寻找磁性“第六感” 科学家尝试确定人类磁感知能力

宗华

2016年07月06日  来源：《中国科学报》

　　在20世纪的大部分时间，磁感知研究似乎和探测术、传心术研究一样，看上去很令人讨厌。然而，很多动物能感知地球磁场如今已成为公认的事实。鸟类、鱼和其他迁徙性动物占据了这个名单。对于它们来说，拥有内置指南针用于在全球奔波的旅行是很有意义的。近年来，研究人员发现，行动相对迟缓的动物——龙虾、蠕虫、蛇、青蛙和蝾螈也拥有这种感知。同时，哺乳动物似乎也对地球磁场作出了响应：在试验中，木鼠和鼹形鼠利用磁场线为它们的巢穴选址；牛和鹿在吃草时会让身体朝向磁场线；狗在排便时会让自己面向北或南。

　　关于磁感知不断增加的科学证据大多是行为上的，基于活动方式或者表明干扰或改变磁场会使动物习惯发生变化的测试。科学家知道动物能感知磁场，但他们并不了解这在细胞或神经层面上是如何发生的。

　　找到负责触发这些神经元的磁受体，就像大海捞针一样困难。没有明确的感觉器官可供解剖，而磁场总是在无形之中扫过整个身体。“受体可能在你的左脚趾里。”美国加州理工学院地球物理学家Joe Kirschvink说。

　　发现磁感知能力

　　多年来，科学家认为，石鳖进化出一种合成磁石的方法，只是因为这种坚硬的矿物有助于形成健康、强大的牙齿。不过，到了1975年，来自伍兹霍尔海洋研究所的Richard Blakemore提出，在特定的细菌体内，磁铁是一种磁传感器。Blakemore研究了来自科德角沼泽淤泥的细菌，并且发现在玻璃载片附近移动一块小磁铁时，细菌会奔向磁铁。通过进一步观察，他发现，这些微生物含有迫使细胞同地球自身磁场线排成一条直线（在马萨诸塞州，朝北极方向移动）的磁性晶体链。

　　阅读了Blakemore的工作后，Kirschvink想知道磁性细菌在南半球如何游动：是像马萨诸塞州的细菌那样向北移动，还是朝着自己的极点向南移动，或者向一些其他方向移动？他飞到澳大利亚，搜寻河床以找到类似细菌。它们在堪培拉附近的一个污水处置池中最为丰富。“去的时候，我只带了一块磁铁和放大镜。”Kirschvink说，“那里到处都是这种细菌。”非常确定的是，它们朝着南极游动。

　　那时，Kirschvink是普林斯顿大学的博士后，和生物学家James Gould共事。1978年，他和Gould在蜜蜂的腹腔内发现了磁石；1979年，他们在鸽子头部发现了磁石。当时，Kirschvink并不知道，在大西洋彼岸的英国曼彻斯特大学，一位名叫Robin Baker的生物学家正将目光瞄准了一种体型更大且更加复杂的动物：英国学生。在一系列实验中，Baker让被蒙上眼睛的学生从“家”坐上一辆面包车，经过一段曲折的路程来到乡村，然后询问他们家的指南针方向。在1980年的《科学》杂志上，Baker报告了一些令人不可思议的东西：这些学生几乎总是能指对家的象限。当他们戴的眼罩松紧带中有条形磁铁时，这种指认技能受到阻挠。而眼罩中有黄铜棒的对照组仍拥有磁感知能力。

　　随后，Baker又宣称在“徒步旅行”和“椅子”试验中发现了一种人类的方位感。在前一项试验中，受试者被领着通过一条弯弯曲曲的路线，然后指认家的方向；后一项试验中，他们被转动多次然后要求指出基本方向。Baker在现场直播中表演了一些试验，并且在接受书籍和主流科学杂志的同行评议前宣布了他的一些结果。不过，这种兴风作浪的本事以错误的方式惹恼了学术界人士。

　　Baker在一封邮件中表示，美国同行对他有一种“卑劣的敌意”。Kirschvink和Gould也是怀疑者。1981年，他们邀请Baker到普林斯顿大学表演这些试验。这是Baker到美国东北部若干高校开展的再现性之旅的其中一次短期访问。在普林斯顿大学和其他地方，再现性努力失败了。在1983年发表于《自然》杂志的一篇文章中，Baker宣称，人类窦骨带有磁性。此后，Kirschvink证实，该结果是污染所致。1985年，Kirschvink同样未能再现“椅子”试验。

