「量子意識」という言葉がニューエイジの第一人者の漠然とした無味乾燥な思索を呼び起こすように見えるため、「量子意識」について言及するだけで、ほとんどの物理学者はうんざりします。しかし、新しい仮説が正しいことが証明されれば、量子効果が実際に人間の認知に何らかの役割を果たす可能性があります。カリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者であるマシュー フィッシャーは、昨年末に Annals of Physics に論文を発表して眉をひそめました。 リン原子の核スピンが脳内で初歩的な「キュービット」として機能する可能性があることを提案している.
つい 10 年前までは、フィッシャーの仮説は多くの人からばかげているとして却下されていたでしょう。 1989 年にロジャー ペンローズが「微小管」と呼ばれる謎のタンパク質構造が量子効果を利用して人間の意識に役割を果たしていると提案したとき、物理学者は以前からこの種のことに悩まされてきました。そのような仮説がもっともらしいと信じている研究者はほとんどいません。カリフォルニア大学サンディエゴ校の神経哲学者であるパトリシア・チャーチランドは、人間の認知を説明するために「シナプスの妖精の粉」を引き合いに出すのも良いだろうという印象的な意見を述べました.
フィッシャーの仮説は、微小管を悩ませてきたのと同じ困難な障害に直面しています。それは、量子デコヒーレンスと呼ばれる現象です。動作する量子コンピューターを構築するには、エンタングルメントと呼ばれるプロセスで量子ビット (情報の量子ビット) を接続する必要があります。しかし、絡み合ったキュービットは壊れやすい状態で存在します。周囲環境のノイズから慎重にシールドする必要があります。たった 1 つの光子が量子ビットに衝突するだけで、システム全体が「デコヒーア」になり、エンタングルメントが破壊され、システムの量子特性が一掃されます。慎重に制御された実験室環境で量子処理を行うことは十分に困難であり、十分に長い期間コヒーレンスを維持することはほとんど不可能である人間の生物学である暖かく湿った複雑な混乱を気にする必要はありません.
しかし、過去 10 年間で、特定の生物学的システムが量子力学を採用している可能性を示唆する証拠が増えてきました。たとえば、光合成では、植物が太陽光を燃料に変えるのに量子効果が役立ちます。科学者はまた、渡り鳥が「量子コンパス」を持っていることを提案しており、渡り鳥がナビゲーションのために地球の磁場を利用できるようにしている、または人間の嗅覚は量子力学に根ざしている可能性がある.
脳内の量子処理に関するフィッシャーの概念は、量子生物学のこの新たな分野に広く適合します。それを量子神経科学と呼んでください。彼は、核物理学、量子物理学、有機化学、神経科学、生物学を取り入れた複雑な仮説を立てました。彼の考えは多くの正当な懐疑論に遭遇しましたが、一部の研究者は注意を払い始めています。カリフォルニア工科大学の物理学者であるジョン・プレスキルは、フィッシャーがそこで講演を行った後、「彼の論文を読んだ人は（多くの人がそうであることを願っていますが）結論を下すに違いありません。この老人はそれほど頭がおかしいわけではありません」と書いています。 「彼は何かを企んでいるのかもしれません。少なくとも、彼はいくつかの非常に興味深い質問を提起しています。」
マサチューセッツ工科大学の物理学者であり、フィッシャーの長年の友人であり同僚であるセンチル・トダドリは懐疑的ですが、フィッシャーは中心的な質問を言い換えたと考えています — 量子処理は脳内で起こっているのでしょうか? —仮説を厳密にテストするためのロードマップを作成するような方法で。 「もちろん、脳内で可能な量子情報処理は存在しないというのが一般的な仮定です」とトダドリ氏は述べた。 「彼は、抜け穴が 1 つだけあると主張しています。したがって、次のステップは、その抜け穴を塞ぐことができるかどうかを確認することです。」実際、Fisher は、この質問に完全に答えるために実験室でのテストを行うチームを編成し始めました.
