para gerar um mapa de tempo/frequência de −0,25 s pré-estímulo a +1 s ou +2 s pós-estímulo e 1–100 Hz. Para fornecer uma estimativa da potência alfa geral para cada participante, a densidade espectral de potência foi computada usando o método de Welch (função pwelch do MATLAB ) com resolução de frequência de 0,5 Hz ( Welch, 1967 ).

De conjuntos de dados individuais, extraímos o poder alfa pós-estímulo para testar diferenças estatisticamente significativas entre as condições no nível do grupo. Como as oscilações alfa variam substancialmente entre os indivíduos em amplitude, frequência e mudanças induzidas pelo estímulo, uma janela de tempo/frequência invariante não capturaria mudanças de poder induzidas pelo estímulo em muitos participantes. Em nosso conjunto de dados, as oscilações alfa individuais variaram em frequência (frequência de pico de 8 a 12 Hz) e as respostas alfa-ERD individuais começaram em torno de +0,25 a +0,75 s após o estímulo. Assim, quantificamos o poder alfa pós-estímulo dentro de uma janela de tempo/frequência ajustada automaticamente para cada conjunto de dados. Primeiro, o poder alfa não bloqueado por fase entre 6–14 Hz foi calculado em média em todos os testes, independentemente da condição. Então, o ponto de tempo/frequência mais negativo foi selecionado automaticamente do intervalo pós-estímulo entre 0 s e +1 ou +2 s nesta média condicional cruzada. O ponto selecionado representou o alfa-ERD máximo na média de todos os ensaios sem viés para nenhuma condição. Uma janela de tempo/frequência de 0,25 s e 5 Hz foi centralizada (o mais próximo possível, dados os limites do intervalo de busca) sobre este ponto para definir um tempo e frequência individualizados de alfa-ERD para cada conjunto de dados. Dentro da janela, a potência alfa não bloqueada por fase foi calculada em média entre os ensaios e normalizada na linha de base para cada condição, gerando um valor de alfa-ERD para cada condição a ser comparada em testes estatísticos.

Em experimentos iniciais, sequências de testes foram balanceadas com números quase iguais de testes FIXED (63) e SWEEP (64), com um número igual de testes para cada rotação (por exemplo, 32 testes Inc.DN e 32 Inc.UP). Mais tarde, sequências de testes foram projetadas para balancear o número de testes FIXED com o número de testes de cada rotação (por exemplo, 50 testes DecDn.FIXED, 50 DecDn.CCW e 50 DecDn.CW). O alfa-ERD foi calculado sobre números semelhantes de testes para cada condição. Por exemplo, ao comparar o alfa-ERD nas condições FIXED versus CCW versus CW de um experimento de declinação com 63 FIXED (32 testes CCW e 32 CW), 100 amostragens de 32 testes foram retiradas do conjunto de testes FIXED, o alfa-ERD foi calculado sobre o subconjunto de testes em cada amostragem e a média sobre todas as amostragens foi tomada como o alfa-ERD da condição FIXED. Ao comparar as condições FIXED versus SWEEP de um experimento de inclinação com 50 ensaios FIXED, 50 DN e 50 UP, 200 amostragens de 25 ensaios foram retiradas de cada uma das condições DN e UP e o alfa-ERD médio sobre todas as amostragens foi tomado como o alfa-ERD da condição SWEEP. Usando esse método, as diferenças no delineamento experimental foram reduzidas, permitindo a comparação estatística de números semelhantes de ensaios em cada condição.

Três testes estatísticos foram realizados usando alfa-ERD médio: (1) Inc ANOVA ( N = 29), (2) DecDn ANOVA ( N = 26), (3) DecDn/DecUp ANOVA ( N = 16). Para o experimento de inclinação, os dados foram coletados nos modos ativo e simulado para 29 dos 36 participantes. Devido às limitações de tempo dentro das sessões de EEG, os dados simulados não puderam ser coletados para todos os participantes, então aqueles participantes sem dados simulados de inclinação foram excluídos. Uma ANOVA de medidas repetidas bidirecional testou os efeitos da rotação de inclinação (SWEEP vs FIXED) e estimulação magnética (ativa vs sham) no alfa-ERD. O teste post hoc usando o método Tukey-Kramer comparou quatro condições (Active-SWEEP, Active-FIXED, Sham-SWEEP e Sham-FIXED) para diferenças significativas ( Tukey, 1949 ).

Para o experimento DecDn, os dados foram coletados de 26 participantes no modo ativo. Uma ANOVA de medidas repetidas unidirecional testou o efeito da rotação de declinação (DecDn.CCW vs DecDn.CW vs DecDn.FIXED) com teste post hoc para comparar essas três condições. Para um subconjunto de participantes ( N = 16 de 26), os dados foram coletados dos experimentos DecDn e DecUp. Os experimentos DecUp foram introduzidos em um grupo posterior para avaliar o mecanismo de bússola quântica de transdução magnetossensorial, bem como em um indivíduo fortemente responsivo para testar a hipótese de indução menos provável, conforme mostrado no Filme 1. Para testes da hipótese da bússola quântica, usamos o conjunto de dados DecDn/DecUp. Uma ANOVA de medidas repetidas bidirecional testou os efeitos da rotação de declinação (DecDn.CCW.N vs DecDn.CW.N vs DecUp.CCW.S vs DecUp.CW.S vs DecDn.FIXED.N vs DecUp.FIXED.S) e direção de inclinação (Inc.DN.N vs Inc.UP.S) no alfa-ERD; dados de outro indivíduo com forte resposta são mostrados no Filme 2. O teste post hoc comparou seis condições (DecDn.CCW.N, DecDn.CW.N, DecDn.FIXED.N, DecUp.CCW.S, DecUp.CW.S e DecUp.FIXED.S).

Controlando artefatos magnetomecânicos

Uma questão que surge em todos os estudos da percepção humana é se artefatos de confusão no sistema experimental produziram os efeitos observados. Os experimentos de Sham usando sistemas de bobinas duplamente enroladas e ligadas, controlados por computadores remotos e fontes de alimentação, indicam que artefatos óbvios, como aquecimento resistivo dos fios ou vibrações magnetomecânicas entre fios adjacentes, não são responsáveis. No modo ativo, no entanto, os campos magnéticos produzidos pelas bobinas interagem entre si com torques máximos ocorrendo quando o momento u de um conjunto de bobinas é ortogonal ao campo B de outro (torque = u × B ). Portanto, pequenos torques nas bobinas podem produzir sinais de movimento subaurais transitórios. Os participantes podem detectar esses sinais subconscientemente, embora as bobinas estejam ancoradas à gaiola de Faraday em muitos pontos; os conjuntos de cadeira e piso são mecanicamente isolados das bobinas; os experimentos são realizados em escuridão total e as frequências efetivas de mudança estão todas abaixo de 5 Hz e agindo por apenas 0,1 s. Nenhum experimentador ou participante jamais afirmou perceber rotações de campo conscientemente, mesmo quando a gaiola estava iluminada e esforços foram feitos para detectar conscientemente as rotações de campo. Além disso, a simetria das rotações de campo e a natureza assimétrica dos resultados argumentam fortemente contra esse tipo de artefato. Durante os experimentos de declinação, por exemplo, o componente vertical do campo magnético é mantido constante enquanto um componente horizontal de magnitude constante é girado 90° através dos eixos de bobina N/S e E/W. Portanto, o padrão de torque produzido pelas rotações DecDn.CCW.N deve ser idêntico ao das rotações DecUp.CW.S, mas essas condições produziram resultados dramaticamente diferentes. Concluímos que artefatos magnetomecânicos não são responsáveis ​​pelas respostas observadas.

