Összefonódott foszforatommagok az agyban

A kvantumszámítógép kifejlesztésén fáradozó fizikusok egy részét előbb-utóbb elkapja a vágy, és megpróbálják kideríteni, működhetnek-e a kvantumjelenségek meleg és nedves közegben, konkrétan az emberi agyban is. A legújabb vállalkozó Matthew Fisher, aki korábban az IBM, majd a Microsoft kvantumszámítógép-programjában dolgozott, jelenleg pedig a University of California Santa Barbara elméleti fizikára szakosodott Kavli Intézetének professzora, és idén kapta meg a sokak által a fizikai Nobel-díj előszobájának tekintett Oliver E. Buckley-díjat (az elektromérnök Buckley többek között a transzatlanti telefonvonal kifejlesztésében tevékenykedett).

„Teljesen legitim feltenni azt a kérdést, hogy használ-e kvantummechanikát az agy”, nyilatkozta Fisher a New Scientistnek, és rögtön hozzá is tette: „Egy bizonyos szinten minden bizonnyal, hiszen az agy is atomokból áll, az atomok pedig a kvantummechanika törvényszerűségeit követik. Ami valójában érdekes viszont, az az, hogy vajon a kvantumvilág furcsaságai (ilyen pl. az entanglement/összefonódás: egy időben két helyen létező objektumok, amelyek legyenek egymástól bármilyen távolságra, mégis azonnal befolyásolják egymást) meg tudják-e magyarázni az emberi tudat különleges aspektusait.”

Mint Fisher kifejti, jelenleg a memória működésével kapcsolatban is csak elképzeléseink vannak, így lehetséges, hogy az emlékek az idegsejt-hálózatok szerkezetében vagy a neuronok közötti összeköttetésekben tárolódnak, azonban amellett is érvelhetünk, hogy a kvantumjelenségek magyarázzák majd meg az idegtudomány rejtélyeit.

A New Scientist cikkírója, Michael Brooks arról is beszámol, hogy már 1989-ben is felmerült, a tudat jelenségei hátterét esetleg nem a klasszikus, hanem a kvantumfizika eszközeivel lehet majd feltárni. Az oxfordi matematikus, Roger Penrose akkori javaslata sokak érdeklődését felkeltette, így pl. egy arizonai aneszteziológus, Stuart Hameroff konkrét ötlettel is előállt azzal kapcsolatosan, hogy milyen neurológiai struktúrák biztosíthatják az agyban a színpadot a kvantumjelenségek számára. A felvetés szerint az idegsejtek mikrotubulusai – amelyek az eddigi elképzelések szerint a sejtek vázát képezik – ki tudják használni a kvantumjelenségeket, így egyszerre két különböző állapot szuperpozíciójaként is létezhetnek. Mindegyik ilyen állapot a klasszikus fizika egy bitnyi információját tárolja, így ez az alakváltó kvantum-bit, azaz qubit, írja Brooks, kétszer annyi információt jelent, mint klasszikus fizika-beli párja. Ha ehhez hozzávesszük az entanglement jelenségét is, ami lehetővé teszi, hogy a qubit összetevő állapotai akkor is összefonódva maradjanak, amikor látszólag nincs is köztük kapcsolat, máris a kvantumszámítógépnél vagyunk, ami a remények szerint sokkal hatékonyabban tudja majd kezelni és raktározni az információt, mint bármilyen klasszikus elven működő komputer. Penrose szerint ahogy a kvantumszámítógép egyszerre sok választ tud produkálni, és különféle módokon tudja kombinálni ezeket a válaszokat, úgy lehet képes az agy is különleges teljesítményeire.

Sok fizikust azonban elriaszt a kvantumszámítógép–agy párhuzam kutatásától az a tény, hogy hő, mechanikus vibráció és sok minden más hatására a kvantumszuperpozíció széthullik, és a benne tárolt információ elvész, és ez áll amögött is, hogy eddig nem sikerült kvantumszámítógépet sem kifejleszteni. Még hűtött és mechanikailag izolált feltételek mellett is nehéz a qubit-hálózatokat annyi ideig koherens állapotban tartani, ami alatt túlszárnyalható lenne a klasszikus komputerek számítókapacitása. Azonban Fisher ehhez azt is hozzáteszi, hogy az evolúció minden bizonnyal megtalálta a módját, hogy hogyan lehet ezeket az akadályokat megkerülni, elvégre is több milliárd év állt a rendelkezésére, hogy megtanulja használni a kvantummechanikát.