スピンを見つける
フィッシャーは、物理王朝のようなものに属しています。彼の父であるマイケル E. フィッシャーは、メリーランド大学カレッジパーク校の著名な物理学者であり、その統計物理学の研究は、彼のキャリアの中で数々の栄誉と賞を獲得してきました。彼の兄弟であるダニエル・フィッシャーは、スタンフォード大学の応用物理学者であり、進化のダイナミクスを専門としています。マシュー・フィッシャーは彼らの足跡をたどり、非常に成功した物理学のキャリアを切り開いてきました。彼は、2015 年に、量子相転移に関する研究により、権威あるオリバー E. バックリー賞を受賞しました。
では、なぜ彼は主流の物理学から離れ、生物学、化学、神経科学、量子物理学の論争の的で悪名高い乱雑なインターフェースに移行したのでしょうか?彼自身は臨床的うつ病と闘っています。
フィッシャーは、1986 年 2 月に目が覚めた日のことを鮮明に覚えています。 「薬を飲まされたような気がしました」と彼は言いました。余分な睡眠は役に立ちませんでした。彼の食事と運動体制を調整することは無駄であることが判明し、血液検査は何も異常を示しませんでした.しかし、彼の状態は丸 2 年間続きました。 「目が覚めるたびに全身が片頭痛のように感じました」と彼は言いました。あまりにもひどかったので、彼は自殺を考えましたが、長女の誕生は彼にうつ病の霧の中を戦い続ける理由を与えました.
最終的に、彼は三環系抗うつ薬を処方する精神科医を見つけ、3週間以内に精神状態が改善し始めました. 「比喩的な霧が私を包み込み、太陽さえ見えませんでした。その雲の密度は少し薄くなり、その後ろに光があることがわかりました」とフィッシャーは言いました。血圧の上昇など、薬によるいくつかの重大な副作用にもかかわらず、9か月以内に彼は生まれ変わったと感じました.彼は後にプロザックに切り替え、それ以来、彼の特定の薬物療法を継続的に監視し、微調整してきました.
彼の経験から、彼は薬が効くと確信しました。しかし、フィッシャーは、神経科学者が自分の働きの背後にある正確なメカニズムについてほとんど理解していないことを発見して驚いた.それが彼の好奇心を刺激し、彼の量子力学の専門知識から、彼は脳内での量子処理の可能性を熟考していることに気づきました. 5 年前、彼は自身の抗うつ薬の経験を出発点として、このテーマについてさらに学ぶことに専念しました.
ほぼすべての精神科の薬は複雑な分子であるため、彼は最も単純なリチウムの 1 つに注目しました。リチウムは 1 つの原子にすぎません。たとえば、球形の牛は、プロザックよりも研究しやすいモデルです。フィッシャー氏によると、リチウム原子は核を取り囲む電子の球体であるため、この類推は特に適切です。彼は、地元の薬局から処方箋で入手できるリチウムのほとんどが、リチウム 7 と呼ばれる一般的な同位体であるという事実に注目しました。はるかに希少なリチウム 6 のような別の同位体でも、同じ結果が得られるでしょうか? 2 つの同位体は化学的に同一であるため、理論的にはそうなるはずです。それらは原子核の中の中性子の数だけが異なります。
フィッシャーが文献を検索したところ、リチウム 6 とリチウム 7 の効果を比較する実験が行われていることがわかりました。 1986 年、コーネル大学の科学者は、ラットの行動に対する 2 つの同位体の影響を調べました。妊娠したラットは 3 つのグループに分けられました。1 つのグループにはリチウム 7 が与えられ、もう 1 つのグループにはアイソトープのリチウム 6 が与えられ、3 番目のグループは対照群として使用されました。子犬が生まれると、リチウム 6 を投与された母ラットは、リチウム 7 または対照群のラットよりも、毛づくろい、授乳、巣作りなどの母性行動がはるかに強かった.
