[Перевод] Новый поворот в квантовой теории мозга

Новая теория объясняет, как хрупкие квантовые состояния могут сохраняться часами и даже днями в нашем тёплом и влажном мозгу. Уже готовятся эксперименты для её проверки

Мэтью Фишер, предложивший теорию о влиянии квантовых эффектов на работу мозга

Простое упоминание «квантового сознания» причиняет большинству физиков дискомфорт, поскольку эта фраза, судя по всему, напоминает им бормотание какого-нибудь гуру от «Нью Эйдж». Но если новая гипотеза подтвердится, окажется, что квантовые эффекты действительно играют некую роль в человеческом сознании. Мэтью Фишер, физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, в прошлом году удивил многих, опубликовав в Annals of Physics работу с предположением о том, что ядерные спины атомов фосфора могут служить рудиментарными кубитами мозга – из-за чего он способен работать по принципу квантового компьютера.

Ещё лет 10 назад эту гипотезу отвергли бы как нонсенс. Физики уже наступали на подобные грабли, в особенности в 1989 году, когда Роджер Пенроуз предположил, что загадочные белковые структуры, «микротрубочки», играют роль в формировании сознания, используя квантовые эффекты. Мало кто поверил в достоверность такой гипотезы. Патрисия Чёрчлэнд [Patricia Churchland], нейрофилософ из Калифорнийского университета, высказалась на эту тему, что для объяснения сознания с тем же успехом можно рассуждать о «волшебной пыльце фей в синапсах».

У гипотезы Фишера те же трудности, что и микротрубочек: квантовая декогеренция. Для постройки рабочего квантового компьютера необходимо объединить кубиты – квантовые биты информации – чтобы привести их в запутанное состояние. Но запутанные кубиты весьма хрупки. Их нужно тщательно ограждать от любого шума в окружающей среде. Один лишь фотон, столкнувшийся с кубитом, нарушит когерентность всей системы, уничтожит запутанность и разрушит квантовые свойства системы. Квантовую обработку тяжело вести в тщательно контролируемых лабораторных условиях, не говоря уже о тёплой, влажной и сложной каше человеческой биологии, в которой поддержание когерентности в течение достаточно длительного времени практически невозможно.

Но за последнее десятилетие появляется всё больше доказательств того, что некоторые биологические системы могут работать с квантовой механикой. Например, в процессе фотосинтеза квантовые эффекты помогают растениям превращать солнечный свет в топливо. Учёные также предполагают, что у перелётных птиц есть «квантовый компас», позволяющий им использовать для навигации магнитное поле земли, и что чувство запаха также корнями уходит в квантовую механику.

Идея Фишера о квантовой обработке данных в мозгу вписывается в новое научное направление квантовой биологии. Назовите это квантовой нейробиологией. Он разработал сложную гипотезу, включающую ядерную и квантовую физику, органическую химию, нейробиологию и биологию. И хотя его идеи сталкиваются с высоким уровнем понятного скептицизма, некоторые исследователи обращают на них внимание. «Читавшие его работы люди (а я надеюсь, что их станет больше), не могут не прийти к выводу о том, что старик не так уж и безумен», писал Джон Прескилл, физик из Калифорнийского технологического института после того, как Фишер делал там доклад. «Он, возможно, что-то нащупал. По меньшей мере, он поднимает весьма интересные вопросы».

Сентил Тодадри [Senthil Todadri], физик из MIT, давний друг и коллега Фишера, сохраняет скептицизм, но считает, что Фишер изменил главный вопрос – происходит ли в мозгу квантовые вычисления – таким образом, что появилась возможность тщательно проверить эту гипотезу. «Принято считать, что разумеется, ни о каких квантовых вычислениях в мозгу не может быть и речи,- говорит Тодадри. – Он же утверждает, что на этот счёт есть ровно одна лазейка. Так что следующим шагом станет проверка возможности эту лазейку прикрыть». И в самом деле, Фишер уже набирает команду для проведения лабораторных тестов, отвечающих на этот вопрос раз и навсегда.

В поисках спина

Фишер принадлежит к династии физиков. Его отец, Майкл И. Фишер – известный физик в Мэрилендском университете, чьи работы по статистической физике заслужили многочисленные награды. Его брат, Дэниел Фишер, прикладной физик в Стэнфордском университете, специализирующийся на эволюционной динамике. Мэтью Фишер последовал по их стопам, строя очень успешную карьеру физика. В 2015 году он получил престижную награду Оливера И. Бакли за исследования квантовых фазовых переходов.

Так что же заставило его уйти от общепринятой физики по направлению к противоречивой и запутанной каши из биологии, химии, нейробиологии и квантовой физики? Его борьба с клинической депрессией.

