综述：大脑中的量子效应

Quantum effects in the brain: A review

摘要：

在 20 世纪 90 年代中期,有人提出被称为微管的蛋白质中的量子效应在意识的本质中发挥作用。这一理论在很大程度上被摒弃了,因为量子效应被认为不太可能发生在温暖潮湿的生物系统中,而且会发生退相干。

然而,现在量子生物学的发展表明情况并非如此。

量子效应与光合作用有关,光合作用是地球生命的基础。它们也可能在其他生物学过程中起作用,如鸟类迁徙和嗅觉。

量子意识的微管机制已经被量子认知的其他理论所加入。有人提出,关闭意识的全身麻醉是通过量子手段来实现的,通过电子自旋的变化来测量。在嗅觉范围内发展的隧道效应假说已经应用于神经递质的作用。

最近的一个理论概述了磷核之间的量子纠缠如何影响神经元的放电。这些理论,以及其他理论,推动了一个不断扩大的研究领域, 研究量子效应是否有助于神经处理。

这篇综述旨在调查这项研究的现状,以及该理论在多大程度上得到令人信服的实验证据的支持。它还旨在阐明这些拟议的量子效应的生物学位点,以及在更广泛的量子生物学领域取得的进展如何与大脑的具体情况相关联。

I.介绍

量子物理学可能有助于解释最神秘的器官——大脑——的想法已经引起了科学家们的怀疑。仅仅因为量子论和意识都是复杂的概念,并不意味着它们必然相互联系。事实上,两者发生的背景一直被认为是不相容的。

大脑是一个生物系统,在生理温度下运行,并受到生物赖以生存的无数相互作用的影响。另一方面,量子效应通常局限于与环境相互作用的有害影响隔离的低温系统。但是,生物系统和量子系统的互斥已经不那么绝对了。

量子生物学领域的研究已经在识别量子过程如何有益于活生物体方面取得了一些成功1–5。在基本层面上,可以说所有的生物系统都是量子力学的,由原子组成,因此服从于由玻尔和卢瑟福在二十世纪初首先发展的原子结构的量子理论6,7。

在量子生物学领域,这些被认为是微不足道的量子效应,更令人感兴趣的是,诸如相干性、纠缠和隧道效应等量子现象是否可能在提高生物过程的功效方面发挥重要作用。

越来越多的证据表明,量子相干可能有助于光合作用的非凡效率。鸟类罗盘也被建议利用量子效应,行为证据支持这一假设。嗅觉、酶催化和 DNA 的复杂性都在量子生物学领域的研究人员的审查之下1–5。

大脑的基本生物学,尽管被无法解释的意识现象所提升,也许在机械论的层面上,与身体中发生的其他过程没有太大的不同。难怪人们对构成中枢神经系统的详细生理机制越来越感兴趣。

尽管我们还没有完全理解大脑及其相关系统是如何工作的, 但量子理论至少可以做出一些贡献。有人试图解决意识这一难题8,9或者将量子理论应用于人类心理和认知10–12。

然而,这篇综述集中在各种情况下,人们怀疑量子效应在大脑执行其整体功能的结构机制中起作用:神经放电;麻醉的作用,神经递质和其他药物;感官解读和有组织的信号传递是我们识别自我的巨大神经网络的核心。

A.经典大脑

神经科学在理解大脑如何工作方面取得了长足的进步。然而,如果我们的大脑模型已经完全实现,就没有必要研究量子理论是否能提供任何见解。大脑如何工作的问题,说起来非常明显,也很复杂。在一个层面上,它是一个物质问题,即构成中枢神经系统和相关系统的细胞网络和信号过程。但是还有一个问题,这种生理学如何产生意识现象。

虽然成像技术的进步已经解决了大脑的一些结构,但新的发现仍在不断出现。最近,在大脑的脑膜中发现了以前闻所未闻的淋巴管,这表明了中枢神经系统和免疫系统之间的联系,并促进了对它们在神经变性中的作用的研究13,14。更不为人所知的是结构和功能之间的关系,以及功能连接或对思维的理解在多大程度上可以用大脑的基本解剖学来解释15–18。

B.非平凡量子效应

1913 年,玻尔提出了他的原子模型,与经典轨道相反,电子占据离散的能级。紧随其后的是普朗克在理解黑体辐射方面的进展和爱因斯坦对光电效应的解释,以及康普顿对 X 射线的研究,开创了量子力学的新时代6,7。

从根本上说,所有生物学都可以被描述为量子力学,就像所有物质都是量子力学一样。然而,这篇综述的目的是研究生物系统中的非平凡量子效应,拓宽量子理论的范围,以包括生物机制,而不仅仅是对其组成原子的描述。

量子怪异是一个被很好记录的现象。首先,普朗克和爱因斯坦证明了通常被理解为行为像波的辐射也可以像粒子一样。德布罗意接着提出,看似离散的物质有时会表现出波动效应,比如干涉。尽管以其不确定性而闻名,该理论的形式化已被证明在描述微观系统的行为方面非常成功。

