Zaktualizowano w poniedziałek, 1 lipca, o 9:25 ET.
NOWY JORK - Myśl, że świadomość powstaje w wyniku zjawisk mechaniki kwantowej w mózgu, jest intrygująca, ale brakuje dowodów, twierdzą naukowcy.
Fizyk Roger Penrose z University of Oxford i anestezjolog Stuart Hameroff z University of Arizona sugerują, że mózg działa jak komputer kwantowy - maszyna obliczeniowa wykorzystująca zjawiska mechaniki kwantowej (np. Zdolność cząsteczek do bycia w dwa miejsca jednocześnie), aby wykonać złożone obliczenia. Penrose i Hameroff wyjaśnili w mózgu, że włókna w neuronach mogą stanowić podstawowe jednostki obliczeń kwantowych podczas Międzynarodowego Kongresu Global Future 2045, futurystycznej konferencji, która odbyła się w dniach 15-16 czerwca.
Pomysł jest atrakcyjny, ponieważ neurobiologia nie ma jak dotąd zadowalającego wyjaśnienia dla świadomości - stanu bycia samoświadomym i doświadczania zmysłowego oraz myśli. Ale wielu naukowców jest sceptycznych, powołując się na brak dowodów eksperymentalnych na ten pomysł.
Model Orch OR
Penrose i Hameroff opracowali swoje pomysły niezależnie, ale współpracowali na początku lat 90., aby opracować model, który nazywają Orchestrated Objective Reduction (Orch OR).
Praca Penrose'a opiera się na interpretacji twierdzenia matematyka Kurta Godela, które stwierdza, że pewnych wyników nie można udowodnić algorytmem komputerowym. Penrose twierdzi, że ludzcy matematycy są w stanie udowodnić tak zwane wyniki „nie do udowodnienia przez Boga”, a zatem ludzkich mózgów nie można opisać jako typowych komputerów. Zamiast tego, mówi, aby osiągnąć te wyższe zdolności, procesy mózgowe muszą polegać na mechanice kwantowej.
Ale teoria Penrose'a nie wyjaśniła, w jaki sposób obliczenia kwantowe zachodziły w rzeczywistych mózgach, po prostu, że zjawisko to byłoby potrzebne do rozwiązania niektórych równań matematycznych. Hameroff przeczytał pracę Penrose'a i zasugerował, że małe struktury włókniste, które dają komórkom wsparcie strukturalne - znane jako mikrotubule - mogą być w stanie przeprowadzić obliczenia kwantowe.
Mikrotubule składają się z jednostek tubuliny białkowej, która zawiera regiony, w których elektrony wirują bardzo blisko siebie. Hameroff zaproponował, że te elektrony mogą zostać „splątane kwantowo”, w stanie, w którym dwie cząstki zachowują połączenie, a działanie na jedną wpływa na drugą, nawet gdy są one oddzielone odległością.
W modelu Orch OR matematyczne prawdopodobieństwa opisujące stany kwantowe tych splątanych elektronów w mikrotubulach stają się niestabilne w czasoprzestrzeni. Te matematyczne prawdopodobieństwa nazywane są funkcjami falowymi i w tym scenariuszu ulegają one załamaniu, przechodząc od stanu prawdopodobieństwa do konkretnej rzeczywistości. W tym stanie mikrotubule w jednym neuronie można połączyć z mikrotubulami w innych neuronach za pomocą połączeń elektrycznych zwanych połączeniami szczelinowymi. Połączenia te pozwoliłyby elektronom „tunelować” się do innych obszarów mózgu, powodując fale aktywności neuronowej, które są postrzegane jako świadome doświadczenie.
„Penrose miał mechanizm świadomości, a ja miałem strukturę” - powiedział Hameroff LiveScience.
Problemy z modelem
Ciekawe, jak się wydaje, model Orch OR nie został przetestowany eksperymentalnie i wielu naukowców go odrzuca.
Komputery kwantowe - komputery, które wykorzystują efekty kwantowo-mechaniczne do osiągania niezwykle szybkich obliczeń - zostały teoretyczne, ale tylko jeden (zbudowany przez firmę D-Wave) jest dostępny w handlu i czy dyskutowany jest prawdziwy komputer kwantowy. Takie komputery byłyby niezwykle wrażliwe na zakłócenia w systemie, który naukowcy nazywają „hałasem”. Aby zminimalizować hałas, ważne jest, aby odizolować system i utrzymać go bardzo zimno (ponieważ ciepło powoduje, że cząsteczki przyspieszają i wytwarzają hałas).
