양자 뇌에 새로운 스핀

“양자 의식”에 대한 언급은 대부분의 물리학 자들이 새로운 시대의 전문가의 모호하고 무의미한 생각을 불러 일으키는 것처럼 보이기 때문에 대부분의 물리학 자들이 울부 짖습니다. 그러나 새로운 가설이 정확한 것으로 판명되면, 양자 효과는 실제로 인간인지에 어떤 역할을 할 수 있습니다. 산타 바바라 (Santa Barbara) 캘리포니아 대학교의 물리학자인 매튜 피셔 (Matthew Fisher)는 작년 말에 annals of Physics 에 종이를 출판했을 때 눈썹을 올렸다. 인 원자의 핵 스핀은 뇌의 초보적인 "큐 비트"역할을 할 수 있다고 제안합니다. 이는 본질적으로 뇌가 양자 컴퓨터처럼 기능 할 수있게합니다.

최근 10 년 전, Fisher의 가설은 많은 사람들에 의해 말도 안되는 것처럼 기각되었을 것입니다. 물리학 자들은 1989 년에 Roger Penrose가 "미세 소관"이라는 신비한 단백질 구조가 양자 효과를 악용함으로써 인간 의식에 역할을했다고 제안한 1989 년에 이런 종류의 일에 의해 불에 타 버렸다. 그러한 가설이 그럴듯하다고 믿는 연구원은 거의 없습니다. 샌디에고 캘리포니아 대학교의 신경 제조사 인 패트리샤 교회 랜드 (Patricia Churchland)는 인간의 인식을 설명하기 위해“시냅스의 픽시 먼지”를 불러 일으킬 수 있다고 기억에 남을 만한다.

Fisher의 가설은 미세 소관을 괴롭히는 것과 같은 어려운 장애물에 직면 해 있습니다. 운영 양자 컴퓨터를 구축하려면 얽힘이라는 프로세스에서 큐 비트 (양자 비트)를 연결해야합니다. 그러나 얽힌 큐브는 깨지기 쉬운 상태로 존재합니다. 주변 환경의 모든 소음에서 조심스럽게 차폐해야합니다. 단 하나의 광자 만 큐 비트에 부딪히면 전체 시스템을 "디코셔"로 만들기에 충분할 것입니다. 신중하게 제어되는 실험실 환경에서 양자 처리를 수행하기에 충분히 도전적이며, 인간 생물학 인 따뜻하고 습하고 복잡한 혼란을 신경 쓰지 않아 충분히 오랜 시간 동안 일관성을 유지하는 것이 거의 불가능합니다.

그러나 지난 10 년 동안 증가하는 증거는 특정 생물학적 시스템이 양자 역학을 사용할 수 있다는 것을 시사합니다. 예를 들어 광합성에서 양자 효과는 식물이 햇빛을 연료로 바꾸는 데 도움이됩니다. 과학자들은 철새 조류가“양자 나침반”을 가지고있어 지구의 자기장을 항해를 위해 악용 할 수있게하거나 인간의 냄새 감각이 양자 역학에 뿌리를 뿌릴 수 있다고 제안했습니다.

뇌의 양자 처리에 대한 Fisher의 개념은이 새로운 양자 생물학 분야에 크게 맞습니다. 그것을 양자 신경 과학이라고 부릅니다. 그는 핵 및 양자 물리학, 유기 화학, 신경 과학 및 생물학을 통합 한 복잡한 가설을 개발했습니다. 그의 아이디어는 정당한 회의론을 많이 만났지만 일부 연구자들은주의를 기울이기 시작했습니다. Fisher는 Fisher가 그곳에서 대화를 나눈 후 캘리포니아 기술 연구소 (California Institute of Technology)의 물리학자인 존 프레 스킬 (John Preskill)은“그의 논문을 읽는 사람들은 (많은 사람들이 희망적이기를 바란다. “그는 무언가에있을 수 있습니다. 적어도 그는 매우 흥미로운 질문을 제기하고 있습니다.”

Massachusetts Institute of Technology and Fisher의 오랜 친구이자 동료의 물리학자인 Senthil Todadri는 회의적이지만 Fisher는 중심 질문을 다시 제작했다고 생각합니다. 뇌에서 양자 처리가 일어나고 있는가? - 그런 식으로 가설을 엄격하게 테스트하기 위해 로드맵을 제시합니다. Todadri는“일반적인 가정은 물론 뇌에서 가능한 양자 정보 처리가 없다는 것이었다. “그는 정확히 하나의 허점이 있다고 주장합니다. 다음 단계는 허점이 닫힐 수 있는지 확인하는 것입니다.” 실제로, Fisher는 팀을 구성 하여이 질문에 한 번에 실험실 테스트를 수행하기 시작했습니다.

