Квантови модели на съзнанието: как съвременната физика обяснява природата на човешкия разум

Невробиологията прекрасно обяснява как мозъкът разпознава контурите на предметите и контролира движението на ръцете. Научихме се да картографираме синапсите и да измерваме електрическите импулси. Но традиционният модел на мозъка като алгоритмична мрежа се сблъсква със задънена улица, когато става въпрос за квалиите – субективното усещане за цвят, вкус или самия факт на съществуването на човека. Една изчислителна машина няма нито свободна воля, нито чувства.

За да намерят решение, изследователите започват да разглеждат възможността за участие на квантовите процеси във висшата нервна система. За основна пречка пред тази хипотеза дълго време се смяташе термодинамиката. Мозъкът е топла, влажна и биологично активна среда. Според стандартните закони на физиката квантовите състояния (като суперпозиция или заплитане) в условията на стайна температура и постоянно топлинно движение на молекулите би трябвало да се разпадат за част от пикосекундата. Този процес се нарича декохерентност.

Неотдавнашни изследвания в областта на квантовата информатика обаче показаха, че някои биологични структури имат геометрия и физични свойства, които могат да забавят декохеренцията. Съвременната наука разграничава три структурни нива, на които квантовите ефекти могат да повлияят на когнитивните процеси: в рамките на отделния неврон, на нивото на макроскопичните електромагнитни полета и в изолираните молекулни връзки.

Вътрешно клетъчно ниво: електронна делокализация в микротубулите

Първото ниво предполага, че обработката на информация се извършва не само между невроните, но и в рамките на тяхната структура. В основата на тази концепция са микротубулите – протеинови полимерни структури, които образуват вътрешната рамка на клетката.

Микротубулите се състоят от протеиновите молекули тубулин. Особеното при тези молекули е наличието на свободни електрони, които не са свързани с определен атом. Във физиката това се нарича електронна делокализация. Първоначално критиците на квантовата теория на мозъка изтъкват, че поради топлинния шум кохерентното състояние на тези електрони ще изчезне за 10-¹³ секунди, което изключва влиянието им върху нервната система.

В последвалите по-точни физични модели обаче се отчитат диелектричните свойства на средата, квантовото екраниране и съседните диполни взаимодействия. Изчисленията показаха, че цилиндричната структура на микротубула физически изолира вътрешните електрони, увеличавайки времето им на кохерентност до стойности, при които те могат да повлияят на задействането на нервните импулси.

Механизмът на пренос на енергия при такива условия е описан чрез явлението свръхизлъчване. Микротубулите съдържат светлочувствителни аминокиселини, по-конкретно триптофан. При възбуждане на електрона енергията не се пренася последователно от една молекула към друга. Възбуденото състояние се разпределя едновременно в цялата мрежа от триптофанови молекули. Това дава възможност на енергията и информацията да се разпространяват по микротубула в определена посока, без да се разпръскват върху структурните дефекти на клетката, което осигурява свръхбърза синхронизация на вътрешните процеси в неврона.

Мрежовото ниво: интеграция чрез електромагнитното поле

Процесите в рамките на една-единствена клетка не могат да обяснят феномена „свързване“ – способността на мозъка да интегрира различни данни от милиони неврони в единен, непрекъснат мисловен процес. Обяснението на този механизъм се предлага от теорията за съзнателното електромагнитно информационно поле.

Известно е, че синхронните разряди на групи неврони създават ендогенно (вътрешно) електромагнитно поле на мозъка. Традиционно то се счита за страничен продукт на невронната дейност. Новата концепция обаче твърди, че това поле е физическият носител на интегрираната информация.

Основният механизъм тук е обратната връзка. Електромагнитното поле обхваща големи обеми мозъчна тъкан и е в състояние да влияе върху мембранния потенциал на невроните. Ако зарядът на даден неврон е близък до прага на задействане, въздействието на глобалното поле може или да провокира отварянето на йонните канали и разреждането на клетката, или, напротив, да забави този процес.