Teste de artefatos ou percepção por indução elétrica

Outra fonte de artefatos pode ser correntes parasitas elétricas induzidas durante varreduras de campo que podem estimular a atividade cerebral subsequente de EEG na cabeça ou talvez na pele ou couro cabeludo adjacente aos sensores de EEG. Tais artefatos seriam difíceis de distinguir de uma estrutura magnetorreceptiva baseada em indução elétrica. Por exemplo, os efeitos alfa-ERD podem surgir por meio de alguma forma de receptor sensível à voltagem no couro cabeludo, ativando subconscientemente os neurônios sensoriais e transmitindo informações ao cérebro para processamento posterior. No entanto, para qualquer mecanismo de indução elétrica, a lei de Maxwell-Faraday sustenta que o campo elétrico induzido E está relacionado ao vetor do campo magnético, B ( t ), por:1

Durante uma rotação de declinação, o vetor de campo B ( t ) é dado por: B ( t ) = B V + B H ( t ), onde B V é o componente de campo vertical constante, t é o tempo, B H ( t ) é o componente horizontal rotativo e as quantidades em negrito são vetores. Como a derivada de uma constante é zero, o vetor vertical estático B V não tem efeito, e o efeito elétrico induzido depende apenas do vetor de rotação horizontal, B H ( t ):2

No teste de indução mostrado na Figura 3 C , as varreduras do componente horizontal são idênticas, indo ao longo de um arco de 90° entre NE e NW (DecDn.CCW.N e DecUp.CCW.N). Os dois testes diferem apenas pela direção do vetor vertical estático, B V , que é mantido na orientação para baixo na linha inferior do Filme 1 e para cima na linha superior. Assim, respostas divergentes nessas condições não podem ser explicadas com base na indução elétrica.

Também realizamos experimentos de controle adicionais em "fantasmas de EEG", que nos permitem isolar a contribuição de ruído ambiental e artefatos de equipamentos. As configurações típicas variam de circuitos de resistores simples a cadáveres humanos frescos. Realizamos medições em dois fantasmas de EEG comumente usados: um balde de solução salina e um melão. Destes controles, isolamos os efeitos elétricos induzidos por rotações de campo magnético. Os efeitos induzidos foram semelhantes ao artefato observado em participantes humanos durante o intervalo de estimulação magnética de 100 ms, e observados na Figura 4. No melão e nos controles do balde de água, nenhuma resposta alfa-ERD foi observada nos modos ativo ou simulado, sugerindo que um cérebro é necessário para produzir uma resposta magnetossensorial a jusante de quaisquer artefatos de indução no sinal de EEG.

Resultados

Resposta neural a estímulos geomagnéticos

Em observações iniciais, vários participantes (residindo no Hemisfério Norte) exibiram padrões marcantes de atividade neural após estimulação magnética, com fortes diminuições na potência alfa do EEG em resposta a duas rotações de campo específicas: (1) ensaios de inclinação SWEEP (Inc.UP.N e Inc.DN.N), nos quais o vetor magnético girou para baixo ou para cima (por exemplo, girando um vetor de campo apontado para baixo para um vetor apontado para cima, ou vice-versa; Fig. 3 A , setas vermelhas e azuis); e (2) ensaios DecDn.CCW.N, nos quais a declinação do campo magnético girou no sentido anti-horário enquanto a inclinação foi mantida para baixo (como no Hemisfério Norte; Fig. 3 B , seta vermelha sólida). A potência alfa começou a cair dos níveis basais pré-estímulo já em ∼100 ms após a estimulação magnética, diminuindo em até ∼50% ao longo de várias centenas de milissegundos, recuperando então a linha de base em ∼1 s após o estímulo. A Figura 4 B mostra um traço de voltagem de EEG de amostra que contém tal queda na potência alfa. Os mapas de potência de tempo-frequência na Figura 5 são médias de testes cruzados e mostram como a potência espectral contida no traço de EEG mudou ao longo do tempo. Quedas na potência são representadas em uma cor azul profunda. A topografia do couro cabeludo era bilateral e generalizada, centralizada sobre eletrodos frontais/centrais, incluindo o eletrodo frontal da linha média Fz quando referenciado ao CPz. A Figura 5 A mostra o padrão de resposta de todo o cérebro para varreduras de inclinação e testes de controle (Inc.SWEEP.N e Inc.FIXED.N) de um dos participantes responsivos, com o alfa-ERD exibido nos testes SWEEP, mas não FIXED. Da mesma forma, a Figura 5 B , C mostra as respostas de declinação de um participante diferente em duas execuções separadas (rotuladas execuções 1 e 2) com seis meses de intervalo. O tempo de resposta, a largura de banda e a topografia do alfa-ERD nas varreduras CCW, com controles FIXED negativos, foram replicados em todas as execuções, indicando uma assinatura repetível de processamento magnetossensorial em humanos. Após sessões experimentais, os participantes relataram que não conseguiam discernir quando ou se alguma mudança no campo magnético havia ocorrido.

Alpha-ERD as a neural response to magnetic field rotation. Post-stimulus power changes (dB) from a pre-stimulus baseline (−500 to −250 ms) plotted according to the ±3-dB color bar at bottom. A, Scalp topography of the alpha-ERD response in an inclination experiment, showing alpha-power at select time points before and after field rotation at 0 s. Alpha-ERD (deep blue) was observed in SWEEP (top row), but not FIXED (bottom row), trials. B, Scalp topography of the alpha-ERD response for two runs of the declination experiment, tested six months apart in a different strongly-responding participant. DecDn.CCW.N condition is shown. In both runs, the response peaked around +500 ms post-stimulus and was widespread over frontal/central electrodes, demonstrating a stable and reproducible response pattern. C, Time-frequency maps at electrode Fz for the same runs shown in B. Black vertical lines indicate the 0- to 100-ms field rotation interval. Pink/white outlines indicate significant alpha-ERD at the p < 0.05 and p < 0.01 statistical thresholds, respectively. Separate runs shown side by side. Significant alpha-ERD was observed following downwards-directed counterclockwise rotations (outlines in top row) with no other power changes reaching significance. Significant power changes appear with similar timing and bandwidth, while activity outside the alpha-ERD response and activity in other conditions is inconsistent across runs."

Figura 5.