Lítium és foszfor

A továbbiakban a fizikus a pszichiátriai szerek jelenleg ismeretlen hatásmechanizmusa iránt kezdett érdeklődni, és megakadt a szeme egy 1986-os kísérleten, amelynek során patkányokat a hangulatstabilizáló hatású lítium két stabil izotópja közül az egyikkel (lítium-6) vagy a másikkal (lítium-7) etettek. Az előbbi csoportba tartozó állatok sokkal aktívabbak voltak az utódgondozásban, fészeképítésben és még számos egyéb tevékenységben, mint a kontrollcsoport vagy a lítium-7-tel etetett csoport tagjai (Sechzer és munkatársai: Aberrant parenting and delayed offspring development in rats exposed to lithium; Biological Psychiatry). Márpedig a lítium-6 atommagjáról már az 1970-es években kiderült, hogy képes az agynak megfelelő kémiai környezetben egy speciális kavntummechanikai tulajdonságát, a spinjét állandó értéken tartani, vagyis izolálni azt a zavaró hatásoktól. Fisher felvetése szerint elképzelhető, hogy a lítium lecsendesítő hatása annak köszönhető, hogy általa egy ilyen különösen koherens atommag épül be az agyba.

Természetes körülmények között egyébként nincs az agyban lítium-6, azonban van egy másik elem, aminek atommagja ahhoz hasonlóan stabil értékű spinnel jellemezhető, és sok biokémiai reakcióban szerepel: a foszfor. Amikor Fisher erre rájött, úgy érezte, hogy megtalálta a megoldást: ha az agyműködésben a kvantumfolyamatok szerepet játszanak, akkor azok a foszfor atommagjának spinje révén valósulhatnak meg. Különböző foszfortartalmú szerves molekulák tanulmányozása után a fizikusnak már jelöltje is van: mint mondja, elképzelhető, hogy a qubit egy Posner-molekula/klaszter névre hallgató kalcium-foszfát struktúra (Ca9(PO4)6). Fisher továbbá azonosított egy kémiai reakciót is az agyban, ami szerinte a Posner-molekulákon belüli foszfor-atommagok között hoz létre összefonódott, koherens állapotokat: a reakció során a pyrofoszfatáz nevű enzim vág ketté két összekapcsolt foszfátionból álló struktúrákat. Az így létrejövő, két különálló foszfátion atommagi spinje – legalábbis elméletileg – a kvantumösszefonódás állapotában lehet. A további elképzelés szerint a Posner-molekulák a neuronok belsejében módosíthatják a jelátviteli folyamatokat, és az egyik neuron jelátvitelében közreműködő, összefonódott Posner-molekulák egy másik neuronban is hasonló reakciókat indukálhatnak, így kialakíthatják pl. a gondolatokat vagy az emlékképeket (Quantum cognition: The possibility of processing with nuclear spins in the brain; Annals of Physics).

Lehetséges, hogy az agyrázkódás azért okoz memóriaproblémákat, mert széttöri a kvantumkoherenciát? Elképzelhető, hogy a transzkraniális mágneses stimuláció az atommagok spinjének módosítása révén képes a tudatállapotot megváltoztatni? Sorjáznak a kérdések, de először természetesen azt kell megvizsgálni, hogy valóban lehetséges-e az agyban a kvantumkoherencia kellő időtartamig történő fennállása. Az azonban a kritikusok szerint már nagy jelentőségű, hogy a múlt hónapban megjelent tanulmányában Fisher olyan kísérletek elvégzésére tett javaslatot, amelyek gyakorlati irányban is továbbvihetik a kvantumszámítógép–agy-hasonlatot.