Может ли запутанность фотонов объяснить сознание? Роль миелина как квантового резонатора

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Сознание — сложнейший феномен, который до сих пор остается загадкой для науки. Мы знаем, что оно основано на синхронной активности миллионов нейронов, но как именно эта синхронизация достигается, остается неясным. В поисках ответов наука обращается к различным областям знаний, и одной из самых интригующих становится квантовая физика. Квантовые эффекты, некогда считавшиеся применимыми лишь к микромиру атомов и элементарных частиц, все чаще рассматриваются как потенциальный ключ к пониманию сложнейших биологических процессов, включая работу мозга.


Одним из наиболее удивительных квантовых явлений является запутанность, при которой две или более частицы оказываются неразрывно связанными независимо от расстояния между ними. Измерение состояния одной запутанной частицы мгновенно влияет на состояние другой, что противоречит классическим представлениям о пространстве и времени. Может ли этот «жуткий» эффект, как назвал его Эйнштейн, играть роль в работе нашего мозга?

Квантовая запутанность в мозге, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Недавнее исследование китайских ученых из Шанхайского университета и Университета Сычуани, предлагает новую и весьма смелую гипотезу о связи квантовой запутанности с синхронизацией нейронов. В центре внимания ученых оказался миелин — многослойная жировая оболочка, окружающая аксоны нервных клеток. Миелин традиционно рассматривался как пассивный изолятор, ускоряющий проведение нервных импульсов, но последние данные свидетельствуют о его более активной роли в функционировании нервной системы.

Цилиндрическая полость, образованная миелиновой оболочкой. (a) Аксоны миелинизированных нейронов имеют несколько сегментов миелиновой оболочки, обернутых липидными мембранами различных олигодендроцитов. Промежуток между двумя сегментами миелиновой оболочки называется узлом Ранвье и обычно составляет 1∼2 мкм в длину, в то время как каждый сегмент миелиновой оболочки обычно имеет длину около 100 мкм. Зазор в узле Ранвье незначителен для всего аксона. (b) Рассматривайте весь покрытый миелином аксон как цилиндр, радиус аксона — a, радиус всего цилиндра — b, а толщину миелиновой оболочки — d = b — a. Длина цилиндра обозначается L. Пусть центральной осью аксона будет ось z, чтобы создать аксиальную систему координат. (c) Молекулы фосфолипидов, являющиеся основным компонентом миелина, имеют хвосты, состоящие из большого количества связей C-H.
Автор: Zefei Liu, Yong-Cong Chen, Ping Ao; arXiv:2401.11682 [physics.bio-ph]; DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2401.11682 CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

Авторы исследования предположили, что миелин может выступать в роли своеобразного «квантового резонатора», внутри которого рождаются запутанные пары фотонов. В основе этого процесса лежат колебания химических связей C-H, присутствующих в молекулах липидов, которые составляют основу миелина. Эти колебания могут приводить к испусканию фотонов, а цилиндрическая форма миелиновой оболочки, образующая микрополость, способствует возникновению запутанных фотонных пар.

Каскадное излучение из колебательного спектра. (a) Скелетная формула молекулы фосфолипида, где красная часть представляет углеродную цепь в хвосте, состоящую из нескольких метиленовых групп и двух метильных групп. (b) Слева: Схематическая диаграмма уровней энергии молекул, где электронные уровни энергии обозначены фиолетовым цветом, вращательные уровни энергии — черным, а колебательные уровни энергии — красным. Справа: Колебательные энергетические уровни обычно представлены осцилляторами Морзе. Нижняя точка потенциальной энергии соответствует равновесной длине химической связи re, а глубина потенциальной энергии характеризует энергию диссоциации De. (c) Каскадное излучение в трехуровневой системе. На этом рисунке представлена трехуровневая система, возвращающаяся в основное состояние из второго возбужденного состояния путем испускания фотонов с частотами ωsσ и ωs′σ′. Γ21 и Γ10 — скорости перехода (или взаимно обратное время жизни) между состояниями.
Автор: Zefei Liu, Yong-Cong Chen, Ping Ao; arXiv:2401.11682 [physics.bio-ph]; DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2401.11682 CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

Чтобы проверить свою гипотезу, ученые провели теоретические расчеты, основываясь на данных о реальной структуре миелина, полученных в ходе экспериментов. Результаты показали, что такая модель действительно может работать, и что степень запутанности фотонов существенно зависит от толщины миелина. Наибольшая запутанность возникает при толщине миелина 0.8-1.1 мкм, что соответствует соотношению внутреннего и внешнего диаметра миелиновой оболочки 0.65-0.72. Примечательно, что это соотношение хорошо согласуется с экспериментально наблюдаемыми значениями.

Энтропия фон Неймана при различных размерах полости. (a) Цвета от белого до темно-синего представляют значения энтропии от 0 до 0,65. Толщина миелина варьировалась от 0,45 до 3 мкм, а длина — от 200 до 500 мкм. (b) Связь между толщиной миелина и степенью запутанности можно лучше увидеть, если стереть точки в (a) со значениями энтропии ниже 0,5. Запутанность существенна при толщине от 0,8 до 1,1 мкм, и она быстро уменьшается по мере уменьшения толщины.
Автор: Zefei Liu, Yong-Cong Chen, Ping Ao; arXiv:2401.11682 [physics.bio-ph]; DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2401.11682 CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

Дальнейшие расчеты показали, что при уменьшении толщины миелина степень запутанности фотонов снижается. Это открывает новые перспективы для понимания нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз, при которых наблюдается деградация миелина. Возможно, нарушение квантовой запутанности в миелине может играть определенную роль в развитии этих заболеваний.


Конечно, предложенная гипотеза требует дальнейших экспериментальных подтверждений. Однако, если она окажется верной, это будет означать настоящую революцию в нашем понимании работы мозга. Возможно, наш мозг — не просто сложная биологическая машина, но и квантовый компьютер, использующий законы квантовой физики для обработки информации. Это может привести к созданию новых технологий искусственного интеллекта, основанных на принципах квантовой механики.