Opdateret mandag 1. juli kl. 21.25 ET.
NEW YORK - Ideen om, at bevidsthed opstår som følge af kvantemekaniske fænomener i hjernen, er spændende, men mangler alligevel bevis, siger forskere.
Fysiker Roger Penrose fra University of Oxford og anæstesiolog Stuart Hameroff fra University of Arizona foreslår, at hjernen fungerer som en kvantecomputer - en computermaskine, der bruger kvantemekaniske fænomener (som partiklernes evne til at være i to steder på én gang) for at udføre komplekse beregninger. I hjernen kunne fibre inde i neuroner danne de basale enheder til kvanteberegning, forklarede Penrose og Hameroff på Global Future 2045 International Congress, en futuristisk konference, der blev afholdt her 15.-16. Juni.
Ideen er tiltalende, fordi neurovidenskab indtil videre ikke har nogen tilfredsstillende forklaring på bevidsthed - tilstanden af at være selvbevidst og have sensoriske oplevelser og tanker. Men mange forskere er skeptiske og nævner mangel på eksperimentel bevis for ideen.
Orch OR-modellen
Penrose og Hameroff udviklede deres ideer uafhængigt, men samarbejdede i de tidlige 1990'ere for at udvikle, hvad de kalder Orchestrated Objekt Reduction (Orch OR) -modellen.
Penroses arbejde hviler på en fortolkning af matematikeren Kurt Godels ufuldstændighedsteorem, der siger, at visse resultater ikke kan bevises ved hjælp af en computeralgoritme. Penrose hævder, at menneskelige matematikere er i stand til at bevise såkaldte "Godel-uprovosable" resultater, og menneskelige hjerner kan derfor ikke beskrives som typiske computere. I stedet, siger han, for at opnå disse højere evner, må hjerneprocesser stole på kvantemekanik.
Men Penroses teori forklarede ikke, hvordan denne kvanteberegning fandt sted i faktiske hjerner, bare at fænomenet ville være nødvendigt for at løse visse matematiske ligninger. Hameroff læste Penroses arbejde og foreslog små fibrøse strukturer, der giver celler deres strukturelle understøttelse - kendt som mikrotubuli - muligvis kunne udføre kvanteberegninger.
Mikrotubuli består af enheder af protein tubulin, der indeholder regioner, hvor elektroner hvirvler rundt meget tæt på hinanden. Hameroff foreslog, at disse elektroner kunne blive "kvanteindviklet", en tilstand, hvor to partikler bevarer en forbindelse, og en handling, der udføres på den ene påvirker den anden, også når de to adskilles med en afstand.
I Orch OR-modellen bliver de matematiske sandsynligheder, der beskriver kvantetilstanden for disse sammenfiltrede elektroner i mikrotubuli ustabile i rum-tid. Disse matematiske sandsynligheder kaldes bølgefunktioner, og i dette scenarie kollapses de og bevæger sig fra en sandsynlighedstilstand til en bestemt virkelighed. I denne tilstand kunne mikrotubulerne i en neuron være bundet til dem i andre neuroner via elektriske forbindelser, der er kendt som spalteforbindelser. Disse knudepunkter ville give elektronerne mulighed for at "tunnelere" til andre regioner i hjernen, hvilket resulterer i bølger af neurale aktiviteter, der opfattes som bevidst oplevelse.
"Penrose havde en bevidsthedsmekanisme, og jeg havde en struktur," fortalte Hameroff til LiveScience.
Problemer med modellen
Interessant, som det lyder, er Orch OR-modellen ikke blevet testet eksperimentelt, og mange forskere afviser den.
Kvantecomputere - computere, der drager fordel af kvantemekaniske effekter for at opnå ekstremt hurtige beregninger - er blevet teoretiseret, men kun en (bygget af virksomheden D-Wave) er kommercielt tilgængelig, og om det er en ægte kvantecomputer, der diskuteres. Sådanne computere ville være ekstremt følsomme over for forstyrrelser i et system, som forskere kalder "støj". For at minimere støj er det vigtigt at isolere systemet og holde det meget koldt (fordi varme får partikler til at fremskynde og generere støj).