Alpha-ERD como uma resposta neural à rotação do campo magnético. Alterações de potência pós-estímulo (dB) de uma linha de base pré-estímulo (−500 a −250 ms) plotadas de acordo com a barra de cores de ±3 dB na parte inferior. A , Topografia do couro cabeludo da resposta alpha-ERD em um experimento de inclinação, mostrando a potência alfa em pontos de tempo selecionados antes e depois da rotação do campo em 0 s. Alpha-ERD (azul profundo) foi observado em ensaios SWEEP (linha superior), mas não FIXED (linha inferior). B , Topografia do couro cabeludo da resposta alpha-ERD para duas execuções do experimento de declinação, testadas com seis meses de intervalo em um participante diferente com forte resposta. A condição DecDn.CCW.N é mostrada. Em ambas as execuções, a resposta atingiu o pico em torno de +500 ms após o estímulo e foi disseminada sobre os eletrodos frontais/centrais, demonstrando um padrão de resposta estável e reproduzível. C , Mapas de tempo-frequência no eletrodo Fz para as mesmas execuções mostradas em B. Linhas verticais pretas indicam o intervalo de rotação de campo de 0 a 100 ms. Contornos rosa/brancos indicam alfa-ERD significativo nos limiares estatísticos p < 0,05 e p < 0,01, respectivamente. Execuções separadas mostradas lado a lado. Alfa-ERD significativo foi observado após rotações anti-horárias direcionadas para baixo (contornos na linha superior) sem nenhuma outra mudança de potência atingindo significância. Mudanças significativas de potência aparecem com tempo e largura de banda semelhantes, enquanto a atividade fora da resposta alfa-ERD e a atividade em outras condições são inconsistentes entre as execuções.

O ritmo alfa é a oscilação dominante do cérebro humano no estado de repouso, quando uma pessoa não está processando nenhum estímulo específico ou realizando nenhuma tarefa específica ( Klimesch, 1999 ). Os neurônios envolvidos nesse ritmo interno produzem ondas alfa de 8 a 13 Hz que são mensuráveis ​​por EEG. Os indivíduos variam amplamente na amplitude do ritmo alfa de repouso. Quando um estímulo externo é repentinamente introduzido e processado pelo cérebro, o ritmo alfa geralmente diminui em amplitude em comparação com uma linha de base pré-estímulo. ( Pfurtscheller et al., 1994 ; Klimesch, 1999 ; Hartmann et al., 2012 ). Esse fenômeno de EEG, denominado alfa-ERD, tem sido amplamente observado durante o processamento perceptual e cognitivo em modalidades visuais, auditivas e somatossensoriais ( Peng et al., 2012 ). O alfa-ERD pode refletir o recrutamento de neurônios para processar informações sensoriais recebidas e, portanto, é uma assinatura generalizada para uma mudança de atividade neuronal do ritmo interno de repouso para o envolvimento externo com processamento sensorial ou relacionado à tarefa ( Pfurtscheller e Lopes da Silva, 1999 ). Os indivíduos também variam na força do alfa-ERD; aqueles com alto estado de repouso ou poder alfa pré-estímulo tendem a mostrar fortes alfa-ERDs após estimulação sensorial, enquanto aqueles com baixo poder alfa têm pouca ou nenhuma resposta na banda alfa ( Klimesch, 1999 ).

Com base em observações iniciais, formulamos a hipótese de que a transdução sensorial de estímulos geomagnéticos poderia ser detectável como alfa-ERD em resposta a rotações de campo, por exemplo, a rotação do campo magnético seria o estímulo externo, e o alfa-ERD seria a assinatura do cérebro começando a processar dados sensoriais desse estímulo. Essa hipótese foi testada no nível do grupo em dados coletados de 29 participantes nas condições de rotação de inclinação ( Fig. 3 A ) e 26 participantes nas condições de rotação de declinação ( Fig. 3 B , setas sólidas).

Para experimentos de inclinação, coletamos dados de corridas ativas e simuladas pareadas ( N = 29 de 36; sete participantes foram excluídos devido a limites de tempo que impediram a coleta de dados simulados). Testamos os efeitos da rotação de inclinação (SWEEP vs FIXED) e estimulação magnética (ativa vs sham) usando uma ANOVA de medidas repetidas bidirecional. Encontramos uma interação significativa da rotação de inclinação e estimulação magnética ( p < 0,05). A comparação post hoc das quatro condições experimentais (ativa-SWEEP, ativa-FIXED, sham-SWEEP, sham-FIXED) revelou diferenças significativas entre a ativa-SWEEP e todas as outras condições ( p < 0,05). As rotações para baixo/para cima da inclinação do campo magnético produziram um alfa-ERD ∼2× maior do que as flutuações de fundo na condição de controle FIXED e em todas as condições simuladas. Os resultados estão resumidos na Tabela 1 e Figura 6 A.

Tabela 1.

Resultados do grupo de ANOVA de duas vias e medidas repetidas para os efeitos da rotação de inclinação × estimulação magnética na potência alfa pós-estímulo

Figura 6.

Resultados do grupo de ANOVA de medidas repetidas para os efeitos da estimulação geomagnética na potência alfa pós-estímulo. A , Alfa-ERD média (dB) no eletrodo Fz nas condições SWEEP e FIXED de experimentos de inclinação executados em modo ativo ou simulado. A ANOVA bidirecional mostrou uma interação ( p < 0,05, N = 29) de rotação de inclinação (SWEEP vs FIXED) e estimulação magnética (ativa vs sham). De acordo com o teste post hoc , apenas varreduras de inclinação no modo ativo produziram alfa-ERD acima das flutuações de fundo em ensaios FIXED ( p < 0,01) ou modo sham ( p < 0,05). B , Alfa-ERD média (dB) no eletrodo Fz no experimento de declinação com inclinação mantida para baixo (DecDn). A ANOVA unidirecional mostrou um efeito principal significativo da rotação de declinação ( p < 0,001, N = 26). A rotação anti-horária direcionada para baixo (DecDn.CCW.N) produziu efeitos significativamente diferentes tanto da rotação horária correspondente (DecDn.CW.N, p < 0,001) quanto da condição de controle FIXED (DecDn.FIXED.N, p < 0,001). C , Comparação das rotações de declinação com inclinação mantida para baixo (DecDn) ou para cima (DecUp) em um subconjunto ( N = 16 de 26) de participantes executados em ambos os experimentos. A ANOVA bidirecional mostrou uma interação significativa ( p < 0,01) da rotação de declinação (CCW vs CW vs FIXED) e direção de inclinação (Dn vs Up). O teste post hoc mostrou diferenças significativas ( p < 0,01) entre a condição DecDn.CCW.N e todas as outras condições, nenhuma das quais era distinta de qualquer outra. Este é um teste direto e rejeição da hipótese da bússola quântica. D , Grande média das mudanças de potência de tempo-frequência entre os 26 participantes no experimento DecDn de B. As linhas verticais pretas indicam o intervalo de rotação de campo de 0 a 100 ms. Uma queda pós-estímulo na potência alfa foi observada somente após a rotação anti-horária direcionada para baixo (painel esquerdo). Uma maior disseminação da dessincronização reflete a variação interindividual. A convolução envolvida nas análises de tempo/frequência faz com que as respostas iniciais de alguns participantes pareçam espalhadas no intervalo pré-estímulo. E , Grande média das mudanças de potência de tempo-frequência entre os 18 participantes com dados simulados nos experimentos de declinação; nenhuma mudança significativa de potência foi observada.

