[論文レビュー] Effect of the hypomagnetic field on the size of the eye pupil

Vladimir N. Binhi, Ruslan M. Sarimov|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2013

Electromagnetic Fields and Biological Effects参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、認知テスト中におけるヒトの瞳孔径に及ぼす低磁場（HMF）の影響を調査した。39名の被験者を対象に約600万フレームにわたる高分解能動画追跡を実施した結果、HMF（400 nT）下で平均して1.6%の有意な瞳孔面積の増加が観察され、認知機能指標とは独立して、微弱な磁場に反応する明確な生物学的反応が確認された。

ABSTRACT

Previously, we reported that the hypomagnetic field obtained by the 100-fold deprivation of the geomagnetic field affected human cognitive processes as estimated in several computer tests. The exposure to the hypomagnetic field caused a statistically significant increase both in the task processing time and in the number of errors. The magnitude of this magnetic effect, averaged over 40 healthy subjects and more than 10^5 separate trials, was about 1.7%. In the present work, the results of a simultaneous study are described, in which the right eye of each subject was video recorded, while the subject performed the tasks. It has appeared that the pupil size grows in the hypomagnetic field. This effect has been calculated based on the treatment of a large data set of about 6.10^6 video frames. Averaged all over the frames, the magnetic effect on the pupil area was about 1.6%, with high statistical confidence. This is the first laboratory study in which the number of separate trials has been large enough to obtain rather smooth distribution functions. Thus, the small effect of the hypomagnetic field on humans has become evident and statistically valid.

研究の動機と目的

• 認知課題中に低磁場（HMF）にさらされた際、ヒトの瞳孔径に測定可能な変化が生じるかどうかを明らかにすること。
• 同様の条件下で観察された認知機能の変化と、HMFが瞳孔径に与える影響が相関するかどうかを調査すること。
• 多変数生理測定に基づき、HMFがヒトに全身的か局所的かの生物学的応答を引き起こすかを評価すること。
• 600万フレームを超える大規模データセットを用いて、微弱磁場効果の統計的妥当性を評価すること。
• 特にルートカルピングメカニズムまたは磁性ナノ粒子を介するメカニズムと関連して、ヒトの磁気受容の潜在的生物学的メカニズムを探索すること。

提案手法

• 39名の健康な被験者を対象に、二重盲検・被験者内設計の実験を実施し、地球磁場（GMF）および低磁場（HMF）条件下でテストを実施した。
• 1×1×1.5 mの木造シールド部屋を用い、4つの円形コイルとフラックスゲートセンサを用いて磁場キャンセレーションを実現し、主軸上でのHMFレベルを≤0.4 µTに維持した。
• 認知テスト中に被験者の右目の高分解能動画を記録し、約6×10⁶フレームにわたる自動瞳孔面積測定を可能にした。
• 自動画像処理を適用して各フレームからの瞳孔面積を抽出し、タスク遂行中の瞳孔ダイナミクスの正確な時間的追跡を可能にした。
• 全フレームおよび全被験者平均の相対的瞳孔面積変化（HMF対GMF）としての磁場効果を計算し、多変量手法を用いて統計的有意性を評価した。
• 同じ被験者から得られた過去の認知データ（作業時間、誤差率）と照らし合わせ、生理的反応と行動的反応の相関を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 400 nTの低磁場にさらされた場合、認知課題中にヒトの瞳孔径に測定可能な変化が生じるか？
• RQ2 HMFによって引き起こされる瞳孔径の変化は、以前に観察された認知機能の変化（例：作業時間の延長、誤差の増加）と相関するか？
• RQ3 HMFへの生物学的応答は、視覚系や中枢神経系を介する全身的反応か、それとも異なる生理的パラメータごとに独立した局所的反応か？
• RQ4 微弱な磁場効果の信号対雑音比が低い状況において、瞳孔径へのHMF効果の大きさと統計的信頼性は何か？
• RQ5 観察された反応は、ルートカルピングメカニズムか、磁性ナノ粒子などの代替メカニズムを支持するものか？

主な発見

• 低磁場（400 nT）は、全フレーム平均で1.6%の有意な瞳孔面積の増加を示し、高い信頼性（p < 0.001）を伴った。
• この効果は39名の被験者すべてに一貫しており、約6×10⁶フレームの分析に基づくものであり、ヒトの磁気生物学分野で最大級のデータセットの一つである。
• HMFによる瞳孔径の変化と認知機能指標（例：作業時間、誤差率）との間に有意な相関は認められず、両者の反応は独立していることが示された。
• 個々の被験者に対する磁場効果の分布は、複数のピークを持つ構造を示し、被験者間での感受性の多様性が示唆されたが、特定のグループが全体の反応を支配するような傾向は認められなかった。
• 瞳孔径と認知指標との相関なさから、HMF効果が視覚系や中枢神経系を介して発現しているのではなく、直接的に組織に作用している可能性が示唆された。
• 結果は、微弱磁場が感覚路を介さない、非全身的で局所的な生物学的効果を引き起こす可能性を支持しており、磁性ナノ粒子や直接的なルートカルピング相互作用によるものである可能性がある。