We present a highly sensitive and accurate method for quantitative detection and characterization of noninteracting or weakly interacting uniaxial single domain particles (UNISD) in rocks and sediments. The method is based on high‐resolution measurements of first‐order reversal curves (FORCs). UNISD particles have a unique FORC signature that can be used to isolate their contribution among other magnetic components. This signature has a narrow ridge along the H c axis of the FORC diagram, called the central ridge, which is proportional to the switching field distribution of the particles. Therefore, the central ridge is directly comparable with other magnetic measurements, such as remanent magnetization curves, with the advantage of being fully selective to SD particles, rather than other magnetic components. This selectivity is unmatched by other magnetic unmixing methods, and offers useful applications ranging from characterization of SD particles for paleointensity studies to detecting magnetofossils and ultrafine authigenically precipitated minerals in sediments.

Over the past 50 y, behavioral experiments have produced a large body of evidence for the existence of a magnetic sense in a wide range of animals. However, the underlying sensory physiology remains poorly understood due to the elusiveness of the magnetosensory structures. Here we present an effective method for isolating and characterizing potential magnetite-based magnetoreceptor cells. In essence, a rotating magnetic field is employed to visually identify, within a dissociated tissue preparation, cells that contain magnetic material by their rotational behavior. As a tissue of choice, we selected trout olfactory epithelium that has been previously suggested to host candidate magnetoreceptor cells. We were able to reproducibly detect magnetic cells and to determine their magnetic dipole moment. The obtained values (4 to 100 fAm(2)) greatly exceed previous estimates (0.5 fAm(2)). The magnetism of the cells is due to a μm-sized intracellular structure of iron-rich crystals, most likely single-domain magnetite. In confocal reflectance imaging, these produce bright reflective spots close to the cell membrane. The magnetic inclusions are found to be firmly coupled to the cell membrane, enabling a direct transduction of mechanical stress produced by magnetic torque acting on the cellular dipole in situ. Our results show that the magnetically identified cells clearly meet the physical requirements for a magnetoreceptor capable of rapidly detecting small changes in the external magnetic field. This would also explain interference of ac powerline magnetic fields with magnetoreception, as reported in cattle.

Migratory songbirds have the remarkable ability to extract directional information from the Earth's magnetic field1,2. The exact mechanism of this light-dependent magnetic compass sense, however, is not fully understood. The most promising hypothesis focuses on the quantum spin dynamics of transient radical pairs formed in cryptochrome proteins in the retina3-5. Frustratingly, much of the supporting evidence for this theory is circumstantial, largely because of the extreme challenges posed by genetic modification of wild birds. Drosophila has therefore been recruited as a model organism, and several influential reports of cryptochrome-mediated magnetic field effects on fly behaviour have been widely interpreted as support for a radical pair-based mechanism in birds6-23. Here we report the results of an extensive study testing magnetic field effects on 97,658 flies moving in a two-arm maze and on 10,960 flies performing the spontaneous escape behaviour known as negative geotaxis. Under meticulously controlled conditions and with vast sample sizes, we have been unable to find evidence for magnetically sensitive behaviour in Drosophila. Moreover, after reassessment of the statistical approaches and sample sizes used in the studies that we tried to replicate, we suggest that many-if not all-of the original results were false positives. Our findings therefore cast considerable doubt on the existence of magnetic sensing in Drosophila and thus strongly suggest that night-migratory songbirds remain the organism of choice for elucidating the mechanism of light-dependent magnetoreception.

Perls's Prussian blue staining technique has been used in magnetoreception research to screen tissues for iron-rich structures as proxies for putative magnetoreceptor structures based on magnetic particles. However, seemingly promising structural candidates in the upper beak of birds detected with Prussian blue turned out to be either irreproducible or located in non-neuronal cells, which has spurred a controversy that has not been settled yet. Here we identify possible pitfalls in the previous works and apply the Prussian blue technique to tissues implicated in magnetic-particle-based magnetoreception, in an effort to reassess its suitability for staining single-domain magnetite, i.e., the proposed magnetic substrate for the interaction with the external magnetic field. In the upper beak of night-migratory songbirds, we found staining products in great numbers, but not remotely associated with fiber terminals of the traced ophthalmic branch of the trigeminal nerve. Surprisingly, staining products were absent from the lamina propria in the olfactory rosette of rainbow trout where candidate magnetoreceptor structures were identified with different techniques earlier. Critically, magnetosome chains in whole cells of magnetotactic bacteria remained unstained. The failure to label single-domain magnetite in positive control samples is a serious limitation of the technique and suggests that two most influential but antipodal studies conducted previously stood little chances of obtaining correct positive results under the assumption that magnetosome-like particles were present in the tissues. Nonetheless, the staining technique appears suitable to identify tissue contamination with iron-rich fine dust trapped in epithelia already in vivo.