Em experimentos de declinação ( Fig. 6 B ), observamos uma resposta notavelmente assimétrica às rotações no sentido horário (DecDn.CW.N) e anti-horário (DecDn.CCW.N) de um campo direcionado para baixo varrendo entre Nordeste e Noroeste. O alfa-ERD foi ∼3× maior após rotações no sentido anti-horário do que no sentido horário, o último produzindo mudanças de potência alfa indistinguíveis das flutuações de fundo na condição de controle FIXED. Sobre o conjunto de participantes ( N = 26 de 26 que foram executados neste experimento), executamos uma ANOVA de medidas repetidas unidirecional com três condições (DecDn.CCW.N, DecDn.CW.N e DecDn.FIXED.N) para encontrar um efeito altamente significativo da rotação de declinação ( p < 0,001; Tabela 2 ). Conforme indicado na Figura 6 B , a rotação anti-horária provocou uma resposta significativamente diferente tanto da rotação horária ( p < 0,001) quanto do controle FIXED ( p < 0,001). A Figura 6 D mostra a média geral bloqueada por estímulo em todos os participantes para cada condição; um alfa-ERD é observado apenas para rotações anti-horárias de um campo direcionado para baixo (painel esquerdo). Dados simulados estavam disponíveis para 18 dos 26 participantes nos experimentos de declinação; nenhuma mudança importante no poder pós-estímulo foi observada em nenhuma das condições simuladas ( Fig. 6 E ).

Tabela 2.

Resultados do grupo de ANOVA unidirecional de medidas repetidas para os efeitos da rotação de declinação na inclinação para baixo no poder alfa pós-estímulo

A resposta de declinação assimétrica forneceu um ponto de partida para avaliar mecanismos potenciais de transdução magnetossensorial, particularmente a hipótese da bússola quântica, que recebeu muita atenção nos últimos anos ( Ritz et al., 2000 ; Hore e Mouritsen, 2016 ). Como a bússola quântica não consegue distinguir a polaridade, conduzimos experimentos adicionais de rotação de declinação nos quais os campos eram axialmente idênticos aos dos experimentos DecDn anteriores, exceto com polaridade invertida ( Fig. 3 B , rotações de polaridade invertida mostradas como setas tracejadas). Nas condições DecUp adicionais, o Norte Magnético apontava para o Sul Geográfico e para cima em vez do Norte Geográfico e para baixo, e o campo direcionado para cima girava no sentido horário (DecUp.CW.S) ou anti-horário (DecUp.CCW.S) entre SE e SW. Em testes posteriores, executamos 16 participantes nos experimentos DecDn e DecUp para determinar os efeitos da rotação de declinação e direção de inclinação em uma ANOVA de medidas repetidas bidirecional com seis condições (DecDn.CCW.N, DecDn.CW.N, DecDn.FIXED.N, DecUp.CCW.S, DecUp.CW.S e DecUp.FIXED.S). Uma interação significativa de rotação de declinação e direção de inclinação ( p < 0,01) foi encontrada ( Fig. 6 C ; Tabela 3 ). DecDn.CCW.N foi significativamente diferente de todas as outras condições ( p < 0,01), nenhuma das quais diferiu de qualquer outra. Assim, rotações anti-horárias de um campo direcionado para baixo foram processadas de forma diferente no cérebro humano das mesmas rotações de um campo de polaridade oposta. Esses resultados contradizem a hipótese da bússola quântica, conforme explicado abaixo em Mecanismos biofísicos.

Tabela 3.

Resultados do grupo de ANOVA de medidas repetidas bidirecionais para os efeitos da rotação de declinação × direção de inclinação no poder alfa pós-estímulo

A partir de estudos anteriores de EEG de oscilações alfa na cognição humana, sabe-se que a força do alfa-ERD varia substancialmente entre os indivíduos ( Pfurtscheller et al., 1994 ; Klimesch et al., 1998 ; Klimesch, 1999 ). Em concordância com isso, observamos uma ampla gama de respostas de alfa-ERD em nossos participantes também. Alguns participantes mostraram grandes quedas na potência alfa de até ∼60% da linha de base pré-estímulo, enquanto outros não responderam com pouca mudança na potência pós-estímulo em qualquer frequência. Os histogramas dessas respostas são fornecidos na Figura 7 .

Figura 7.

Histograma de respostas alfa-ERD sobre todos os participantes. Os painéis mostram o histograma de respostas individuais para cada condição. A frequência é dada em número de participantes. Como procuramos uma queda na potência alfa após a estimulação magnética, os histogramas são deslocados para valores negativos em todas as condições. A , experimento DecDn padrão ( N = 26). A condição CCW mostra a média mais negativa em uma distribuição contínua de respostas dos participantes com a maioria dos participantes tendo uma resposta >2 dB . B , experimento DecUp ( N = 16). Nenhuma resposta magnetossensorial significativa foi observada em nenhuma condição, e nenhuma diferença clara é aparente entre as três distribuições. C , experimento de declinação simulada ( N = 18). Nenhuma resposta magnetossensorial significativa foi observada em nenhuma condição, e nenhuma diferença clara é aparente entre as três distribuições.

Para confirmar que a variabilidade no conjunto de dados era devido a diferenças características entre indivíduos em vez de variabilidade geral na medição ou no fenômeno, testamos novamente os participantes fortemente respondedores para ver se suas respostas eram estáveis ​​entre as sessões. Usando testes de permutação com correção de FDR nos limiares estatísticos de p < 0,05 e p < 0,01, identificamos participantes que exibiram alfa-ERD que atingiram significância no nível individual e os testamos ( N = 4) novamente semanas ou meses depois. Um exemplo de execuções separadas no mesmo participante é mostrado na Figura 5 B , C , e outras séries de dados são mostradas na Figura 8. Cada participante replicou seus resultados com ajuste de resposta, tempo e topografia semelhantes, fornecendo maior confiança de que o efeito observado era específico para o estímulo magnético no cérebro daquele indivíduo. Embora a diferença funcional entre indivíduos fortemente e fracamente respondedores não seja clara, a identificação de indivíduos fortemente respondedores nos dá a oportunidade de conduzir testes mais focados direcionados a derivar as características biofísicas do mecanismo de transdução.

Figura 8.

Resultados repetidos de dois participantes fortemente respondedores. Em A , B , os participantes foram testados com semanas ou meses de intervalo sob as mesmas condições (execução 1 e execução 2). Mapas de tempo/frequência mostram tempo e largura de banda semelhantes de mudanças significativas de potência alfa ( aglomerados azuis nos contornos) após rotação no sentido anti-horário, enquanto a atividade fora da resposta alfa-ERD e a atividade em outras condições são inconsistentes entre as execuções. Os contornos rosa/brancos indicam significância nos limiares p < 0,05 e p < 0,01. O participante em A teve uma frequência de pico alfa em > 11 Hz e uma resposta alfa-ERD de frequência mais baixa. O participante em B teve uma frequência de pico alfa < 9 Hz e uma resposta alfa-ERD de frequência mais alta. Pequenas flutuações de potência nas outras condições ou em diferentes bandas de frequência não foram repetidas entre as execuções, indicando que apenas a alfa-ERD era uma assinatura repetível do processamento magnetossensorial.