스핀 찾기

Fisher는 물리 왕조의 무언가에 속합니다. 그의 아버지 Michael E. Fisher는 College Park의 Maryland University의 저명한 물리학 자이며, 통계 물리학에서 일하는 것은 그의 경력 과정에서 수많은 영예와 상을 수상했습니다. 그의 형제 Daniel Fisher는 Stanford University의 응용 물리학 자로 진화론 적 역학을 전문으로합니다. Matthew Fisher는 발자국을 따라 매우 성공적인 물리학 경력을 쌓았습니다. 그는 양자 단계 전환에 대한 연구를 위해 2015 년 유명한 Oliver E. Buckley 상을 공유했습니다.

그렇다면 무엇이 그를 주류 물리학에서 멀어지게하고 생물학, 화학, 신경 과학 및 양자 물리학의 논란이 많고 악명 높은 인터페이스를 향해 나아 갔습니까? 임상 우울증으로 자신의 투쟁.

Fisher는 1986 년 2 월에 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 제트기를 느꼈을 때 생생하게 기억합니다. "나는 약을 먹은 것 같은 느낌이 들었다"고 말했다. 여분의 수면은 도움이되지 않았습니다. 그의식이 요법과 운동 체제를 조정하는 것은 무의미한 것으로 판명되었으며 혈액 검사는 아무것도 나타나지 않았다. 그러나 그의 상태는 2 년 동안 지속되었습니다. "깨어 난 순간마다 내 몸 전체에 편두통이있는 것처럼 느껴졌다"고 그는 말했다. 그의 첫 딸의 탄생은 우울증의 안개를 통해 계속 싸울 이유를 주었지만 너무 나빠서 자살을 생각했습니다.

결국 그는 삼환계 항우울제를 처방 한 정신과 의사를 발견했으며 3 주 안에 정신 상태가 들어 오기 시작했습니다. Fisher는“너무나도 안되는 은유 적 안개는 태양조차 볼 수 없었습니다. 그 구름은 조금 덜 조밀했고, 그 뒤에 빛이있는 것을 보았습니다. 9 개월 안에 그는 혈압을 급증하는 것을 포함하여 약물의 상당한 부작용에도 불구하고 다시 태어 났다고 느꼈습니다. 그는 나중에 Prozac으로 전환했고 그 이후로 특정 약물 요법을 지속적으로 모니터링하고 조정했습니다.

그의 경험은 그에게 약물이 효과가 있다고 확신했다. 그러나 Fisher는 신경 과학자들이 자신이 작동하는 방식의 정확한 메커니즘에 대해 거의 이해하지 못한다는 사실에 놀랐습니다. 그것은 그의 호기심을 불러 일으켰고, 양자 역학에 대한 그의 전문 지식을 감안할 때, 그는 뇌에서 양자 처리 가능성을 숙고하는 것을 발견했습니다. 5 년 전 그는 주제에 대해 더 많이 배우면서 항우울제에 대한 자신의 경험을 출발점으로 이끌었습니다.

거의 모든 정신과 약물은 복잡한 분자이기 때문에 그는 가장 단순하고 리튬 중 하나에 중점을 두었습니다.이 리튬은 단 하나의 원자입니다. 예를 들어 Prozac보다 연구하기 쉬운 모델이 될 것입니다. Fisher는 리튬 원자가 핵을 둘러싼 전자의 구이기 때문에 비유는 특히 적합하다고 Fisher는 말했다. 그는 현지 약국에서 처방전으로 이용할 수있는 리튬이 대부분 리튬 -7이라는 일반적인 동위 원소라는 사실에 대해 제로를 제로화했습니다. 훨씬 희귀 한 리튬 -6과 같은 다른 동위 원소가 동일한 결과를 생성할까요? 이론적으로는 두 동위 원소가 화학적으로 동일하기 때문에 그것은해야합니다. 그들은 핵의 중성자 수에서만 다릅니다.

