Квантовые принципы могут объяснить «шум» мозга, предполагает нейронаука

Нейронаука традиционно рассматривала мозг как сложную электрическую систему, где ионные токи и случайные разряды, известные как «нейронный шум», считались хаотическими флуктуациями, затрудняющими измерения. Однако новое исследование предлагает радикально иной взгляд: этот шум может не искажать информацию, а, наоборот, придавать мозгу неожиданную когерентность, подобную той, что наблюдается в квантовой механике.

В статье, опубликованной в журнале *Computational and Structural Biotechnology Journal*, физик-теоретик Парта Гхош и нейробиолог Димитрис Пиноцис показали, что классические уравнения, описывающие активность нейронов, могут быть преобразованы в форму, схожую с уравнением Шрёдингера, фундаментальным для квантовой физики. Это открытие открывает возможность того, что мозг функционирует, по крайней мере частично, по квантовым принципам. Исследователи опираются на идеи Эдварда Нельсона, который в 1960-х годах предположил, что случайное движение, подобное броуновскому, может быть описано квантовыми уравнениями. Это означает, что «нейронный шум» может скрывать более глубокие структуры, эквивалентные вероятностным волнам, подобным тем, что используются для описания поведения электронов.

Чтобы проверить свою гипотезу, ученые начали с простой математической модели случайного блуждания с дрейфом. Они обнаружили, что при правильной формулировке уравнение становится удивительно похожим на уравнение Шрёдингера. Эта модель позволяет описать вероятность генерации нейроном электрического импульса. Наиболее примечательно, что этот формализм согласуется с экспериментальными данными о колебаниях электрического потенциала в реальных нейронах. Это предполагает, что нейронная активность может быть представлена как квантовая волна, где мембранный потенциал имеет не фиксированное значение, а диапазон вероятностей.

Далее исследователи применили этот подход к более сложной модели Фицхью-Нагумо, которая широко используется для описания генерации и восстановления электрических импульсов нейронов. Добавив элемент шума, они смогли переписать эту модель в терминах квантовых уравнений. Этот результат особенно значим, поскольку модель Фицхью-Нагумо является ключевым инструментом в нейронауке. Тот факт, что она имеет «квантовый двойник», указывает на то, что физика мозга может быть богаче, чем считалось ранее. Квантовая переформулировка также предлагает коррекции к классическим расчетам, потенциально объясняя вариабельность частоты импульсации и реакцию на стимулы.

Авторы исследования вводят новый параметр — «нейронную константу», аналог постоянной Планка, которая определяет масштаб микроскопических явлений в квантовой физике. Они предлагают несколько экспериментов для ее практического измерения, например, анализ электрических колебаний ниже порога возбуждения. Если эта константа будет обнаружена и измерена, это станет первым прямым свидетельством квантовых явлений на уровне отдельных нейронов и может пролить свет на связь сознания и познания с квантовой физикой. Теории, такие как теория Роджера Пенроуза и Стюарта Хамероффа о связи сознания с квантовой когерентностью в микротрубочках, могут получить строгую экспериментальную основу.

Практические последствия этой теории могут быть значительными. Предполагается, что нейронная пластичность, способность мозга к обучению и адаптации, может иметь квантовую составляющую. Также возможно, что некоторые паттерны мозговых колебаний, связанные с неврологическими заболеваниями, будут лучше объяснены с этой точки зрения. Если теория подтвердится, она может предложить новый путь к пониманию таких расстройств, как эпилепсия, и эффекта анестетиков, связывая электрическое поведение нейронов с квантовыми принципами.

Хотя работа Гхоша и Пиноциса на данный момент является теоретической, она призывает к изменению перспективы. Граница между биологическим и квантовым может определяться не только масштабом, но и способностью обнаруживать скрытые закономерности в шуме. Задача теперь состоит в том, чтобы перевести эти идеи в экспериментальную плоскость, разрабатывая методы для измерения минимальных электрических флуктуаций с высоким разрешением. Подтверждение существования дискретных уровней энергии или когерентных квантовых состояний в мозге станет революционным шагом, соединяющим фундаментальную физику и сознательный опыт.