Budowa komputerów kwantowych jest trudna nawet w ściśle kontrolowanych warunkach. „To maluje odludny obraz do obliczeń kwantowych w mokrym i ciepłym mózgu” - napisali Christof Koch i Klaus Hepp z Uniwersytetu w Zurychu w Szwajcarii w eseju opublikowanym w 2006 r. W czasopiśmie Nature.
Kolejny problem związany z modelem dotyczy skal czasowych związanych z obliczeniami kwantowymi. Fizyk MIT Max Tegmark przeprowadził obliczenia efektów kwantowych w mózgu, stwierdzając, że stany kwantowe w mózgu trwają zdecydowanie za krótko, aby doprowadzić do znaczącego przetwarzania mózgu. Tegmark nazwał niejasnym modelem Orch OR, mówiąc, że jedyne liczby, które widział dla bardziej konkretnych modeli, są dalekie.
„Wiele osób wydaje się czuć, że świadomość jest tajemnicą, a mechanika kwantowa jest tajemnicą, więc muszą być ze sobą powiązane”, powiedział Tegmark LiveScience.
Model Orch OR budzi również krytykę ze strony neuronaukowców. Model utrzymuje, że fluktuacje kwantowe w mikrotubulach wytwarzają świadomość. Ale mikrotubule znajdują się również w komórkach roślinnych - powiedział neurolog z teorii Bernard Baars, CEO organizacji non-profit Society for Mind-Brain Sciences w Falls Church w stanie Wirginia, który dodał: „rośliny, zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, nie są świadome”.
Te krytyki zasadniczo nie wykluczają świadomości kwantowej, ale bez dowodów eksperymentalnych wielu naukowców nie jest przekonanych.
„Jeśli ktoś wymyśli tylko jeden eksperyment”, aby zademonstrować kwantową świadomość, Baars powiedział: „Porzucę cały mój sceptycyzm”.
Nota redaktora: Artykuł został zaktualizowany 27 czerwca 2013 r., Aby zmienić stwierdzenie, że „nie zrealizowano żadnych komputerów kwantowych”. Firma D-Wave twierdzi, że ją stworzyła, choć niektórzy kwestionują, czy rzeczywiście działa ona jako komputer kwantowy.
Dodatek: (1 lipca 2013 r.)
W odpowiedzi na krytykę modelu Orch OR cytowaną w tym artykule Stuart Hameroff przedstawia kilka dowodów. W odpowiedzi na zarzut, że mózg jest zbyt ciepły do obliczeń kwantowych, Hameroff przytacza badanie z 2013 r. Prowadzone przez Anirbana Bandyopadhyay w National Institute of Material Sciences w Tsukuba w Japonii, w którym stwierdzono, że „mikrotubule stają się zasadniczo przewodzące kwantowo po stymulacji przy określonych częstotliwościach rezonansowych - powiedział Hameroff.
W odpowiedzi na krytykę, że mikrotubule znajdują się również w (nieświadomych) komórkach roślinnych, Hameroff powiedział, że rośliny mają tylko niewielką liczbę mikrotubul, prawdopodobnie zbyt mało, aby osiągnąć próg wymagany dla świadomości. Ale zauważył również, że Gregory Engel z University of Chicago i współpracownicy zaobserwowali efekty kwantowe w fotosyntezie roślin. „Jeśli pomidor lub rutabaga potrafią wykorzystać spójność kwantową w ciepłej temperaturze, dlaczego nasze mózgi nie mogą?” Powiedział Hameroff.
W odpowiedzi na ogólne zastrzeżenia do braku dowodów na swoją teorię, Hameroff zacytował badanie przeprowadzone w 2013 roku przez Rod Eckenhoffa na University of Pennsylvania, które sugeruje, że środki znieczulające - które zatrzymują jedynie świadomą aktywność mózgu - działają poprzez mikrotubule.
Badania te stanowią wsparcie dla modelu Orch OR. Ale podobnie jak w przypadku wszystkich hipotez naukowych, model musi zgromadzić znaczące dowody, aby uzyskać powszechną akceptację wśród społeczności naukowej.