この床のフィッシャー。 2 つの同位体の化学的性質が同じである必要があるだけでなく、原子量のわずかな違いが体の水分環境で大きく洗い流されます。では、研究者が観察した行動の違いは何によって説明できるのでしょうか?
フィッシャーは、その秘密は核スピンにあるのではないかと考えています。核スピンは、各原子がどれだけ長くコヒーレントを維持できるか、つまり環境から隔離されているかに影響を与える量子特性です。スピンが低いほど、核が電場および磁場と相互作用することが少なくなり、脱凝集が遅くなります。
リチウム 7 とリチウム 6 は中性子の数が異なるため、スピンも異なります。その結果、リチウム 7 は量子認知の目的から脱着するのが速すぎますが、リチウム 6 はより長く絡み合ったままになる可能性があります。
フィッシャーは、量子スピンを除くすべての重要な点で類似した 2 つの物質を発見し、それらが行動に非常に異なる影響を与える可能性があることを発見しました。フィッシャーにとって、これは、量子プロセスが実際に認知処理において機能的な役割を果たしている可能性があるという興味をそそるヒントでした.
量子保護スキーム
とはいえ、興味深い仮説から、量子処理が脳で役割を果たしていることを実際に実証することは、困難な挑戦です.脳には、量子情報を量子ビットに十分に長期間保存するための何らかのメカニズムが必要です。複数のキュービットを絡ませるメカニズムが必要であり、そのもつれには、ニューロンが何らかの方法で発火する方法に影響を与える化学的に実行可能な手段が必要です。また、キュービットに保存された量子情報を脳全体に転送する何らかの手段が必要です。
これは難しい注文です。フィッシャーは 5 年間の探求の過程で、脳に量子情報を保存するための信頼できる候補を 1 つだけ特定しました。より長いコヒーレンス時間を可能にします。リンは単独で安定した量子ビットを作ることはできませんが、フィッシャー氏によると、リンをカルシウムイオンと結合させてクラスターを形成すると、コヒーレンス時間をさらに延長できます。
1975 年、コーネル大学の科学者であるアーロン ポズナーは、骨の X 線写真でカルシウム原子とリン原子の奇妙なクラスター化に気付きました。彼はそれらのクラスターの構造図を作成しました。9 つのカルシウム原子と 6 つのリン原子であり、後に彼にちなんで「ポズナー分子」と呼ばれました。クラスターは 2000 年代に再び出現し、科学者が人工流体での骨の成長をシミュレートしているときに、それらが流体に浮いていることに気付きました。その後の実験で、体内にクラスターの証拠が見つかりました。フィッシャーは、ポズナー分子が脳内の自然な量子ビットとしても機能する可能性があると考えています.
これは全体像のシナリオですが、悪魔はフィッシャーが過去数年かけて打ち出した細部に潜んでいます。このプロセスは、細胞内でピロリン酸と呼ばれる化合物から始まります。それは結合した 2 つのリン酸塩でできており、それぞれがゼロスピンの複数の酸素原子に囲まれたリン原子で構成されています。リン酸塩のスピン間の相互作用により、それらがもつれます。それらは 4 つの異なる方法で対になることができます:構成のうち 3 つを合計すると、スピンの合計は 1 (弱く絡み合っているだけの「トリプレット」状態) になりますが、4 番目の可能性はゼロスピン、または最大の「シングレット」状態を生成します。エンタングルメントは、量子コンピューティングにとって重要です。
次に、酵素が絡み合ったリン酸を 2 つの遊離リン酸イオンに分解します。重要なことに、これらは離れても絡み合ったままです。このプロセスは、一重項状態でははるかに迅速に行われるとフィッシャーは主張します。これらのイオンは、次にカルシウムイオンおよび酸素原子と結合してポスナー分子になります。カルシウム原子も酸素原子も核スピンを持たず、コヒーレンス時間を長くするために重要な全スピンの半分を保持します。したがって、これらのクラスターは絡み合ったペアを外部干渉から保護し、はるかに長い期間コヒーレンスを維持できるようにします — フィッシャーは、それが数時間、数日、さらには数週間続くと概算しています.