Mecanismos biofísicos

Três principais hipóteses de transdução biofísica foram amplamente consideradas para magnetorecepção em animais: (1) várias formas de indução elétrica ( Yeagley, 1947 ; Kalmijn, 1981 ; Rosenblum et al., 1985 ), (2) uma bússola química/quântica envolvendo interações hiperfinas com um pigmento fotoativo ( Schulten, 1982 ) como o criptocromo ( Ritz et al., 2000 ; Hore e Mouritsen, 2016 ), e (3) organelas especializadas baseadas em magnetita precipitada biologicamente, semelhantes às de microrganismos magnetotáticos ( Kirschvink e Gould, 1981 ). Nós projetamos os experimentos de declinação descritos acima para testar essas hipóteses.

Indução elétrica

De acordo com a lei de Maxwell-Faraday (∇ × E = -∂ B /∂ t ), a indução elétrica depende apenas do componente do campo magnético que está mudando com o tempo (∂ B /∂ t ). Em nossos experimentos de declinação, isso corresponde ao componente horizontal que está sendo girado. O componente vertical é mantido constante e, portanto, não contribui para a indução elétrica. Assim, comparamos as respostas cerebrais a duas condições correspondentes, onde as rotações de declinação eram idênticas, mas os componentes verticais estáticos eram opostos ( Fig. 3 C ). Um mecanismo de transdução baseado na indução elétrica responderia de forma idêntica a essas duas condições. O filme 1 mostra a resposta magnetossensorial alfa-ERD de um indivíduo que responde fortemente a esses dois tipos de estímulos. Na linha superior, o componente estático estava apontando para cima e, na linha inferior, o campo estático estava apontando para baixo. Na condição DecDn.CCW.N (painel inferior esquerdo), o alfa-ERD (mancha azul-escura) começa na região parietal direita quase imediatamente após a estimulação magnética e se espalha pelo couro cabeludo para a maioria dos locais de gravação. Essa dessincronização bilateral grande, prolongada e significativa ( p < 0,01 em Fz) ocorre apenas nessa condição, com apenas flutuações de fundo mais curtas, mais fracas e mais localizadas nas outras condições (ns em Fz). Nenhum alfa-ERD foi observado após qualquer rotação de campo direcionada para cima (DecUp.CCW.N e DecUp.CW.N, painéis superior esquerdo e central), em contraste com a forte resposta na condição DecDn.CCW.N.

Olhando para os dados de todos os nossos experimentos (em pessoas do Hemisfério Norte), nenhum participante produziu respostas alfa-ERD para rotações com um campo magnético vertical estático para cima (encontrado naturalmente no Hemisfério Sul). Isso demonstra que o alfa-ERD observado, sem bloqueio de fase, nos participantes não é um artefato, pois o alfa-ERD discrimina entre rotações de campo geomagnético que são idênticas em seu componente dinâmico, mas diferem apenas em seus componentes estáticos. Esse nível de discriminação exige que alguma forma de transdução sensorial e processamento neural desse sinal transduzido deva estar ocorrendo nos participantes humanos.

Esses testes indicam que os mecanismos de indução elétrica não podem ser responsáveis ​​pela resposta neural. Essa análise também descarta um artefato elétrico de loops de corrente induzidos dos eletrodos do couro cabeludo, pois qualquer corrente induzida nos loops também seria idêntica nas execuções correspondentes. Nossos resultados também são consistentes com muitas análises biofísicas anteriores, que argumentam que a indução elétrica seria um mecanismo de transdução ruim para animais terrestres, pois os campos induzidos são muito baixos para funcionar de forma confiável sem grandes estruturas anatômicas especializadas que teriam sido identificadas há muito tempo ( Yeagley, 1947 ; Rosenblum et al., 1985 ). Outros artefatos de confusão em potencial foram discutidos em Materiais e Métodos, Parte 2: detalhes para replicação e validação.

Bússola quântica

A partir de princípios físicos básicos, um mecanismo de transdução baseado em efeitos quânticos pode ser sensível ao eixo do campo geomagnético, mas não à polaridade ( Schulten, 1982 ; Ritz et al., 2000 ). Na versão mais popular dessa teoria, uma molécula fotossensível como o criptocromo absorve um fóton azul, produzindo um par de radicais livres que podem transitar entre um estado singleto e tripleto com a frequência de transição dependendo do campo magnético local. O eixo do campo magnético, mas não a polaridade, poderia então ser monitorado por taxas de reação diferenciais dos produtos singleto versus tripleto.

Essa insensibilidade à polaridade, compartilhada por todas as teorias de magnetotransdução baseadas em quantum, é inconsistente com o teste de nível de grupo da bússola quântica apresentado acima. Os dados ( Tabela 3 ; Fig. 6 C , barras azuis escuras) mostraram respostas claramente distintas dependendo da polaridade. Verificamos adicionalmente esse padrão de resultados no nível individual. O filme 2 mostra a resposta magnetossensorial alfa-ERD em outro indivíduo fortemente respondente. Apenas a rotação DecDn.CCW.N (painel inferior esquerdo) produz uma alfa-ERD significativa ( p < 0,01 em Fz). A falta de uma resposta significativa na condição DecUp.CCW.S axialmente idêntica indica que a resposta magnetossensorial humana é sensível à polaridade.

Na superfície, pode parecer que entradas não polares podem dar suporte ao comportamento dependente da polaridade ao serem suplementadas com outras pistas sensoriais, como a gravidade. Pássaros e alguns outros animais exibem uma bússola de inclinação magnética que identifica o ângulo mais íngreme do mergulho do campo magnético em relação à gravidade ( Wiltschko, 1972 ; Wiltschko e Wiltschko, 1995a ). No contexto do campo magnético da Terra, essa pista não polar permite que um pássaro identifique a direção do polo mais próximo, mas não permite que ele identifique se é o Norte ou o Sul. Essa estratégia comportamental não conseguiu distinguir entre os campos antipodais (vetores opostos) usados ​​em nosso teste biofísico de sensibilidade à polaridade. Se criarmos um campo com o norte magnético para baixo e para a frente, o pássaro pode identificar corretamente o Norte como para a frente. No entanto, se apontarmos o norte magnético para cima e para trás, esse pássaro continuará a identificar o Norte como para a frente porque essa é a direção do mergulho máximo. No final das contas, magnetismo e gravidade são forças distintas e não interativas da natureza e, portanto, informações sobre polaridade magnética não podem ser extraídas da gravidade.

Em nosso experimento, o mecanismo de transdução magnética inicial deve ser sensível à polaridade para dar origem a uma resposta neural que seja sensível à polaridade. Se a informação de polaridade não estiver presente inicialmente de um transdutor magnético, ela não pode ser recuperada adicionando informações de outras modalidades sensoriais. Como ilustração, se dermos aos nossos participantes uma bússola com uma agulha que não tenha sua ponta Norte marcada, eles não conseguiriam distinguir a polaridade de um campo magnético aplicado, mesmo se dermos a eles um pêndulo de gravidade ou qualquer outro sensor não magnético. Isso significa que um mecanismo baseado em bússola quântica não pode ser responsável pela resposta alfa-ERD que observamos em humanos.