　　尽管曼彻斯特试验为人类磁感知研究投下了阴影，但Kirschvink悄悄地继承了Baker的衣钵，在30年的时间里一直暗地里开展人类试验。如今，有了来自“人类前沿科学计划”的90万美元资助，Kirschvink，加州理工学院心理物理学家、脑电专家Shinsuke Shimojo和日本东京大学神经工程师Ayumu Matani正竭尽全力测试Baker的断言。

　　开展相关试验

　　邻近Kirschvink磁学实验室的是他测试人类受试者的房间。里面有一个薄铝墙板制成的箱子，也就是所谓的法拉第笼。它的大小仅够容纳受试者，作用是屏蔽掉来自电脑、电梯甚至是广播的可能干扰试验的电磁噪声。

　　Kirschvink、Shimojo和Matani的想法是应用强度上和地球磁场类似的旋转磁场，然后针对大脑中的反应核对脑电图记录。试验开始于2014年年底。Kirschvink是第一位人类受试者。第19位是从Matani实验室借调过来的东京大学神经工程学研究生Keisuke Matsuda。Matsuda签署了知情同意书，然后被技术人员领进箱子里。“我们可以开始了吗？”技术人员在插上电极后问道。Matsuda坚定地点了下头。“那好，我要关闭箱子了。”他关闭灯，然后关上门。传到箱子里的是Kirschvink带有磁性的声音：“不要睡着。”

　　在完全黑暗的状态下，Matsuda将在箱子里坐上1个小时。与此同时，一个自动化程序运行着8项不同的测试。在4项测试中，一个强度和地球磁场几乎相当的磁场绕着受试者的头部缓慢地旋转。其他4项测试中，梅利特线圈被用于抵消感应磁场，以确保仅有地球的天然磁性在发挥作用。这些测试是随机开展的，无论是试验者还是受试者都不知道正在进行的是哪种测试。

　　大门正在打开

　　每隔几年，英国皇家航海学会都会举办一次几乎吸引了动物导航领域所有研究人员的会议。过去几年的会议探讨的是太阳、月亮、星星或者声音和气味提供的导航。不过，在今年4月于伦敦大学举行的会议上，磁感知占据了会议日程。

　　在第一天的最后一场演讲中，Kirschvink走上讲台公布了可能是突破性的消息。这是一个很小的样本，只有20多名受试者。不过，Kirschvink的设备获得了持续、可重复的效果。当磁场被逆时针旋转（相当于受试者向右看）时，大脑产生的α波急剧减少。在脑电世界中，α波的抑制同大脑处理存在关联：一组神经元正在放电，从而对唯一可改变的变量作出响应。神经反应被延迟了几百毫秒。Kirschvink表示，这种滞后表明了一种积极的大脑反应。磁场能在大脑中引发模拟脑电信号的电流，但它们转瞬即逝。

　　Kirschvink还在磁场偏向地板（犹如受试者向上看）时发现了信号。他并不理解为何α波信号在磁场经历上下或逆时针变化而非相反方向时出现，尽管Kirschvink将其视为人类磁场指南针极性的信号。“我的演讲进行得非常顺利。”Kirschvink在随后的邮件中兴高采烈地写道：“我们确实证实，人类拥有发挥作用的磁受体。”

　　演讲现场其他人的反应很谨慎：不可思议，如果是真的话。“很难从一场12分钟的演讲中评价这种事情。”北卡罗来纳大学教堂山分校神经生物学家Kenneth Lohmann表示，骇人之处总是在细节部分。

　　如今，两个月过去了。Kirschvink目前正在日本处理数据，并且同Matani研究组一起寻找试验上的差异。Matani利用的是类似装置，只不过笼子和线圈更小一些，仅够放下受试者的头部。因此，他们必须躺着。不过，该团队也开始发现可重复的脑电效应。“这绝对是可以再现的，即便是在东京。”Kirschvink说，“大门正在打开。”（宗华）