Cơ học lượng tử có thể giải thích "nhiễu" của não bộ

Các nhà khoa học thần kinh đang xem xét lại vai trò của "nhiễu thần kinh", những dao động điện dường như ngẫu nhiên trong não bộ, và đề xuất rằng chúng có thể không phải là sự hỗn loạn mà là một phần của cơ chế lượng tử mang lại sự gắn kết cho não bộ.

Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí *Computational and Structural Biotechnology Journal* của nhà vật lý lý thuyết Partha Ghose và nhà khoa học thần kinh Dimitris Pinotsis đã chỉ ra rằng các phương trình cổ điển mô tả hoạt động của tế bào thần kinh có thể được chuyển đổi thành một dạng của phương trình Schrödinger, nền tảng của vật lý lượng tử. Điều này gợi ý rằng bộ não, ít nhất là một phần, có thể hoạt động theo các nguyên tắc lượng tử.

Ghose và Pinotsis đã xem xét ý tưởng của Edward Nelson, người vào những năm 1960 đã đề xuất rằng chuyển động ngẫu nhiên, tương tự như chuyển động Brown, có thể được mô tả bằng các phương trình lượng tử. Điều này cho thấy nhiễu thần kinh có thể ẩn chứa các cấu trúc sâu sắc hơn, tương đương với các sóng xác suất, giống như cách các nhà vật lý sử dụng để dự đoán vị trí của một electron.

Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu với một mô hình toán học đơn giản về bước đi ngẫu nhiên và phát hiện ra rằng nó có thể được biểu diễn bằng một phương trình tương tự như phương trình Schrödinger. Mô hình này cho phép mô tả xác suất một tế bào thần kinh đạt đến ngưỡng phát xung điện. Quan trọng hơn, hình thức này phù hợp với dữ liệu thực nghiệm về điện thế màng dao động trong các tế bào thần kinh thực tế. Điều này ngụ ý rằng hoạt động của tế bào thần kinh có thể được biểu diễn dưới dạng một sóng lượng tử, nơi điện thế màng là một phạm vi các xác suất thay vì một giá trị cố định.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã áp dụng logic này cho mô hình FitzHugh-Nagumo, một mô hình đơn giản hóa được sử dụng rộng rãi để mô tả hoạt động của xung điện thần kinh. Họ đã chứng minh rằng mô hình này, khi có thêm yếu tố nhiễu, cũng có thể được viết lại theo các thuật ngữ của phương trình lượng tử. Kết quả này rất quan trọng vì mô hình FitzHugh-Nagumo là một công cụ trung tâm trong khoa học thần kinh. Sự tái cấu trúc lượng tử cũng đề xuất các hiệu chỉnh đối với các tính toán cổ điển, có khả năng giải thích sự biến thiên của tần số xung và phản ứng với các kích thích.

Nghiên cứu cũng đề xuất một tham số mới gọi là "hằng số thần kinh", tương tự như hằng số Planck trong vật lý lượng tử. Họ đề xuất một số thí nghiệm để đo lường thực tế nó, ví dụ, phân tích các dao động điện dưới ngưỡng kích thích. Nếu hằng số này tồn tại và có thể đo lường được, nó sẽ cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên về các hiện tượng lượng tử ở cấp độ tế bào thần kinh. Điều này có thể có ý nghĩa sâu sắc đối với cuộc tranh luận kéo dài hàng thập kỷ về việc liệu ý thức và nhận thức có liên quan đến vật lý lượng tử hay không. Các lý thuyết, chẳng hạn như lý thuyết của Roger Penrose và Stuart Hameroff về mối liên hệ giữa ý thức và tính kết hợp lượng tử trong các vi ống, có thể có được một cơ sở thực nghiệm vững chắc.

Về mặt thực tế, các tác giả đề xuất rằng các hiện tượng như tính dẻo thần kinh và một số mẫu dao động não liên quan đến các bệnh thần kinh có thể được giải thích tốt hơn từ góc độ lượng tử. Nếu được xác nhận, lý thuyết này có thể mở ra một con đường mới để hiểu các rối loạn như động kinh hoặc tác dụng của thuốc gây mê.

Công trình của Ghose và Pinotsis mời gọi một sự thay đổi trong quan điểm, gợi ý rằng ranh giới giữa sinh học và lượng tử có thể không được đánh dấu bằng quy mô vi mô mà bằng khả năng phát hiện các mẫu hình ẩn trong nhiễu. Thách thức hiện tại là chuyển những ý tưởng này vào phòng thí nghiệm để kiểm chứng, phát triển các phương pháp để đo lường các dao động điện tối thiểu với độ phân giải cao. Việc xác nhận sự tồn tại của các mức năng lượng rời rạc hoặc các trạng thái lượng tử kết hợp trong não sẽ là một bước đột phá mang tính cách mạng, kết nối vật lý cơ bản và trải nghiệm có ý thức.