Discussão

Seletividade de resposta

A seletividade das respostas cerebrais para direções e rotações específicas do campo magnético pode ser explicada pelo ajuste da atividade neural para valores ecologicamente relevantes. Esse ajuste é bem conhecido em tartarugas marinhas no Oceano Atlântico central, onde pequenos aumentos na inclinação ou intensidade geomagnética local (que indicam que os animais estão se deslocando muito para o norte e se aproximando das correntes da Corrente do Golfo) desencadeiam mudanças abruptas na direção da natação, evitando assim que sejam levados para longe de seu lar no Mar dos Sargaços ( Light et al., 1993 ; Lohmann e Lohmann, 1996 ; Lohmann et al., 2001 ). Algumas aves migratórias também são conhecidas por parar de responder à direção magnética se a intensidade do campo ambiente for deslocada mais de ∼25% dos valores ambientais locais ( Wiltschko, 1972 ), o que as impediria de usar esta bússola sobre anomalias geomagnéticas. De nossos experimentos humanos até o momento, suspeitamos que o alfa-ERD ocorre em nossos participantes principalmente em resposta a campos geomagnéticos que refletem algo próximo do "normal" em nossa localidade do Hemisfério Norte, onde o vetor de campo em busca do Norte se inclina para baixo. Isso explicaria por que rotações de campo com um componente estático para cima produziram pouca resposta em participantes do Hemisfério Norte. Conduzir experimentos semelhantes em participantes nascidos e criados em outras regiões geográficas (como no Hemisfério Sul ou no Equador Geomagnético) poderia testar essa hipótese.

Outra questão em relação à seletividade de resposta é por que rotações CCW (DecDn.CCW.N) direcionadas para baixo, mas não CW (DecDn.CW.N), provocaram alfa-ERD. O viés pode surgir em vários níveis, seja no receptor ou durante o processamento neural. A estrutura e a função das células magnetorreceptoras são desconhecidas, mas as estruturas biológicas exibem quiralidade (direita ou esquerda) em muitas escalas espaciais, de aminoácidos individuais a conjuntos de proteínas dobradas e estruturas multicelulares. Se tais assimetrias de espelho existirem no complexo macromolecular que interage com a magnetita, elas podem favorecer a transdução de um estímulo em relação ao seu oposto. Alternativamente, processos cognitivos de nível superior podem ajustar a resposta neural em direção a rotações no sentido anti-horário sem qualquer viés no nível do receptor. No momento em que este artigo foi escrito, não podemos descartar a possibilidade de que alguma fração de humanos possa ter uma resposta CW sob este ou outros paradigmas experimentais, assim como alguns humanos são canhotos em vez de destros. Também não podemos descartar a existência de uma resposta neural separada às rotações CW que não se reflete na assinatura alfa-ERD que analisamos aqui.

O significado funcional das respostas divergentes para CW e CCW também não é claro. Pode simplesmente surgir como um subproduto durante a evolução e desenvolvimento de assimetrias de espelho ecologicamente mais relevantes (como Norte para cima vs Norte para baixo). Também pode ser que a resposta alfa-ERD reflita informações não direcionais, como um aviso de anomalias geomagnéticas, que podem expor um animal navegando a mudanças repentinas do campo magnético comparáveis ​​às usadas em nossos experimentos. Entrar e sair de anomalias locais expõe os animais a mudanças de campo opostas, e a sensibilidade a uma das direções de mudança pareadas é suficiente para detectar a anomalia. Por exemplo, terrenos vulcânicos ou ígneos são propensos a campos de tais anomalias devido à remagnetização por raios ( Carporzen et al., 2012 ). Um animal se movendo através de características magnéticas desse tipo receberá uma série de sinais de alerta contra o uso do campo magnético para navegação de longo alcance. Experimentos futuros podem testar essa especulação varrendo a intensidade do campo por valores correspondentes aos de raios e outras anomalias para verificar padrões assimétricos de alfa-ERD.

Uma questão final é se a assimetria de resposta ocorre apenas em experimentos passivos quando os participantes experimentam estimulação magnética sem tentar fazer uso da informação. O processamento neural em outros domínios sensoriais é conhecido por variar em sua sintonia dependendo do estado comportamental ou atento dos organismos ( Fontanini e Katz, 2008 ). Tarefas comportamentais, como julgar a direção ou rotação do campo com gravação de EEG, podem ser usadas para explorar o sistema magnetossensorial em mais detalhes e para ver se a seletividade da resposta é afetada.

Discussão geral

Conforme observado acima, muitas tentativas anteriores foram feitas para testar a presença de magnetorecepção humana usando ensaios comportamentais, mas os resultados foram inconclusivos. Para evitar os artefatos cognitivos e comportamentais inerentes ao teste de respostas sensoriais fracas ou subliminares, decidimos usar técnicas de EEG para ver diretamente se o cérebro humano tem ou não respostas passivas a mudanças no campo magnético. Nossos resultados indicam que os cérebros humanos estão de fato coletando e processando seletivamente a entrada direcional de receptores de campo magnético. Isso dá origem a uma resposta cerebral que é seletiva para a direção e rotação do campo com um padrão de atividade neural que é mensurável no nível do grupo e repetível em indivíduos com forte resposta. A seletividade da resposta favoreceu estímulos ecologicamente válidos, distinguindo entre rotações de velocidades e magnitudes de outra forma iguais. Isso indica que o efeito é devido a um mecanismo biologicamente ajustado em vez de alguma influência física genérica. Essa atividade neural é um pré-requisito necessário para qualquer expressão comportamental subsequente de magnetorecepção e representa um ponto de partida para testar se tal expressão existe.

O fato de que o alfa-ERD é provocado em um padrão específico e nitidamente delineado nos permite fazer inferências sobre os mecanismos biofísicos de transdução de sinal. Notavelmente, a resposta do alfa-ERD diferenciou claramente entre conjuntos de estímulos que diferem apenas por seus componentes estáticos ou polares. A indução elétrica, artefatos elétricos e mecanismos de bússola quântica são totalmente insensíveis a esses componentes e não podem explicar a seletividade das respostas cerebrais que registramos. Em contraste, os mecanismos ferromagnéticos podem ser altamente sensíveis a componentes de campo estático e polar e podem distinguir nossos estímulos de teste com respostas diferentes. Na forma mais simples, o torque (= u × B ) de uma sequência de cristais de magnetita (uma "cadeia magnetossômica" como aquelas nas bactérias magnetotáticas) pode atuar para abrir e fechar canais iônicos transmembrana. Várias análises biofísicas mostraram que este é um mecanismo muito plausível ( Kirschvink, 1992a ; Winklhofer e Kirschvink, 2010 ). Finalmente, mecanismos baseados em magnetita para navegação foram caracterizados em animais por meio de estudos neurofisiológicos ( Walker et al., 1997 ), histológicos ( Diebel et al., 2000 ) e de remagnetização de pulso ( Kirschvink e Kobayashi-Kirschvink, 1991 ; Wiltschko et al., 1994 , 1998 , 2002 , 2007 , 2009 ; Wiltschko e Wiltschko, 1995b ; Beason et al., 1997 ; Munro et al., 1997a , b ; Irwin e Lohmann, 2005 ; Holland et al., 2008 ; Holland, 2010 ; Holland e Helm, 2013 ; Ernst e Lohmann, 2016 ), e magnetita biogênica foi encontrada em tecidos humanos ( Kirschvink et al., 1992 ; Dunn et al., 1995 ; Kobayashi e Kirschvink, 1995 ; Schultheiss-Grassi et al., 1999 ; Maher et al., 2016 ; Gilder et al., 2018 ).

