Myśli biegną w splątanych kwantowo neuronowych kubitach

Horyzonty ,

Myśli biegną w splątanych kwantowo neuronowych kubitach

Hipoteza „Quantum Brain Dynamics” to zaproponowany przez fizyka Matthew Fishera model funkcjonowania mózgu w oparciu splątanie kwantowe, dzięki któremu powstają neuronowe kubity. Stanowi on odpowiedź na główny zarzut stawiany biologii kwantowej: że mózg jest środowiskiem „zbyt ciepłym i mokrym”, aby delikatne stany kwantowe mogły w nim przetrwać dłużej niż ułamek sekundy.

Hipoteza „Quantum Brain Dynamics” to model zaproponowany przez fizyka Matthew Fishera w 2015 roku. Koncepcja jest próbą odpowiedzi na główny zarzut stawiany biologii kwantowej. Zakłada on, że mózg jest środowiskiem „zbyt ciepłym, mokrym”, by delikatne stany kwantowe mogły w nim przetrwać dłużej niż ułamek sekundy. Problem wiąże się z pojęciem dekoherencji. Dekoherencja kwantowa w mechanice kwantowej spowodowana jest oddziaływaniem obiektu kwantowego z otoczeniem, likwidującym splątanie układu kwantowego.

W mikroskali, którą zajmuje się fizyka kwantowa, w typowych warunkach każdy obiekt kwantowy jest koherentny. Koherencja kwantowa to zdolność układu kwantowego (np. cząstki) do utrzymania spójności, czyli superpozycji stanów, co pozwala na powstawanie zjawisk interferencji. Mówiąc prościej, to stan, w którym cząstka zachowuje się jak fala – może być w wielu miejscach lub stanach jednocześnie.

Dekoherencja stanowi podstawowe wyzwanie w komputerach kwantowych, ponieważ bezpośrednio wpływa na stabilność i niezawodność kubitów. W przypadku wystąpienia dekoherencji informacje zapisane w stanach kwantowych zostają utracone, co prowadzi do błędów obliczeniowych.

Architektura kwantowa mózgu wg Fishera

Fisher zidentyfikował konkretne biologiczne odpowiedniki dla elementów komputera kwantowego. To właśnie ten poziom szczegółowości odróżnia jego teorię od bardziej ogólnych (i często krytykowanych) koncepcji, takich jak Orch-OR Rogera Penrose’a.

Element Komputera Kwantowego Biologiczny Odpowiednik (Fisher) Dlaczego to działa?
Kubit (Qubit) Jądro atomu fosforu  Fosfor ma spin jądrowy 1/2. Jest to najprostszy spin, który jest bardzo słabo sprzężony z polami elektromagnetycznymi otoczenia, co czyni go odpornym na zakłócenia („szum”).
Bramka Logiczna / Splątanie Hydroliza pirofosforanu Reakcja chemiczna, w której enzym rozrywa wiązanie, tworząc dwa jony fosforanowe, których spiny jądrowe pozostają splątane (stan singletowy).
Pamięć Kwantowa / Izolacja Cząsteczka Posnera Klastry fosforanu wapnia, które fizycznie zamykają spiny fosforu w „klatce”, chroniąc je przed dekoherencją przez długi czas.

Proces: od reakcji do świadomości

Mechanizm można podzielić na etapy, które tworzą cykl „kwantowego przetwarzania” w neuronach:

  1. Inicjacja (splątanie): W mitochondriach enzym pirofosfataza rozbija pirofosforan na dwa jony fosforanowe. Zgodnie z mechaniką kwantową, ich spiny jądrowe są w stanie splątanym (zależne od siebie, niezależnie od odległości).
  2. Ochrona (cząsteczka Posnera): Jony te łączą się z jonami wapnia, tworząc cząsteczki Posnera. Co kluczowe – cząsteczka ta rotuje w cieczy ustrojowej, ale jej spin jądrowy (S=0) pozostaje niewrażliwy na tę rotację. To pozwala utrzymać stan kwantowy przez minuty, godziny, a może nawet dni (zamiast femtosekund).
  3. Transport i dystrybucja: Cząsteczki Posnera są transportowane do różnych neuronów. Mimo że są fizycznie rozdzielone, pozostają splątane kwantowo („upiorne działanie na odległość”).
  4. Odczyt (kolaps funkcji falowej): Gdy cząsteczki Posnera trafiają do neuronów presynaptycznych, mogą ulec rozpadowi chemicznemu.
  • To uwalnia jony wapnia.
  • Wapń jest kluczowym sygnałem wyzwalającym uwolnienie neuroprzekaźników.
  • Rezultat: splątanie kwantowe synchronizuje wyładowania neuronów w różnych częściach mózgu, co może być podstawą scalania informacji (świadomości).