このようにして、絡み合いは脳内のかなり長い距離にわたって分散することができ、神経伝達物質の放出とニューロン間のシナプスの発火に影響を与えます — 脳内で働いている不気味な行動.
理論の検証
量子生物学に携わる研究者は、フィッシャーの提案に慎重に興味をそそられています。ユニバーシティ カレッジ ロンドンの物理学者で、量子光合成に取り組んできた Alexandra Olaya-Castro は、これを「よく考えられた仮説です。それは答えを与えるのではなく、仮説の特定のステップをテストする方法につながる可能性のある質問を開きます。」
渡り鳥の航行システムが量子効果を利用しているかどうかを研究しているオックスフォード大学の化学者ピーター・ホアも同意見だ。 「これは、特定の分子、特定の力学、そしてこれが脳の活動にどのように影響するかを提案している理論物理学者です」と彼は言いました. 「これにより、実験的テストの可能性が開かれます。」
実験的テストは、まさにフィッシャーが現在やろうとしていることです。彼はちょうどスタンフォード大学でサバティカルを過ごし、そこの研究者たちと協力して、1986 年の妊娠したラットを使った研究を再現しました。彼は、データが多くの情報を提供しなかったという点で、予備的な結果が期待外れであることを認めましたが、元の 1986 年の実験に近いプロトコルで繰り返された場合、結果はより決定的なものになる可能性があると考えています.
フィッシャーは、さらに詳細な量子化学実験を実施するための資金を申請しました。彼は、UCSB とカリフォルニア大学サンフランシスコ校のさまざまな分野の科学者の小さなグループを共同研究者としてまとめました。何よりもまず、彼は、リン酸カルシウムが本当に安定したポスナー分子を形成するかどうか、およびこれらの分子のリン核スピンが十分に長い期間絡み合うことができるかどうかを調査したいと考えています.
ホアとオラヤ・カストロでさえ、後者には懐疑的であり、特に、一貫性が 1 日以上続く可能性があるというフィッシャーの大まかな見積もりには懐疑的です。 「正直に言うと、その可能性は非常に低いと思います」とオラヤ・カストロは語った。 「ここで起こっている生化学的活動に関連する最長の時間スケールは秒単位であり、それは長すぎます。」 (ニューロンはマイクロ秒単位の情報を保存できます。) Hore 氏は見込み客を「リモート」と呼び、制限をせいぜい 1 秒に固定しています。 「それでアイデア全体が無効になるわけではありませんが、長いコヒーレンス時間を得るには別の分子が必要になると思います」と彼は言いました。 「ポズナー分子ではないと思います。でも、どうなるか楽しみです。」
他の人は、脳機能を説明するために量子処理を呼び出す必要はないと考えています。カナダのオンタリオ州にあるウォータールー大学の神経哲学者である Paul Thagard は、New Scientist に対し、次のように述べています。 (Thagard は、これ以上のコメントの要請を拒否しました。)
フィッシャーの仮説の他の多くの側面も、より深い検討が必要であり、彼はそのための実験を実施できることを望んでいます.ポズナー分子の構造は対称ですか?では、核スピンはどの程度孤立しているのでしょうか?
最も重要なことは、これらすべての実験が最終的に彼の仮説が間違っていることを証明した場合はどうなるでしょうか?量子認知の概念を完全に放棄する時が来たのかもしれません。 「リンの核スピンが量子処理に使用されていない場合、量子力学は認知において長時間スケールで機能していないと私は信じています」とフィッシャーは言いました。 「それを除外することは科学的に重要です。科学が知ることは良いことです。」