At bygge kvantecomputere er udfordrende selv under omhyggeligt kontrollerede forhold. ”Dette maler et øde billede til kvanteberegning inde i den våde og varme hjerne,” skrev Christof Koch og Klaus Hepp fra University of Zürich, Schweiz, i et essay, der blev offentliggjort i 2006 i tidsskriftet Nature.
Et andet problem med modellen har at gøre med de tidsskalaer, der er involveret i kvanteberegningen. MIT-fysiker Max Tegmark har foretaget beregninger af kvanteeffekter i hjernen og fundet, at kvantetilstander i hjernen varer alt for kort tid til at føre til meningsfuld hjernebehandling. Tegmark kaldte Orch OR-modellen vag og sagde, at de eneste tal, han har set for mere konkrete modeller, er langt væk.
"Mange mennesker synes at føle, at bevidsthed er et mysterium, og kvantemekanik er et mysterium, så de skal være beslægtede," fortalte Tegmark til LiveScience.
Orch OR-modellen trækker også kritik fra neurovidenskabsfolk. Modellen hævder, at kvantumsvingninger inde i mikrotubuli producerer bevidsthed. Men mikrotubuli findes også i planteceller, sagde den teoretiske neurovidenskabsmand Bernard Baars, administrerende direktør for nonprofit Society for Mind-Brain Sciences i Falls Church, VA., Der tilføjede, at "planter, efter vores bedste viden, ikke er bevidste."
Denne kritik udelukker i princippet ikke kvantebevidsthed, men uden eksperimentelle bevis forbliver mange videnskabsfolk overbevist.
"Hvis nogen kun kommer op med et enkelt eksperiment," for at demonstrere kvantebevidsthed, sagde Baars, "jeg vil droppe al min skepsis."
Editors note: Denne artikel blev opdateret den 27. juni 2013 for at ændre erklæringen om, at "ingen kvantecomputere ... er blevet realiseret." Virksomheden D-Wave hævder at have oprettet en, skønt nogle har stillet spørgsmålstegn ved, om det virkelig fungerer som en kvantecomputer.
Tillæg: (1. juli 2013)
Som svar på kritikken af Orch OR-modellen, der er citeret i denne artikel, tilbyder Stuart Hameroff flere beviser. Som svar på indvendingen om, at hjernen er for varm til kvanteberegning, citerer Hameroff en undersøgelse fra 2013 ledet af Anirban Bandyopadhyay ved National Institute of Material Sciences (NIMS) i Tsukuba, Japan, som fandt, at ”mikrotubuli bliver væsentlig kvanteledende når de stimuleres ved specifikke resonansfrekvenser, ”sagde Hameroff.
Som svar på kritikken om, at der også findes mikrotubuli i (ubevidste) planteceller, sagde Hameroff, at planter kun har et lille antal mikrotubuli, sandsynligvis for få til at nå den tærskel, der er nødvendig for bevidstheden. Men han bemærkede også, at Gregory Engel fra University of Chicago og kolleger har observeret kvanteeffekter i plantens fotosyntese. ”Hvis en tomat eller rutabaga kan udnytte kvantesammenhæng ved varm temperatur, hvorfor kan ikke vores hjerner?” Sagde Hameroff.
Som svar på generelle indvendinger mod en mangel på bevis for hans teori citerede Hameroff en undersøgelse fra 2013, førte Rod Eckenhoff ved University of Pennsylvania, der antyder, at anæstetika - som kun stopper bevidst hjerneaktivitet - fungerer via mikrotubuli.
Disse undersøgelser yder en vis støtte til Orch OR-modellen. Men som med alle videnskabelige hypoteser, skal modellen akkumulere betydelige beviser for at opnå bred accept blandt det videnskabelige samfund.