Abstract The binary choice chamber (T-maze) assay has been used as a standard behavioural screen in Drosophila research to test mutants in terms of sensory discrimination skills and synaptic plasticity during memory consolidation and decay. Typically, ca. 100 individuals are tested as a group at the same time and the behavioural readout consists in counting the number of individuals in the testing tube exposed to a stimulus versus the number of flies in the control tube, with the normalized difference in fly count being defined as the batch preference index (PI). Unfortunately, the batch PI has widely been taken as a precise metric of group behaviour, to the point where ANOVA/t-tests have been considered the most powerful statistical tests for analyzing samples in terms of batch PI values, which has led to a hyperinflation of apparently very highly significant effects for small differences in PI values (e.g. -0.1 vs 0.1), leading to problems with replicability. Here it is shown on the basis of a well-established statistical model for binary decisions that application of the t-test to PI data implicitly assumes that each fly in a batch is an independent biological replicate in the extremely strict sense that the decision of each individual was interrogated independently of the other flies. Therefore, t-test analysis of PI data obtained with the intrinsically pseudoreplicative group assay is the cause of extremely optimistic P-values, as suggested recently by Bassetto et al. (2023) on the basis of effect size considerations for proportions. Thus, rather than using inferential statistics, PI data should be assessed on the basis of effect size. A more fundamental problem with the batch PI value is the uncertainty in whether it measures the mean individual preference and if so, with what precision, given the simple readout? This aspect is illustrated here by modelling distributions of flies in the T-maze, which suggest that the effective precision of the PI value is clearly worse than the nominal precision of +/- 0.01 for 100 flies, so that the batch PI can only serve as a rough indicator of group tendencies.

Qin et al. (A magnetic protein compass, Nature Materials 15, 217-226, 2016) claim that "MagR is the first known protein that carries an intrinsic magnetic moment at ambient temperature". We show here that the claim must, unfortunately, be fundamentally wrong.

Abstract Current evidence suggests that migratory animals extract map information from the geomagnetic field for true navigation. The sensory basis underlying this feat is elusive, but presumably involves magnetic particles. A common experimental manipulation procedure consists of pre-treating animals with a magnetic pulse. This aims at re-magnetising particles to alter the internal representation of the external field prior to a navigation task. While pulsing provoked deflected bearings in laboratory experiments, analogous studies with free-flying songbirds yielded inconsistent results. Here, we pulsed European robins ( Erithacus rubecula ), being medium-distance migrants, at an offshore stopover site during spring migration and monitored their free-flight behaviour with a regional-scale tracking system. We found no pulse effect on departure probability, nocturnal departure timing, or departure direction, in agreement with results on a long-distance migrant released at the same site in autumn. This necessitates a reassessment of the importance of geomagnetic maps for migratory decisions for free-flying birds. Summary statement Magnetic pulse pre-treatment disturbs geomagnetic map usage of birds in lab environments. However, our free-flying birds show no effect, suggesting geomagnetic map information is less important in the natural environment.

Abstract A large number of behavioral experiments have demonstrated the existence of a magnetic sense in many animal species. Further, studies with immediate gene expression markers have identified putative brain regions involved in magnetic information processing. In contrast, very little is known about the physiology of the magnetic sense and how the magnetic field is neuronally encoded. In vivo electrophysiological studies reporting neuronal correlates of the magnetic sense either have turned out to be irreproducible for lack of appropriate artifact controls or still await independent replication. Thus far, the research field of magnetoreception has little exploited the power of ex vivo physiological studies, which hold great promise for enabling stringent controls. However, tight space constraints in a recording setup and the presence of magnetizable materials in setup components and microscope objectives make it demanding to generate well-defined magnetic stimuli at the location of the biological specimen. Here, we present a solution based on a miniature vector magnetometer, a coil driver, and a calibration routine for the coil system to compensate for magnetic distortions in the setup. The magnetometer fits in common physiology recording chambers and has a sufficiently small spatial integration area to allow for probing spatial inhomogeneities. The coil-driver allows for the generation of defined non-stationary fast changing magnetic stimuli. Our ex vivo multielectrode array recordings from avian retinal ganglion cells show that artifacts induced by rapid magnetic stimulus changes can mimic the waveform of biological spikes on single electrodes. However, induction artifacts can be separated clearly from biological responses if the spatio-temporal characteristics of the artifact on multiple electrodes is taken into account. We provide the complete hardware design data and software resources for the integrated magnetic stimulation system.