Фишер хорошо помнит тот день в феврале 1986 года, когда он проснулся, плохо чувствуя своё тело, и с ощущением, будто не спал неделю. «Мне казалось, что меня накачали лекарствами»,- говорил он. Сон не помогал. Изменение диеты и упражнения ничего не дали, а анализы крови не выявили никаких патологий. Но такое его состояние сохранялось целых два года. «Это было похоже на головную боль по всему телу, каждое мгновение бодрствования», говорит он. Он даже пробовал совершить самоубийство, но рождение его первой дочери придало смысл его дальнейшей борьбе с туманом депрессии.

В конце концов он нашёл психиатра, прописавшего ему трициклический антидепрессант, и через три недели его состояние стало улучшаться. «Метафорический туман, окружавший меня, и заслонявший солнце, стал редеть, и я увидел, что за ним есть свет», говорит Фишер. Через пять месяцев он почувствовал, будто заново родился, несмотря на серьёзные побочные эффекты от лекарства, включающие чрезмерное кровяное давление. Позже он переключился на флуоксетин и с тех пор постоянно отслеживает и подстраивает режим принятия лекарств.

Его опыт убедил его в работоспособности лекарств. Но Фишер был удивлён тем, как мало нейробиологи знают о точных механизмах их работы. Это подогрело его любопытство, и благодаря опыту работы в области квантовой механики он начал рассматривать возможность квантовой обработки данных в мозге. Пять лет назад он занялся углублённым изучением вопроса, основываясь на своём собственном опыте принятия антидепрессантов.

Поскольку практически все лекарства, применяемые в психиатрии, обычно оказываются сложными молекулами, он сконцентрировался на одной из самых простых, на литии, единичном атоме – так сказать, сферическом коне, изучать который гораздо легче, чем тот же флуоксетин. Кстати, эта аналогия, по словам Фишера, вполне подходит к данному случаю, поскольку атом лития представляет собой сферу из электронов, окружающих ядро. Он сконцентрировался на том факте, что по рецепту в аптеке обычно можно купить распространённый изотоп литий-7. А приведёт ли использование более редкого изотопа, лития-6, к тому же самому результату? В теории должно, поскольку химически эти изотопы идентичны. Они отличаются только количеством нейтронов в ядре.

Порывшись в литературе, Фишер обнаружил, что эксперименты по сравнению лития-6 и лития-7 уже проводились. В 1986 году учёные из Корнелльского университета изучали, какой эффект эти два изотопа оказывают на поведение крыс. Беременных крыс разделили на три группы – одной давали литий-7, одной – литий-6, а третья служила контрольной группой. После рождения потомства у крыс, получавших литий-6, материнский инстинкт, выражавшийся в уходе, заботе и строительстве гнёзд, был развит гораздо сильнее, чем у двух остальных групп.

Это поразило Фишера. Химически два изотопа должны быть идентичными, и тем более в заполненной влагой среде человеческого тела у них не должны проявляться какие-то различия. Так что же могло послужить причиной появления различий в поведении, наблюдаемых исследователями?

Фишер считает, что секрет может крыться в спине ядра, в квантовом свойстве, влияющем на то, как долго каждый из атомов может оставаться когерентным – изолированным от окружения. Чем меньше спин, тем меньше ядро взаимодействует с электрическими и магнитными полями, и тем медленнее теряется когерентность.

Поскольку у лития-7 и у лития-6 различное количество нейтронов, у них отличаются и спины. В результате литий-7 теряет когерентность слишком быстро для работы квантового сознания, а литий-6 может дольше оставаться запутанным.

Фишер обнаружил два вещества, схожие во всём, кроме квантового спина, и нашё, что они оказывают разное влияние на поведение. Для него это был дразнящий намёк на то, что квантовая обработка данных играет какую-то функциональную роль в сознании.

Схема квантовой защиты

Однако задача перехода от интересной гипотезы к реальной демонстрации того, что квантовые процессы играют роль в работе мозга, выглядит удручающе. Мозгу нужен некий механизм долговременного хранения квантовой информации в кубитах. Необходимо запутывать множество кубитов, и эта запутанность каким-то химическим способом должна влиять на то, как работают нейроны. Также должен существовать механизм передачи квантовой информации, хранящейся в кубитах, по всему мозгу.

Это очень непростая задача. За пять лет поисков Фишер определил только одного подходящего кандидата на хранение квантовой информации в мозгу: атомы фосфора, единственный распространённый биологический элемент, кроме водорода, с половинным спином, достаточно маленьким для увеличения времени когерентности. Фосфор не может сам создавать стабильные кубиты, но его время когерентности можно продлить, если связать его с ионами кальция для формирования кластеров.

В 1975 году Аарон Познер [Aaron Posner], учёный из Корнелльского университета, обнаружил непонятную кластеризацию кальция и фосфора при изучении рентгеновских снимков костей. Он нарисовал структуру этих кластеров – девять атомов кальция и шесть атомов фосфора, и позднее в его честь их стали называть «молекулами Познера». Эти кластеры вновь заявили о себе в 2000-х, когда учёные, симулируя рост костей в искусственной жидкости, заметили их, плавающими в ней. Последующие эксперименты обнаружили доказательства наличия их в теле. Фишер считает, что молекулы Познера могут служить естественным кубитом мозга.