Esses dados argumentam fortemente a favor de um mecanismo de transdução geomagnética semelhante àqueles em vários animais migratórios e de retorno. Partículas ferromagnéticas de domínio único, como a magnetita, respondem diretamente a campos magnéticos estáticos e variáveis ​​no tempo, e são sensíveis à polaridade do campo. No nível celular, a interação magnetomecânica entre partículas ferromagnéticas e o campo geomagnético está bem acima do ruído térmico ( Kirschvink e Gould, 1981 ; Kirschvink et al., 2010 ), mais forte em várias ordens de magnitude em alguns casos ( Eder et al., 2012 ). Em muitos animais, mecanismos de transdução baseados em magnetita foram encontrados e demonstraram ser necessários para comportamentos de navegação, por meio de estudos neurofisiológicos e histológicos ( Walker et al., 1997 ; Diebel et al., 2000 ). Uma extensão natural deste estudo seria aplicar os métodos de remagnetização de pulso usados ​​em animais para testar diretamente um elemento de transdução ferromagnética em humanos. Nesses experimentos, um breve pulso magnético faz com que a polaridade magnética dos cristais de magnetita de domínio único inverta. Após esse tratamento, espera-se que as respostas fisiológicas e comportamentais ao campo geomagnético invertam a polaridade. Esses experimentos podem fornecer medições da coercividade microscópica dos cristais de magnetita envolvidos e, portanto, fazer previsões sobre o tamanho físico e o formato dos cristais, e talvez sua localização fisiológica.

Neste ponto, nossa redução observada na potência da banda alfa é uma assinatura neural clara para o processamento cortical do estímulo geomagnético, mas seu significado funcional é desconhecido. Na forma, a atividade é uma resposta alfa-ERD semelhante àquelas encontradas em outras investigações de EEG de processamento sensorial e cognitivo. No entanto, as respostas alfa-ERD encontradas na literatura assumem uma gama de diferentes formas espaço-temporais e estão associadas a uma variedade de funções. É provável que a alfa-ERD vista aqui reflita o recrutamento repentino de recursos de processamento neural, pois esta é uma descoberta comum em todos os estudos. Mas mais pesquisas serão necessárias para ver se e como ela se relaciona mais especificamente com processos previamente estudados, como acesso à memória ou recrutamento de recursos de atenção.

Além disso, uma resposta alfa-ERD é uma assinatura bastante ampla de atividade neural: uma característica óbvia de uma matriz complexa de processos neurais. Uma série de processos upstream e downstream precisam ser investigados para revelar a rede de respostas e as informações que eles codificam. Respostas independentes da assinatura alfa-ERD também podem surgir, e essas respostas podem mostrar diferentes padrões de seletividade e refletir características de estímulo não reveladas neste estudo. O processamento magnetorreceptivo humano reflete uma representação completa do espaço de navegação? Ele contém certos sinais de alerta sobre anormalidades magnéticas? Ou alguns aspectos degeneraram do sistema ancestral? Por enquanto, o alfa-ERD continua sendo uma assinatura em branco para uma gama mais ampla e inexplorada de processamento magnetorreceptivo.

Nossa metodologia experimental difere de estudos anteriores de várias maneiras que podem explicar seus resultados negativos ou ambíguos. Primeiro, estudos anteriores de EEG ( Boorman et al., 1999 ; Sastre et al., 2002 ) frequentemente usavam estímulos fora do intervalo ambiental. Embora os sistemas sensoriais geralmente exibam especificidade de resposta e ajuste neural ao ambiente local ( Block, 1992 ), eles podem ser menos responsivos ou não responsivos a estímulos não naturais. Por exemplo, em quatro das sete condições de Sastre et al. (2002 ; A, B, C e D), as intensidades de campo usadas (90 μT) eram duas vezes mais fortes que o campo magnético ambiente em Kansas City (45 μT) e estavam bem acima das alterações de intensidade conhecidas por fazer com que as aves ignorassem as pistas geomagnéticas ( Wiltschko, 1972 ). As outras condições não basais em Sastre et al. (2002) , simularam condições nos polos Norte e Sul.

Além disso, as técnicas analíticas de EEG em uso comum passaram por uma série de mudanças ao longo dos anos. A análise de tempo-frequência usando métodos wavelet agora é padrão na maioria dos pacotes de análise e permite que o analista examine flutuações de potência variáveis ​​no tempo em uma faixa de latências. Em contraste, a aplicação direta de transformadas de Fourier aos dados de EEG fornece níveis médios de potência dentro de grandes épocas predefinidas. Para testar o impacto dessas diferenças nos algoritmos de análise de dados, analisamos nossos dados usando as técnicas em Sastre et al. (2002) . Essas análises não revelaram nenhuma diferença significativa na potência total ou específica da banda entre nenhuma de nossas condições. Isso sugere que, se as respostas neurais estivessem presentes no estudo de Sastre et al. (2002) , elas podem não ter sido reveladas pelas análises usadas na época.

Estudos recentes também revelaram que o ruído de radiofrequência (Rf) pode causar confusões em estudos de magnetorecepção. Foi demonstrado que a exposição ao ruído Rf desliga a magnetorreceptividade em pássaros e outros animais ( Engels et al., 2014 ; Landler et al., 2015 ; Wiltschko et al., 2015 ; Tomanova e Vacha, 2016 ). Isso é teorizado para permitir que os animais lidem com eventos naturais, como tempestades solares, que fazem com que o campo magnético se torne não confiável como uma dica de navegação. Níveis equivalentes de ruído Rf também estão frequentemente presentes em nosso ambiente moderno. Assim, experimentos conduzidos em condições desprotegidas podem produzir resultados negativos ou flutuantes devido a exposições descontroladas a Rf.

Finalmente, há uma distinção conceitual a ser feita entre estudos que examinam riscos potenciais à saúde associados a campos eletromagnéticos e nosso estudo atual que busca transdução neural. O primeiro busca impactos fisicamente acionados de campos (geralmente de alta energia), enquanto nós buscamos respostas biologicamente acionadas a campos de intensidade ambiental. Campos de alta energia podem, é claro, induzir correntes ou até mesmo causar danos ao tecido nervoso. No entanto, o que encontramos em nosso estudo é indicativo de um mecanismo biológico em ação devido à sua resposta seletiva entre estímulos energeticamente equivalentes. Os resultados sugerem uma resposta neural que foi ajustada pela seleção natural para distinguir entre estímulos de campo magnético ecologicamente relevantes, versus outros estímulos que não seriam encontrados naturalmente no ambiente local.