Dlaczego to jest rewolucyjne (i kontrowersyjne)?

Fosfor jest traktowany jako unikalny pierwiastek. Wcześniejsze teorie szukały efektów kwantowych w chmurach elektronowych (które dekoherują niemal natychmiast). Przeniesienie uwagi na spiny jądrowe (które są znacznie lepiej izolowane od otoczenia) to „game changer”.

Teoria ta, choć elegancka chemicznie, wciąż jest hipotezą. Głównym wyzwaniem eksperymentalnym jest udowodnienie, że cząsteczki Posnera w rzeczywistym środowisku mózgu faktycznie utrzymują koherencję tak długo, jak przewiduje Fisher. Model jest jednak jedną z najbardziej obiecujących i naukowo ugruntowanych prób wprowadzenia mechaniki kwantowej do neurobiologii w oparciu o biochemię (fosfor, wapń, enzymy).

Poznanie kwantowe: przetwarzanie za pomocą spinów jądrowych

Matthew P. Fisher w analizie „Poznanie kwantowe: możliwość przetwarzania za pomocą spinów jądrowych w mózgu” definiuje poznanie kwantowe. Jest to „możliwość przetwarzania za pomocą spinów jądrowych w mózgu”. Starano się udowodnić, że takie przetwarzanie kwantowe z wykorzystaniem spinów jądrowych może działać w mózgu.

Fosfor zidentyfikowano jako unikalny pierwiastek biologiczny ze spinem jądrowym, który może służyć jako kubit neuronowy dla takiego potencjalnego przetwarzania kwantowego. Natomiast jon fosforanowy jest jedynym możliwym transporterem kubitów.

Zidentyfikowano „cząsteczkę Posnera” jako unikalną cząsteczkę, która może utrzymywać kubity neuronowe przez bardzo długi czas i tym samym służyć jako działająca pamięć kwantowa. Centralnym wymogiem przetwarzania kwantowego jest splątanie kwantowe splątanie. Twierdzi się, że reakcja chemiczna katalizowana przez enzym, która rozbija jon pirofosforanowy na dwa jony fosforanowe, może splątać kwantowo pary kubitów. Cząsteczki Posnera, utworzone przez wiązanie takich par fosforanowych z zewnątrzkomórkowymi jonami wapnia, odziedziczą splątanie spinów jądrowych. Zaproponowano mechanizm transportu cząsteczek Posnera do neuronów presynaptycznych podczas endocytozy pęcherzyków.

Pomiary kwantowe mogą wystąpić, gdy para cząsteczek Posnera chemicznie się wiąże, a następnie „topi”, uwalniając „deszcz” wewnątrzkomórkowych jonów wapnia Może on wywołać dalsze uwalnianie neuroprzekaźnika i zwiększyć prawdopodobieństwo wyładowania neuronów postsynaptycznych. Wielokrotne splątane cząsteczki Posnera wyzwala nielokalne korelacje kwantowe częstotliwości aktywacji neuronów. Mogłyby to stanowić kluczowy mechanizm neuronalnego przetwarzania kwantowego w mózgu człowieka.

Jądro każdego pierwiastka charakteryzuje się spinem. Spin jonu zależy od liczby niesparowanych elektronów w jego powłokach walencyjnych. Jego wartość (np. S=1/2, S=2, S=5/2) jest sumą spinów tych elektronów, co determinuje właściwości magnetyczne. W wyniku jądrowych momentów magnetycznych pobliskich jonów powstają lokalne pola magnetyczne. Zaburzenia w polu magnetycznym (oddziaływanie spin-pole magnetyczne) i elektrycznym (oddziaływanie kwadrupolowe-gradient pola) łączą się, prowadząc do kwantowych przejść między poziomami energetycznymi jądra atomowego. Fosfor związany z jonem fosforanowym występuje w cząsteczkach transportujących energię. 

Czy w mózgu może zachodzić przetwarzanie kwantowe?