Это общая картина, но дьявол в мелочах, которые Фишер изучает последние несколько лет. Процесс начинается в клетке с химическим веществом под названием пирофосфат. Он состоит из двух связанных фосфатов, каждый из которых состоит из атома фосфора, окружённого несколькими атомами кислорода с нулевым спином. Взаимодействие между спинами фосфатов запутывает их. Они могут создавать пары четырьмя различными способами: три конфигурации суммарно дают спин равный 1 (слабо связанный триплет), а четвёртая даёт нулевой спин, или «синглет», состояние максимальной запутанности, критически важное для квантовой механики.

Далее ферменты разделяют запутанные фосфаты на три свободных иона. Они остаются запутанными даже после разделения. Этот процесс, по словам Фишера, проходит быстрее для синглетов. Эти ионы в свою очередь могут комбинироваться с ионами кальция и атомами кислорода и превращаться в молекулы Познера. У кальция и кислорода спина ядра нет, поэтому общий полуцелый спин, критичный для длительной когерентности, сохраняется. Эти кластеры защищают запутанные пары от внешних воздействий, чтобы те могли сохранять когерентность как можно дольше. Фишер оценивает, что это могут быть часы, дни или даже недели.

Таким образом запутанность может распространиться на довольно большие расстояния внутри мозга, влияя на выход нейротрансмиттеров и работу синапсов между нейронами – пугающее дальнодействие в версии мозга за работой.

Проверка теории

Исследователи в области квантовой биологии заинтригованы предположением Фишера. Александра Олайа-Кастро [Alexandra Olaya-Castro], физик из Университетского колледжа Лондона, работавшая над квантовым фотосинтезом, называет это «хорошо продуманной гипотезой. Она не даёт ответов, а лишь открывает вопросы, которые могут привести нас к проверкам отдельных шагов гипотезы».

С ней согласен и химик Оксфордского университета Питер Хоур [Peter Hore], исследующий квантовые эффекты в применении к навигации перелётных птиц. «Физик-теоретик предлагает нам определённые молекулы, механизмы, и всю технологию того, как они могут влиять на работу мозга,- говорит он. – Это открывает возможности для экспериментальных проверок».

Фишер сейчас как раз и пытается провести экспериментальные проверки. Он потратил творческий отпуск в Стэнфорде, работая с исследователями над воспроизводством исследования от 1986 года с беременными крысами. Он признал, что предварительные результаты получились разочаровывающими, данные не дали достаточного количества информации. Но он считает, что если лучше воспроизвести эксперимент 1986 года, результаты могут быть более убедительными.

Фишер подал заявку на получение гранта для проведения более глубоких экспериментов в квантовой химии. Он собрал небольшую группу учёных различных специальностей в своём университете и привлёк учёных из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Во-первых ему хочется разобраться, формирует ли фосфат кальция стабильные молекулы Познера, и могут ли ядерные спины фосфора из этих молекул запутываться на длительные промежутки времени.

К этому скептически относятся даже Хоур и Олайа-Кастро, особенно к оценкам Фишера по поводу сроков – сутки и более. «Честно говоря, я думаю, что это весьма маловероятно,- говорит Олайа-Кастро. – Самые длинные временные промежутки, относящиеся к биохимии, и происходящие в мозгу, не больше секунды». (В нейронах информация хранится в течение микросекунд). Хоур называет такую возможность «отдалённой», говоря максимум о секундах. «Это не отвергает всю идею, но мне кажется, что для длительной запутанности потребуются другие молекулы,- говорит он. – Не думаю, что это молекулы Познера. Но мне интересно, как будет развиваться идея».

Кое-кто считает, что для работы мозга никаких квантовых процессов вообще не нужно. «Появляются доказательства того, что всё интересное, связанное с сознанием, можно объяснить взаимодействием нейронов»,- поделился с New Scientist Пол Тагард [Paul Thagard], нейрофилософ из Университета Уотерлу в Онтарио.

Множество других аспектов гипотезы Фишера также необходимо как следует проверить. Он надеется, что сумеет поставить необходимые для этого эксперименты. Симметрична ли структура молекулы Познера? Насколько ядерные спины изолированы?

Что более важно – а вдруг эти эксперименты докажут, что гипотеза неверна? Тогда, возможно, придётся полностью отказаться от идеи квантового сознания. «Я считаю, что если ядерный спин фосфора не используется в квантовой обработке данных, тогда квантовая механика вообще не играет роли в работе сознания на длительных промежутках,- говорит Фишер. — С научной точки зрения это очень важно исключить. Науке будет полезно знать это».