量子力学的数学框架将一个物理系统与一个包含该系统所有可能信息的量子态联系起来。有趣的是,在这个框架内,对于描述一个系统的两个量子态,这些态的线性组合也描述了这个系统。正是这一点导致了叠加态的独特的量子效应,这是本综述中讨论的重要效应之一。

量子相干的概念,量化了叠加态之间的关系在各种生物学文献中都有研究。纠缠也是,不同量子态之间的非经典关联。纠缠经常被用来讨论量子自旋,量子自旋是决定基本粒子在磁场中行为的性质。

电子隧道效应也被认为是生物系统中量子效应的潜在候选者。对隧道效应的解释来自量子力学的概率描述,它允许量子粒子穿过经典禁止的势垒的可能性6,7。这篇综述特别关注非弹性隧穿,其中隧穿电子与其生物学背景中的振动模式相耦合。

||:神经过程中的量子效应

谈论大脑中的量子过程可能会产生误导。神经细胞遍布全身。这篇综述中讨论的量子过程并不局限于大脑,而是发生在神经元和突触内。因此,它们与整个身体的生物功能有关。将这些效应描述为量子增强的神经处理可能更准确。

A.

(Orchestrated objective reduction (Orch OR))协调目标减少协调的客观还原(Orch OR),即量子力学形式在意识问题上的应用,是由斯图尔特·哈梅罗夫和罗杰·彭罗斯在 20 世纪 90 年代提出的9,36,37。

在他 1989 年的著作《皇帝的新思想:关于计算机、思想和物理定律》中,彭罗斯提出了经典物理定律不足以解释意识现象的可能性,并暗示量子物理可能是这一解释的组成部分8。他的假设最初缺乏这些量子效应可能发生的生物学背景。

哈梅罗夫是一名受过训练的麻醉师,他之前对微管很感兴趣,并认为微管可能是为意识建立量子模型的一个竞争者。

哈默罗夫和彭罗斯随后合作发展并完善了 Orch OR 理论,通过该理论,微管中的量子计算影响神经放电,并通过扩展构成意识的神经表现9。微管通常会引发8 对试图模拟大脑中量子效应的各种研究人员感兴趣。

1微管

微管由微管蛋白二聚体聚合形成,由 α 和 β 微管蛋白组成。微管蛋白二聚体首先形成纵向原丝;这些原纤维中的 13 个然后形成直径约为 25 nm 的微管。微管形成真核细胞和一些原核细胞的细胞骨架的一部分,并有助于细胞的形状和结构。它们有多种功能。

它们是细胞分裂的组成部分,形成纺锤体,介导染色体分裂为子细胞。微管也作为运动蛋白在细胞内移动细胞成分的轨道9,38,39。

尽管微管存在于所有真核细胞中,Orch OR 的理论集中于神经细胞中的微管,特别是在这些细胞的树突和细胞体(胞体)中发现的微管。这是因为轴突和非神经细胞中的微管具有放射状、规则的排列,这可能不太支持信息处理。树突和胞体中的微管排列不太规则,形成了哈默罗夫和彭罗斯所说的非常适合学习的递归网络9,40。

非神经细胞中的微管也是动态不稳定的,能够以各种方式分解。树突和神经细胞体中的微管被微管相关蛋白阻止分解,使它们更稳定,并能够编码 Orch OR理论所需的长期信息9,41,42。

微管蛋白的特殊组成也为神经处理的量子模型提供了力量,因为它部分由生色团如色氨酸组成,其排列方式类似于植物和细菌中的光合系统43,44 据推测,这支持相干量子效应。

2 Orch OR 的量子模型

Hameroff 和 Penrose 假设量子计算在微管中编码信息,而客观还原是量子信息如何导致经典输出的。彭罗斯的量子引力概念引起量子波函数客观还原的细节不在这篇综述的范围之内。

在这种情况下,汉默洛夫和彭罗斯 2014 年对该理论的回顾颇具启发性9。选择微管,更具体地说是微管蛋白二聚体作为 Orch OR 发生的生物学背景,有各种原因。

有人认为,意识的表现不是轴突放电,而是发生在神经细胞的树突和细胞体中的信号整合。这一点得到了以下事实的支持,即 γ 波同步化是由树突-躯体整合电位产生的,γ 波同步化被认为是意识的神经关联9,45。

如上所述,神经细胞的树突和细胞体中的微管排列适合于信息处理,使它们成为意识的生物位点的良好竞争者9,40,42。

Orch OR在微管中的定位也提供了一种模拟生物量子位的方法,这对于理论的量子本质是不可或缺的。量子比特是量子信息的基本单位,是一个双态系统,可以同时存在于两个态的叠加态中。

最初,Hameroff 和 Penrose 提出微管蛋白二聚体可能存在于与伦敦力偶极子偶联的机械构象的叠加中9,37,46。该理论最近的迭代将量子描述牢牢定位在构成微管蛋白的芳香环(苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸)中。

它们有 π 轨道电子云,显示了空间离域,产生了伦敦力电偶极子,可以叠加存在。虽然 Orch OR 最初是用电偶极子来表述的,但作者现在提出了与电子自旋相关的磁偶极子9。

待续...

https://arxiv.org/abs/1910.08423 阅读原文