Neurobiologia kwantowa: Czy szum mózgu kryje tajemnice kwantowe?

Tradycyjnie neurobiologia postrzega mózg jako złożoną orkiestrę impulsów elektrycznych i pozornie chaotycznych wyładowań neuronalnych. Te subtelne fluktuacje, określane mianem „szumu neuronalnego”, często traktowano jako przeszkadzające zakłócenia. Jednak grupa badaczy proponuje radykalnie odmienną perspektywę: co jeśli ten szum nie niszczy informacji, lecz wręcz przeciwnie – nadaje mózgowi nieoczekiwaną spójność, przypominającą zasady mechaniki kwantowej?

W studium opublikowanym w „Computational and Structural Biotechnology Journal”, fizyk teoretyczny Partha Ghose wraz z neurobiologiem Dimitrisem Pinotisem wykazali, że klasyczne równania opisujące aktywność neuronalną można przekształcić w formę równania Schrödingera, fundamentalnego dla fizyki kwantowej. Odkrycie to otwiera ścieżkę do możliwości, że mózg funkcjonuje, przynajmniej w części, w oparciu o zasady kwantowe. Badacze opierają się na ideach Edwarda Nelsona, który w latach 60. XX wieku zasugerował, że ruch losowy, podobny do ruchu Browna, może być opisany równaniami kwantowymi. Oznacza to, że „szum neuronalny” może skrywać głębsze struktury, równoważne falom prawdopodobieństwa, podobnym do tych używanych do opisu zachowania elektronów.

Aby przetestować tę hipotezę, badacze rozpoczęli od prostego modelu matematycznego: losowego spaceru z dryfem. Model ten pozwala opisać prawdopodobieństwo osiągnięcia przez neuron progu pobudzenia do wygenerowania impulsu elektrycznego . Co uderzające, ten formalizm nie ogranicza się do abstrakcji matematycznej; zgadza się z danymi eksperymentalnymi dotyczącymi fluktuacji potencjału elektrycznego w rzeczywistych neuronach. Konsekwencją jest stwierdzenie, że aktywność neuronalną można przedstawić jako falę kwantową, gdzie potencjał błonowy nie ma ustalonej wartości, lecz zakres prawdopodobieństw. Następnie zastosowano tę logikę do bardziej zaawansowanego modelu FitzHugh-Nagumo, powszechnie używanego do opisu generowania impulsów elektrycznych neuronów. Po dodaniu elementu szumu, autorzy wykazali, że można go również przepisać w terminach równań kwantowych.

Wynik jest uderzający, ponieważ model FitzHugh-Nagumo jest kluczowym narzędziem w neuronauce. Fakt, że posiada on „kwantowy odpowiednik”, sugeruje, że fizyka mózgu może być bogatsza, niż dotychczas sądzono. Kwantowa reinterpretacja oferuje poprawki do obliczeń klasycznych, takie jak przewidywania zmienności częstotliwości impulsów czy reakcję na bodźce. Jedną z najbardziej prowokacyjnych propozycji badania jest wprowadzenie nowego parametru: „stałej neuronalnej”, analogicznej do stałej Plancka. Aby ją zmierzyć, sugeruje się analizę oscylacji elektrycznych poniżej progu pobudzenia, które mogłyby zachowywać się jak oscylatory kwantowe z dyskretnymi poziomami energii.

Jeśli ta stała neuronalna istnieje i można ją zmierzyć, byłoby to pierwsze bezpośrednie dowód na zjawiska kwantowe na poziomie pojedynczych neuronów. Byłby to ogromny krok w debacie trwającej od dekad: czy świadomość i poznanie można powiązać z fizyką kwantową. Implikacje tego teoretycznego odkrycia wykraczają daleko poza matematykę. Niektórzy badacze, jak Roger Penrose i Stuart Hameroff, argumentowali, że świadomość może być związana z koherencją kwantową w strukturach mózgu. Nowa praca dostarcza ram, które mogłyby zbliżyć te intuicje do weryfikacji eksperymentalnej. Teorie, takie jak teoria Rogera Penrose'a i Stuarta Hameroffa o związku świadomości z kwantową koherencją w mikrotubulach, mogą uzyskać ścisłe podstawy eksperymentalne. Praktycznie, autorzy sugerują, że zjawiska takie jak plastyczność neuronalna mogą mieć komponent kwantowy. Spekulują również, że pewne wzorce oscylacji mózgu, związane z chorobami neurologicznymi, mogą być lepiej wyjaśnione z tej perspektywy.

Praktyczne konsekwencje tej teorii mogą być znaczące. Zakłada się, że plastyczność neuronalna, zdolność mózgu do uczenia się i adaptacji, może mieć składnik kwantowy. Możliwe jest również, że niektóre wzorce oscylacji mózgu, związane z chorobami neurologicznymi, zostaną lepiej wyjaśnione z tej perspektywy. Jeśli teoria się potwierdzi, może ona zaoferować nową drogę do zrozumienia takich zaburzeń, takich jak padaczka, oraz efektu anestetyków, łącząc elektryczne zachowanie neuronów z zasadami kwantowymi.

Choć obecnie jest to rozwinięcie teoretyczne, praca Ghose'a i Pinotsisa zachęca do zmiany perspektywy. Granica między biologicznym a kwantowym może nie być wyznaczona przez skalę mikroskopową, lecz przez zdolność do wykrywania ukrytych wzorców w szumie. Wyzwaniem będzie przełożenie tych idei na grunt laboratoryjny, projektując eksperymenty zdolne do pomiaru minimalnych fluktuacji elektrycznych za pomocą technik wysokiej rozdzielczości. Potwierdzenie istnienia dyskretnych poziomów energii lub spójnych stanów kwantowych w mózgu będzie rewolucyjnym krokiem, łączącym fizykę fundamentalną i świadome doświadczenie.