Този модел показва как информацията, разпределена в полето, може да контролира локалните процеси. Изследователите предполагат, че влиянието на електромагнитното поле върху отделните йонни канали може да се осъществява на порции, на ниво взаимодействие с единични фотони, което интегрира макроскопичната работа на мозъка с квантовите закономерности.

Молекулярното ниво: квантовото заплитане на фосфора

За да извършва пълноценни квантови изчисления, една система се нуждае от кубити – единици информация, способни да се намират в квантова суперпозиция, както и от механизми за тяхното заплитане и съхранение на данни. Физическите изчисления показват, че в биологична среда оптималният кандидат за ролята на кубит е атомът на фосфора.

Изборът на фосфора се дължи на неговите физически характеристики. Ядреният спин на този елемент е 1/2. Частиците с подобен спин на практика не взаимодействат с електрическите полета, които създават основния разрушителен шум в живата клетка. Фосфорът реагира главно на магнитните смущения, които са много по-слаби в мозъка, което теоретично му позволява да запази квантовото си състояние за дълго време.

За да предпази фосфорния атом от нежелани химични реакции, организмът използва клъстери на Познер – молекули калциев фосфат. Образуването на квантова връзка става по време на ензимното разцепване на сложните молекули. В резултат на реакцията могат да се образуват два независими клъстера на Познер, централните фосфорни атоми в които имат квантово заплетени спинове.

Кръвният поток пренася тези клъстери до различни части на мозъка. Когато клъстерите се абсорбират от различните неврони и се включват във вътрешноклетъчните реакции, тяхното квантово заплитане кара тези реакции да протичат синхронно. По този начин невроните, които са физически отдалечени един от друг, могат да се задействат едновременно, без пряка синаптична комуникация.

Влиянието на молекулната геометрия върху загубата на информация

Важен въпрос в теорията на молекулярните изчисления остана проблемът на термодинамиката: защо квантовото заплитане в молекулата на Познер не се разрушава от хаотичното топлинно движение на съседните атоми? Отговорът беше даден чрез математическо моделиране на отворените квантови системи. Причината се крие в пространствената геометрия на фосфатния клъстер.

Във вътрешността на фосфатната молекула централният фосфорен атом (носителят на информация) е заобиколен от кислородни атоми (буферни елементи). Кислородните атоми са подредени във формата на правилен тетраедър.

Ако буферните атоми не са свързани помежду си, системата се подчинява на динамиката на Марков. Това означава, че всяко взаимодействие на централния атом със заобикалящата го среда води до необратимо изтичане на информация към външната среда. Квантовото състояние се разрушава мигновено.

В тетраедричната структура обаче кислородните атоми са максимално свързани помежду си. Диагонализирането на хамилтониана (математически метод за описване на енергията на дадена система) показва, че тази висока симетрия променя характера на физичните взаимодействия. Централният фосфорен атом престава да бъде подложен на хаотичното влияние на много независими фактори. Цялата кислородна буферна мрежа започва да действа като единен физически обект.

Това води до промяна на режима към немарковска динамика. В този режим квантовата информация, която се предава от фосфорния атом към кислородния буфер, не се разсейва в околната среда, а частично се връща обратно към централния спин. Физическата форма на тетраедъра създава изолационен ефект: буферната мрежа от атоми забавя разпадането на системата, като поддържа заплитането между клъстерите за порядъци по-дълго, отколкото предполагат класическите изчисления.

Резултатите

Разгледаните физически модели показват, че биологичната материя е в състояние да формира условия за запазване на квантовите ефекти. Структурната организация на микротубулите, конфигурацията на електромагнитните полета и геометрията на клъстерите на Поснер осигуряват механизми, които свеждат до минимум ефектите на термодинамичния шум. По-нататъшното изучаване на тези процеси с методите на квантовата информатика ще позволи да се определят по-точно границите на приложимост на законите на класическата физика към работата на централната нервна система.