피셔가 문헌을 검색했을 때, 그는 리튬 -6과 리튬 -7의 효과를 비교하는 실험이 이루어 졌다는 것을 발견했다. 1986 년 코넬 대학의 과학자들은 두 동위 원소가 쥐의 행동에 미치는 영향을 조사했습니다. 임산부 래트를 세 그룹으로 분리 하였다 :한 그룹은 리튬 -7을, 한 그룹에 동위 원소 리튬 -6을 제공하고, 세 번째는 대조군으로서 작용했다. 강아지가 태어나면 리튬 -6을받은 어머니 쥐는 리튬 -7 또는 대조군 그룹의 쥐보다 손질, 간호 및 둥지 건설과 같은 훨씬 더 강한 모성 행동을 보였습니다.

이 바닥 피셔. 두 동위 원소의 화학은 동일해야 할뿐만 아니라 원자 질량의 약간의 차이는 신체의 물 환경에서 크게 씻겨진다. 그래서 연구자들이 관찰 한 행동의 차이를 설명 할 수있는 것은 무엇입니까?

Fisher는 비밀이 핵 스핀에있을 수 있다고 생각합니다. 이는 각 원자가 일관성을 유지할 수있는 시간, 즉 환경에서 분리 된 시간에 영향을 미치는 양자 특성입니다. 스핀이 낮을수록 핵이 전기장과 자기장과 상호 작용하고 빠르게 디코어가 덜 상호 작용합니다.

리튬 -7과 리튬 -6에는 다른 수의 중성자가 있기 때문에 스핀도 다릅니다. 결과적으로, 리튬 -7은 양자 인식의 목적으로 너무 빨리 빠르게 디 코어를 사용하는 반면, 리튬 -6은 더 오래 얽히게 될 수 있습니다.

Fisher는 양자 스핀을 위해 모든 중요한 측면에서 두 가지 물질을 발견했으며 행동에 매우 다른 영향을 줄 수 있음을 발견했습니다. Fisher의 경우, 이것은 양자 과정이 실제로인지 처리에서 기능적 역할을 할 수 있다는 열렬한 힌트였습니다.

양자 보호 체계

즉, 흥미로운 가설에서 실제로 양자 처리가 뇌에서 역할을한다는 것을 보여주는 것은 어려운 도전입니다. 뇌는 양자 정보를 충분히 오랫동안 큐브에 저장하기위한 메커니즘이 필요합니다. 여러 큐 비트를 얽히는 메커니즘이 있어야하며, 그 얽힘은 어떤 식 으로든 뉴런이 어떻게 발생하는지에 영향을 줄 수있는 화학적으로 실현 가능한 수단을 가져야합니다. 뇌 전체의 큐 비트에 저장된 양자 정보를 운반하는 수단도 있어야합니다.

이것은 큰 순서입니다. 그의 5 년 퀘스트 과정에서 Fisher는 뇌에 양자 정보를 저장할 수있는 신뢰할 수있는 후보자를 확인했습니다. 인 원자는 1/2의 회전이있는 수소 이외의 유일한 일반적인 생물학적 요소이며, 낮은 수의 일관성 시간이 길어질 수 있습니다. 인자에 따르면 인은 자체적으로 안정적인 큐 비트를 만들 수는 없지만, 인구를 형성하기 위해 칼슘 이온과 결합하면 일관성 시간이 더 연장 될 수있다.

1975 년 코넬 대학 과학자 인 아론 포스너 (Aaron Posner)는 뼈의 엑스레이에서 칼슘과 인 원자의 이상한 클러스터링을 발견했습니다. 그는 9 개의 칼슘 원자와 6 개의 인 원자가 그 클러스터의 구조에 대한 그림을 만들었습니다. 인공 유체의 뼈 성장을 시뮬레이션하는 과학자들이 유체에 떠있는 것을 보았을 때 2000 년대에 클러스터가 다시 나타났습니다. 후속 실험은 신체의 클러스터의 증거를 발견했습니다. Fisher는 Posner 분자가 뇌의 자연적인 큐 비트 역할을 할 수 있다고 생각합니다.

그것이 큰 그림 시나리오이지만, 악마는 지난 몇 년 동안 Fisher가 망치질을했던 세부 사항에 있습니다. 이 과정은 피로 포스페이트라는 화학 화합물로 세포에서 시작됩니다. 그것은 서로 결합 된 2 개의 인산염으로 만들어졌으며, 각각은 스핀이 0 인 다수의 산소 원자로 둘러싸인 인 원자로 구성됩니다. 인산염의 스핀 사이의 상호 작용으로 인해 얽히게됩니다. 그들은 네 가지 다른 방식으로 페어링 할 수 있습니다. 구성 중 3 개는 총 1 개의 스핀에 추가되지만 (약하게 얽힌 "트리플렛"상태), 네 번째 가능성은 Quantum Computing에 중요합니다.

