一項(xiàng)新的研究探索了大腦中神經(jīng)元傳遞信息時(shí)的量子現(xiàn)象，可能為我們理解大腦功能提供新的見(jiàn)解。
在這項(xiàng)發(fā)表于《計(jì)算與結(jié)構(gòu)生物技術(shù)雜志》的項(xiàng)目中，印度泰戈?duì)栕匀豢茖W(xué)與哲學(xué)中心的理論物理學(xué)家帕爾塔·戈斯（Partha Ghose）與英國(guó)倫敦大學(xué)城市圣喬治學(xué)院和美國(guó)麻省理工學(xué)院米勒實(shí)驗(yàn)室的理論神經(jīng)科學(xué)家迪米特里斯·皮諾齊斯（Dimitris Pinotsis）合作，證明了描述大腦反應(yīng)的經(jīng)典物理學(xué)方程與描述量子力學(xué)的方程在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的。隨后，戈斯和皮諾齊斯推導(dǎo)出了一個(gè)專門針對(duì)神經(jīng)元的類薛定諤方程。
我們的大腦通過(guò)一個(gè)包含數(shù)百萬(wàn)神經(jīng)元的龐大網(wǎng)絡(luò)處理信息，每個(gè)神經(jīng)元都可以發(fā)送和接收化學(xué)和電信號(hào)。信息的傳遞依賴于神經(jīng)沖動(dòng)，這些沖動(dòng)通過(guò)離子在神經(jīng)元細(xì)胞膜上的流動(dòng)從一個(gè)神經(jīng)元傳遞到下一個(gè)神經(jīng)元。這會(huì)導(dǎo)致跨膜電位差的實(shí)驗(yàn)可檢測(cè)變化，稱為“動(dòng)作電位”或“尖峰”。
當(dāng)這種電位超過(guò)閾值時(shí)，脈沖就會(huì)被傳遞下去。但在尖峰閾值以下，神經(jīng)元的動(dòng)作電位會(huì)隨機(jī)波動(dòng)，類似于經(jīng)典布朗運(yùn)動(dòng)——懸浮在流體中的微小粒子的連續(xù)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)——這是由于與周圍環(huán)境的相互作用。這種波動(dòng)產(chǎn)生了研究人員在本研究中探討的所謂“神經(jīng)元噪聲”。
皮諾齊斯表示，此前，“物理學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家大多認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)與神經(jīng)元過(guò)程無(wú)關(guān)，因?yàn)榱孔有?yīng)被認(rèn)為在神經(jīng)元的大尺度上消失了?！钡晁菇忉屨f(shuō)，一些研究量子認(rèn)知的研究者持有與主流觀點(diǎn)不同的看法。
戈斯告訴《物理世界》：“他們認(rèn)為，量子概率理論比經(jīng)典概率理論更好地解釋了社會(huì)科學(xué)中觀察到的某些認(rèn)知效應(yīng)。然而，該領(lǐng)域的大多數(shù)研究人員將量子形式（描述量子行為的數(shù)學(xué)框架）視為純粹的數(shù)學(xué)工具，而不假設(shè)量子力學(xué)中的任何物理基礎(chǔ)。我發(fā)現(xiàn)這種觀點(diǎn)令人困惑且不滿意，促使我探索量子認(rèn)知的更嚴(yán)格基礎(chǔ)——一個(gè)可能基于物理的基礎(chǔ)。”
因此，戈斯和皮諾齊斯從美國(guó)數(shù)學(xué)家愛(ài)德華·尼爾森（Edward Nelson）的思想出發(fā)開(kāi)始了他們的工作。尼爾森早在1966年利用經(jīng)典布朗運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)出了薛定諤方程，該方程通過(guò)稱為波函數(shù)的概率波預(yù)測(cè)粒子的位置和運(yùn)動(dòng)。
首先，他們證明了描述大腦活動(dòng)中隨機(jī)神經(jīng)元噪聲的經(jīng)典布朗運(yùn)動(dòng)方程中的變量也遵循量子力學(xué)方程，并推導(dǎo)出了單個(gè)神經(jīng)元的類薛定諤方程。該方程通過(guò)揭示神經(jīng)元在特定時(shí)刻具有特定膜電位值的概率來(lái)描述神經(jīng)元噪聲。接下來(lái)，研究人員展示了廣泛用于模擬神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)的FitzHugh-Nagumo方程如何可以改寫(xiě)為薛定諤方程。最后，他們?cè)谶@些類薛定諤方程中引入了一個(gè)神經(jīng)元常數(shù)，類似于普朗克常數(shù)（定義量子中的能量量）。
皮諾齊斯興奮地說(shuō)：“當(dāng)數(shù)學(xué)證明顯示FitzHugh-Nagumo方程與量子力學(xué)和薛定諤方程相關(guān)時(shí)，我感到非常興奮。這表明量子現(xiàn)象，包括量子糾纏，可能在更大的尺度上仍然存在?！?/p>
量子糾纏可能與意識(shí)的缺失有關(guān)，因此這項(xiàng)研究可能有助于揭示麻醉劑的工作原理。他們的工作可能還將大腦活動(dòng)記錄中觀察到的振蕩與量子現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)。這很重要，因?yàn)檎袷幈徽J(rèn)為是疾病的標(biāo)志：患者和對(duì)照組的大腦振蕩方式不同，通過(guò)測(cè)量這些振蕩，可以判斷一個(gè)人是否生病。
展望未來(lái)，這項(xiàng)研究可以幫助他們?cè)O(shè)計(jì)關(guān)鍵的神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試他們的理論。測(cè)量這項(xiàng)研究中預(yù)測(cè)的神經(jīng)元能級(jí)，并最終確認(rèn)神經(jīng)元常數(shù)以及包括糾纏在內(nèi)的量子效應(yīng)的存在，將代表人們對(duì)大腦功能理解的一大進(jìn)步。
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