Od dawna zakładano, że mechanika kwantowa nie może odgrywać funkcjonalnej roli w mózgu, ponieważ utrzymanie spójności kwantowej w makroskopowych skalach czasowych (sekundy, minuty, godziny itd.) jest niezwykle mało prawdopodobne w wilgotnym środowisku. Małe cząsteczki, a nawet pojedyncze jony, choć opisane przez mechanikę kwantową, szybko splątują się, reagując z otaczającym środowiskiem, co powoduje rozpadanie się wszelkich domniemanych zjawisk kwantowych. Istnieje jednak jeden wyjątek: spiny jądrowe są tak słabo sprzężone z otoczeniem (ze stopniami swobody środowiska), że ​​w pewnych okolicznościach możliwa jest spójność fazowa wynosząca pięć minut lub być może dłużej.

Przypuszczalne przetwarzanie kwantowe z wykorzystaniem spinów jądrowych w wilgotnym środowisku mózgu wymagałoby spełnienia wielu nierealnych warunków, na przykład:

  • wspólnego elementu biologicznego o długim czasie koherencji spinów jądrowych, który służyłby jako kubit,
  • mechanizmu transportu tego kubitu w mózgu i do neuronów,
  • pamięci kwantowej na skalę molekularną do przechowywania kubitów,
  • mechanizmu splątywania kwantowego wielu kubitów,
  • reakcji chemicznej, która indukuje pomiary kwantowe na kubitach, co dyktuje kolejne częstotliwości wyładowań neuronów.

Kubit neuronowy – kwantowego przetwarzanie w mózgu

Spróbowano zidentyfikować mechanizm odpowiedzialny za takie domniemane przetwarzanie kwantowe. Co niezwykłe, zidentyfikowano konkretny kubit neuronowy i unikalne jony, cząsteczki, enzymy i neuroprzekaźniki. Wskazuje to, że istnieje ścieżka prowadząca do kwantowego przetwarzania informacji w mózgu, wykorzystując spiny jądrowe.

Zbadano pozornie unikalny mechanizm przetwarzania kwantowego w mózgu. Spiny jądrowe fosforu w jonach fosforanowych pełnią funkcję kubitów, splątanych parami podczas hydrolizy pirofosforanu, pochłanianych i chronionych wewnątrz cząsteczek Posnera. Indukuje to splątanie spinów jądrowych i stanów rotacyjnych wielu cząsteczek Posnera.

Proces poznawania w mózgu jest dość skomplikowany, opisano go w następujący sposób: „Dynamika i splątanie kwantowe spinów jąder fosforu muszą być zdolne do modulacji pobudliwości i sygnalizacji neuronów, co przyjmujemy za roboczą definicję „poznania kwantowego”. Wychwyt fosforanów przez neurony może stanowić kluczowe ogniwo. W presynaptycznych neuronach glutaminergicznych pęcherzykowe białko błonowe VGLUT dostarcza glutaminian do pęcherzyków napędzanych gradientami protonów.”

Przetwarzanie kwantowe z wykorzystaniem cząsteczek Posnera

Pewne czynniki mogą prowadzić do dłuższych czasów koherencji spinu w jonach fosforowych. Kilka niedawnych badań dostarczyło dowodów na istnienie stabilnej cząsteczki fosforanu wapnia. Splątanie kwantowe między kubitami jest niezbędne do przetwarzania kwantowego. Podczas gdy pojedynczy stan kubitu można wyrazić za pomocą stanów bazowych „górnych” i „dolnych”, para kubitów będzie miała cztery stany bazowe itd. Dwukubitowy stan „spin–singlet” ucieleśnia formę splątania, która leży u podstaw mechaniki kwantowej i służy jako jednostka w laboratoryjnych obliczeniach kwantowych – wyjaśniają autorzy analizy.

Przetwarzanie kwantowe z wykorzystaniem neuronów wymaga określonych warunków. Aby było funkcjonalnie istotne w mózgu, dynamika oraz kwantowe splątanie spinów jądrowych fosforu muszą być zdolne do modulowania pobudliwości i sygnalizacji neuronów. Autorzy przyjmują to jako roboczą definicję „poznania kwantowego”. Pobieranie fosforanów przez neurony może stanowić kluczowe ogniwo łączące te procesy. W presynaptycznych neuronach glutaminergicznych pęcherzykowe białko transbłonowe VGLUT transportuje glutaminian do pęcherzyków, napędzane gradientami protonowymi.

Źródło: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0003491615003243

Znacznik

Powiązane wpisy

Opublikuj komentarz