다음으로, 효소는 얽힌 포스페이트를 2 개의 유리 인산염 이온으로 분리시킨다. 결정적으로, 이것들은 그들이 분리 할 때에도 얽히게되어 남아 있습니다. 이 과정은 훨씬 더 빨리 발생한다고 Fisher는 단일 줄무늬가 있다고 주장합니다. 그런 다음 이들 이온은 칼슘 이온 및 산소 원자와 결합하여 포스너 분자가 될 수있다. 칼슘이나 산소 원자는 핵 스핀을 가지지 않아 일 연장 일관성 시간에 중요한 1/2의 총 스핀을 보존합니다. 따라서 이러한 클러스터는 외부 간섭으로부터 얽힌 쌍을 보호하여 훨씬 더 오랜 시간 동안 일관성을 유지할 수 있도록합니다. Fisher는 거의 몇 시간, 며칠 또는 몇 주 동안 지속될 수 있다고 추정합니다.

이런 식으로, 얽힘은 뇌에서 상당히 장거리에 분포되어 신경 전달 물질의 방출과 뉴런 사이의 시냅스 발사에 영향을 미칩니다.

이론 테스트

양자 생물학에서 일하는 연구원들은 Fisher의 제안에 조심스럽게 흥미를 느낍니다. Quantum 광합성에서 일한 University College London의 물리학자인 Alexandra Olaya-Castro는 이것을“잘 생각한 가설이라고 부릅니다. 그것은 답을주지 않고, 가설의 특정 단계를 테스트 할 수있는 방법으로 이어질 수있는 질문을 열어줍니다.”

옥스포드 대학 화학자 피터 호어 (Peter Hore)는 철새 조류의 항해 시스템이 양자 효과를 사용하는지 여부를 조사합니다. "여기에 특정 분자, 특정 역학을 제안하는 이론적 물리학자가 이것이 뇌 활동에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지까지입니다." "그것은 실험 테스트의 가능성을 열어줍니다."

실험 테스트는 Fisher가 현재하려고하는 일입니다. 그는 스탠포드 대학교에서 안식년을 보냈다. 그는 데이터가 많은 정보를 제공하지 않았다는 점에서 예비 결과가 실망 스럽다고 인정했지만 원래 1986 실험에 더 가까운 프로토콜이 반복되면 결과가 더 결정적 일 수 있다고 생각합니다.

Fisher는 추가 심층 양자 화학 실험을 수행하기 위해 자금을 신청했습니다. 그는 UCSB와 샌프란시스코 캘리포니아 대학교 (University of California of California, 샌프란시스코 대학)의 소규모 과학자들을 공동 작업자로 함께 모았습니다. 가장 먼저, 그는 인산 칼슘 칼슘이 실제로 안정적인 posner 분자를 형성하는지 여부와 이러한 분자의 인 핵 스핀이 충분히 오랜 시간 동안 얽힐 수 있는지 조사하고 싶습니다.

Hore와 Olaya-Castro조차도 후자에 대해 회의적이며, 특히 Fisher의 대략적인 추정치가 일관성이 하루 이상 지속될 수 있다고 추정합니다. Olaya-Castro는“솔직히 말해서는 거의 가능하지 않다고 생각합니다. "여기서 일어나는 생화학 적 활동과 관련된 가장 긴 시간 규모는 몇 초 규모이며 너무 길다." (뉴런은 마이크로 초에 대한 정보를 저장할 수 있습니다.) Hore는 잠재 고객을“원격”이라고 부르며 한계를 1 초에 한계를 고수합니다. "이것은 전체 아이디어를 무효화하지는 않지만 일관성이 긴 시간을 얻으려면 다른 분자가 필요하다고 생각합니다." “Posner 분자는 그렇지 않다고 생각합니다. 그러나 나는 그것이 어떻게 진행되는지 듣기를 고대하고 있습니다.”

다른 사람들은 뇌 기능을 설명하기 위해 양자 처리를 호출 할 필요가 없습니다. 캐나다 온타리오 주 워털루 대학교 (Neurophilosopher)의 신경계 제조사 인 새로운 과학자에게“신경의 상호 작용 측면에서 마음에 대한 흥미로운 모든 것을 설명 할 수 있다는 증거가 쌓이고있다”고 말했다. (Thagard는 우리의 의견 요청을 더 이상 언급하지 않았다.)