Experimentos futuros devem examinar como o processamento magnetorreceptivo interage com outras modalidades sensoriais para determinar a orientação do campo. Nossos resultados experimentais sugerem a combinação de uma dica magnética e posicional (por exemplo, reagindo de forma diferente aos campos Norte-acima e Norte-abaixo). No entanto, não podemos dizer se essa dica posicional usa um quadro de referência definido pela sensação de gravidade (como em pássaros) ou está alinhada com relação ao corpo humano. O processamento neural de dica magnética com dica sensorial gravitacional poderia talvez ser abordado modificando a câmara de teste para permitir que o participante descanse em diferentes orientações com relação à gravidade ou executando experimentos em um ambiente de gravidade zero.

Outras interações multimodais de interesse também podem ocorrer com a sensação vestibular, dado seu papel na detecção da orientação e rotação do corpo. Nos experimentos apresentados aqui, os participantes teriam tido fortes pistas vestibulares de que estavam nivelados e parados. Isso pode ter suprimido pistas magnéticas conflitantes ou dado origem a sinais de erro. Experimentos futuros podem manipular entradas vestibulares para testar interações com respostas de campo magnético, o que pode nos ajudar a interpretar o que essas respostas codificam.

Estudos futuros também devem examinar diferenças individuais na responsividade da transdução. No grupo de participantes, encontramos vários indivíduos altamente responsivos cujo alfa-ERD provou ser estável ao longo do tempo: 4 participantes responderam fortemente no nível p < 0,01 em testes repetidos ao longo de semanas ou meses. A repetibilidade nesses participantes sugere que o alfa-ERD não surgiu devido a flutuações aleatórias em uma única execução, mas, em vez disso, reflete uma característica individual consistente, mensurável em várias execuções. Uma pesquisa mais ampla de indivíduos poderia revelar diferenças genéticas/desenvolvimentais ou outras diferenças sistemáticas subjacentes a essas diferenças individuais.

A gama de respostas individuais pode ser parcialmente atribuída à variação nos mecanismos básicos de alfa-ERD em vez do processamento magnetorreceptivo subjacente. No entanto, alguns participantes com alto poder alfa em repouso mostraram muito pouco alfa-ERD para as rotações do campo magnético, sugerindo que a extensão do processamento magnetorreceptivo em si varia entre os indivíduos. Se assim for, populações humanas distintas podem ser bons alvos para investigações futuras. Por exemplo, estudos de linguística comparativa identificaram um número surpreendente de línguas humanas que dependem de um sistema cardinal de pistas de referência ambiental (por exemplo, Norte, Sul, Leste, Oeste) e não têm termos egocêntricos como frente, trás, esquerda e direita ( Haviland, 1998 ; Levinson, 2003 ; Meakins, 2011 ; Meakins e Algy, 2016 ; Meakins et al., 2016 ). Falantes nativos dessas línguas, por exemplo, se refeririam a uma árvore próxima como estando ao seu Norte em vez de estar na frente deles; eles se refeririam às suas próprias partes do corpo da mesma maneira. Indivíduos que foram criados desde cedo dentro de uma estrutura linguística, social e espacial usando pistas de referência cardinal podem ter feito ligações associativas com pistas sensoriais geomagnéticas para auxiliar na vida diária; de fato, linguistas sugeriram que uma bússola magnética humana pode estar envolvida ( Levinson, 2003 ). Seria interessante testar tais indivíduos usando nossos métodos recentemente desenvolvidos para ver se tais pistas geomagnéticas podem já estar mais fortemente codificadas, auxiliando seu uso do sistema de referência cardinal.

Nos 199 anos desde que o físico dinamarquês Hans Christian Ørsted descobriu o eletromagnetismo (março de 1820), a tecnologia humana tem feito uso cada vez maior dele. A maioria dos humanos não precisa mais depender de um sentido interno de navegação para sobreviver. Na medida em que empregamos um sentido de direção absoluta em nossas vidas diárias, dicas externas como marcos e grades de ruas podem fornecer orientação. Mesmo que um indivíduo possua uma resposta magnetorreceptiva implícita, é provável que ela seja confundida pelo desuso e pela interferência de nosso ambiente moderno. Um exemplo particularmente pontual é o uso de ímãs permanentes fortes em fones de ouvido de consumo e de aviação, a maioria dos quais produz campos estáticos através da cabeça várias vezes mais fortes do que o campo geomagnético ambiente. Se houver um significado funcional para a resposta magnetorreceptiva, ela teria mais influência em situações em que outras dicas são empobrecidas, como navegação marítima e aérea, onde a desorientação espacial é um evento surpreendentemente persistente ( Poisson e Miller, 2014 ). As evidências atuais do alfa-ERD fornecem um ponto de partida para explorar aspectos funcionais da magnetorecepção empregando várias tarefas comportamentais em uma variedade de configurações sensoriais.

Conclusão

Nossos resultados indicam que pelo menos alguns humanos modernos transduzem mudanças em campos magnéticos de força terrestre em uma resposta neural ativa. Esperamos que este estudo forneça um roteiro para estudos futuros que visem replicar e estender a pesquisa sobre magnetorecepção humana. Dada a presença conhecida de sistemas de navegação geomagnética altamente evoluídos em espécies em todo o reino animal, talvez não seja surpreendente que possamos reter pelo menos alguns componentes neurais funcionais, especialmente dado o estilo de vida nômade de caçadores/coletores de nossos ancestrais não muito distantes. A extensão total dessa herança ainda precisa ser descoberta.

Agradecimentos

Agradecimentos: Agradecemos a Dragos Harabor, James Martin, Kristján Jónsson, Mara Green e Sarah Crucilla pelo trabalho em versões anteriores deste projeto e outros membros dos laboratórios Kirschvink, Shimojo e Matani pelas discussões e sugestões. Também agradecemos a James Randi, cofundador do Committee for the Scientific Investigation of Claims of the Paranormal (CSICOP), pelos conselhos sobre como minimizar artefatos potenciais no design experimental. O Dr. Heinrich Mouritsen da University of Oldenberg deu conselhos valiosos para a construção da gaiola de Faraday e contribuições para um rascunho anterior deste manuscrito. O SS também é afiliado ao Kyoto University KOKORO Center e ao Tamagawa University Brain Science Institute.

Notas de rodapé

• Os autores declaram não haver conflitos de interesses financeiros.

• Este trabalho foi apoiado pelo Human Frontiers Science Program Grant HFSP-RGP0054/2014 (para SS, JLK e AM), e análises mais recentes de dados foram apoiadas pelo Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) RadioBio Program Grant D17AC00019 (para JLK e SS) e pelo Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI Grant 18H03500 (para AM). O apoio anterior ao JLK do instituto Fetzer permitiu a construção de uma versão anterior do sistema de bobina Merritt de 2 m. CXW e SS foram parcialmente apoiados pela Japan Science and Technology Agency, Core Research for Evolutional Science and Technology (JST.CREST).

• Todos os dados digitais estão disponíveis em https://doi.org/10.22002/d1.930 e https://doi.org/10.22002/d1.931 , incluindo scripts MATLAB usados ​​para análise automática de dados.

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Referências: