Основатели теории Квантового Сознания: Роджер Пенроуз и Стюарт Хамерофф
Организованная объективная редукция (Orch OR) - это теория, которая постулирует, что сознание возникает на квантовом уровне внутри нейронов, а не общепринятое мнение о том, что оно является продуктом связей между нейронами. Считается, что механизм представляет собой квантовый процесс, называемый объективной редукцией, который управляется клеточными структурами, называемыми микротрубочками. Предполагается, что теория может ответить на сложную проблему сознания и обеспечить механизм свободной воли.[1] Гипотеза была впервые выдвинута в начале 1990-х годов Нобелевским лауреатом по физике Роджером Пенроузоми анестезиолог и психолог Стюарт Хамерофф. Гипотеза объединяет подходы молекулярной биологии, нейробиологии, фармакологии, философии, квантовой теории информации и квантовой гравитации.[2][3]
В то время как основные теории утверждают, что сознание возникает по мере увеличения сложности вычислений, выполняемых нейронами головного мозга, [4] [5] Orch OR утверждает, что сознание основано на невычислимой квантовой обработке, выполняемой кубитами, сформированными коллективно на клеточных микротрубочках, процесс, значительно усиленный в нейронах. Кубиты основаны на колеблющихся диполях, образующих наложенные резонансные кольца в спиральных путях по всей решетке микротрубочек. Колебания являются либо электрическими, из-за разделения зарядов от лондонских сил, либо магнитными, из-завращение электрона — и, возможно, также из-за ядерных спинов (которые могут оставаться изолированными в течение более длительных периодов), которые происходят в диапазонах частот гигагерц, мегагерц и килогерц.[2] [6] Оркестровка относится к гипотетическому процессу, посредством которого соединительные белки, такие как белки, связанные с микротрубочками (MAPs), влияют или управляют уменьшением состояния кубита путем изменения пространственно-временного разделения их наложенных состояний.[7] Последнее основано на Теория объективного коллапса Пенроуза для интерпретации квантовой механики, которая постулирует существование объективного порога, управляющего коллапсом квантовых состояний, связанного с различием кривизны пространства-времени этих состояний в мелкомасштабной структуре Вселенной.[8]
Организованная объективная редукция с самого начала подвергалась критике со стороны математиков, философов,[9][10][11][12][13] и ученые.[14][15][16]Критика была сосредоточена на трех вопросах: интерпретация Пенроузом теоремы Геделя; абдуктивные рассуждения Пенроуза, связывающие невычислимость с квантовыми событиями; и непригодность мозга для размещения квантовых явлений, требуемых теорией, поскольку он считается слишком "теплым, влажным и шумным", чтобы избежать декогеренции.
Logician Kurt Gödel
В 1931 году математик и логик Курт Гедель доказал, что любая эффективно созданная теория, способная доказать основы арифметики, не может быть одновременно последовательной и полной. Другими словами, математически обоснованной теории не хватает средств, чтобы доказать себя. Аналогичное утверждение было использовано, чтобы показать, что люди подвержены тем же ограничениям, что и машины.[17] Однако в своей первой книге о сознании "Новый разум императора" (1989) Роджер Пенроуз утверждал, что недоказуемые результаты Геделя доказуемы человеческими математиками.[18] Он считает, что это несоответствие означает, что человеческие математики не могут быть описаны как системы формального доказательства и, следовательно, используют невычислимый алгоритм.
Если верно, аргумент Пенроуза–Лукаса оставляет открытым вопрос о физической основе невычислимого поведения. Большинство физических законов вычислимы и, следовательно, алгоритмичны. Однако Пенроуз определил, что коллапс волновой функции является основным кандидатом на невычислимый процесс. В квантовой механике частицы рассматриваются иначе, чем объекты классической механики. Частицы описываются волновыми функциями, которые эволюционируют в соответствии с уравнением Шредингера. Нестационарные волновые функции представляют собой линейные комбинации собственных состояний системы, явление, описываемое принципом суперпозиции. Когда квантовая система взаимодействует с классической системой, то есть когда измеряется наблюдаемое, система, по—видимому, разрушается до случайного собственного состояния этого наблюдаемого с классической точки зрения.
Если коллапс действительно случайный, то ни один процесс или алгоритм не может детерминистически предсказать его результат. Это дало Пенроузу кандидата на физическую основу невычислимого процесса, который, как он предположил, существует в мозге. Тем не менее, ему не нравилась случайная природа экологического коллапса, поскольку случайность не была многообещающей основой для математического понимания. Пенроуз предположил, что изолированные системы все еще могут подвергаться новой форме коллапса волновой функции, которую он назвал объективной редукцией (ИЛИ).[7]
Существенной особенностью теории Пенроуза является то, что выбор состояний, когда происходит объективная редукция, не выбирается ни случайным образом (как выбор после коллапса волновой функции), ни алгоритмически. Скорее, состояния выбираются "невычислимым" влиянием, встроенным в планковскую шкалу геометрии пространства-времени. Пенроуз утверждал, что такая информация является платонической, представляющей чистые математические истины, что связано с идеями Пенроуза о трех мирах: физическом, ментальном и платоновском математическом мире. В "Тенях разума" (1994) Пенроуз кратко указывает, что этот платоновский мир мог также включать эстетические и этические ценности, но он не придерживается этой дальнейшей гипотезы.[19]
Аргумент Пенроуза–Лукаса подвергся критике со стороны математиков,[20][21][22] ученые-компьютерщики[12] и философы,[23][24][9][10][11] и консенсус среди экспертов в этих областях заключается в том, что аргумент терпит неудачу[25].[26] [27] с разными авторами, атакующими разные аспекты аргументации.[27] [28] Мински утверждал, что, поскольку люди могут считать ложные идеи истинными, человеческое математическое понимание не обязательно должно быть последовательным, и сознание может легко иметь детерминированную основу.[29] Феферман утверждал, что математики прогрессируют не путем механистического поиска доказательств, а путем проб и ошибок, понимания и вдохновения, и что машины не разделяют этот подход с людьми.[21]
Пенроуз изложил предшественника Orch OR в <i>The Emperor's New Mind</i>, подойдя к проблеме с математической точки зрения и, в частности, теоремы Геделя, но ему не хватало подробного предложения о том, как квантовые процессы могут быть реализованы в мозге. <a>Стюарт Хамерофф</a> отдельно работал в области исследований рака и <a>анестезии</a>, что вызвало у него интерес к процессам в мозге. Хамерофф прочитал книгу Пенроуза и предположил, что <a>микротрубочки</a> внутри нейронов являются подходящими кандидатами для квантовой обработки и, в конечном счете, для сознания.<a>[30]</a><a></a><a>[31]</a> На протяжении 1990-х годов они оба сотрудничали над Orch ИЛИ теорией, которую Пенроуз опубликовал в <a>Shadows of the Mind</a> (1994).<a>[19]</a>Аксоплазматический транспортВклад Хамероффа в теорию вытекает из его изучения нейронного <a>цитоскелета</a>, и в частности микротрубочек.<a>[31]</a> По мере развития неврологии роль цитоскелета и микротрубочек приобретает все большее значение. В дополнение к обеспечению структурной поддержки, функции микротрубочек включают <a>аксоплазматический транспорт</a> и контроль движения, роста и формы клетки.<a>[31]</a>Хамерофф прочитал книгу Пенроуза и предположил, что микротрубочки внутри нейронов являются подходящими кандидатами для квантовой обработки и, в конечном счете, для сознания.[30][31] На протяжении 1990-х годов они оба сотрудничали над Orch ИЛИ теорией, которую Пенроуз опубликовал в Shadows of the Mind (1994).[19]
Вклад Хамероффа в теорию вытекает из его изучения нейронного цитоскелета, и в частности микротрубочек.[31] По мере развития неврологии роль цитоскелета и микротрубочек приобретает все большее значение. В дополнение к обеспечению структурной поддержки, функции микротрубочек включают аксоплазматический транспорт и контроль движения, роста и формы клетки.[31]
Orch OR сочетает аргумент Пенроуза–Лукаса с гипотезой Хамероффа о квантовой обработке в микротрубочках. Предполагается, что, когда конденсаты в мозге подвергаются объективному уменьшению волновой функции, их коллапс связывает принятие решений без вычислений с опытом, встроенным в фундаментальную геометрию пространства-времени. Теория далее предполагает, что микротрубочки как влияют, так и находятся под влиянием обычной активности в синапсах между нейронами.
Вычисление микротрубочек[править / править код]
Ответ: Терминал аксона высвобождает нейротрансмиттеры через синапс и принимается микротрубочками в дендритной корешке нейрона.
B: Смоделированные тубулины микротрубочек переключают состояния.[1]
Хамерофф предположил, что микротрубочки являются подходящими кандидатами для квантовой обработки.[31] Микротрубочки состоят из субъединиц белка тубулина . Димеры белка тубулина микротрубочек имеют гидрофобные карманы, которые могут содержать делокализованные π-электроны. Тубулин имеет другие, меньшие неполярные области, например, 8 триптофанов на тубулин, которые содержат π-богатые электронами индольные кольца, распределенные по всему тубулину с расстояниями примерно 2 нм. Хамерофф утверждает, что это достаточно близко для того, чтобы π-электроны тубулина стали квантово запутанными.[32] Во время запутывания состояния частиц становятся неразрывно коррелированными. Хамерофф первоначально предположил в fringe Journal of Cosmology, что электроны субъединицы тубулина образуют конденсат Бозе-Эйнштейна.[33]Затем он предложил конденсат Фролиха, гипотетическое когерентное колебание дипольных молекул. Однако это тоже было отвергнуто группой Реймерса.[34]Затем Хамерофф ответил Реймерсу. "Реймерс и др. совершенно определенно НЕ показали, что сильная или когерентная конденсация Фролиха в микротрубочках невозможна. Модельная микротрубочка, на которой они основывают свой гамильтониан, представляет собой не структуру микротрубочек, а простую линейную цепочку осцилляторов. " Хамерофф предположил, что такое поведение конденсата усилит наноскопические квантовые эффекты, чтобы оказать крупномасштабное влияние на мозг.
Затем Хамерофф предположил, что конденсаты в микротрубочках в одном нейроне могут связываться с конденсатами микротрубочек в других нейронах и глиальных клетках через щелевые соединения электрических синапсов.[35][36] Хамерофф предположил, что промежуток между ячейками достаточно мал, чтобы квантовые объекты могли проходить через него, что позволяет им распространяться по большой области мозга. Далее он постулировал, что действие этой крупномасштабной квантовой активности является источником гамма-волн 40 Гц, основываясь на гораздо менее спорной теории о том, что щелевые соединения связаны с гамма-колебаниями.[37]
В апреле 2022 года результаты двух связанных экспериментов были представлены на конференции "Наука о сознании". В исследовании, в котором участвовал Хамерофф, Джек Тушински из Университета Альберты продемонстрировал, что анестетики ускоряют продолжительность процесса, называемого замедленной люминесценцией, при котором микротрубочки и тубулины повторно излучают захваченный свет. Тушинский подозревает, что это явление имеет квантовое происхождение, и в качестве одной из возможностей исследуется сверхизлучение. Во втором эксперименте Грегори Д. Скоулз и Аарат Калра изПринстонский университет использовал лазеры для возбуждения молекул внутри тубулинов, вызывая пролонгированное возбуждение, распространяющееся по микротрубочкам дальше, чем ожидалось, чего не происходило при повторении под наркозом.[38][39]Однако результаты диффузии следует интерпретировать осторожно, поскольку даже классическая диффузия может быть очень сложной из-за широкого диапазона масштабов длины во внеклеточном пространстве, заполненном жидкостью.[40]
При высоких концентрациях (~ 5 ПДК) анестезирующий газ галотан вызывает обратимую деполимеризацию микротрубочек.[41] Однако это не может быть механизмом действия анестетика, поскольку человеческая анестезия выполняется при 1 ПДК. При ~ 1 МАК галотана сообщалось о незначительных изменениях экспрессии белка тубулина (~ в 1,3 раза) в первичных кортикальных нейронах после воздействия галотана и изофлурана, что не свидетельствует о непосредственном взаимодействии tublin с общими анестетиками, а скорее показывает, что белки, контролирующие выработку тубулина, являются возможными мишенями для анестезии.[42] Дальнейшее протеомное исследование сообщает 0.5 мМ [14c] галотан связывается с мономерами тубулина наряду с тремя десятками других белков.[43] Кроме того, сообщалось о модуляции стабильности микротрубочек во время общей анестезии головастиков антраценом.[44]
Что анестетики могут сделать с микротрубочками, чтобы вызвать потерю сознания? Весьма спорная теория, выдвинутая в середине 1990-х годов Стюартом Хамероффом и сэром Роджером Пенроузом, утверждает, что сознание основано на квантовых колебаниях в тубулине / микротрубочках внутри нейронов мозга. Компьютерное моделирование атомной структуры тубулина [45] показало, что молекулы анестезирующего газа связываются рядом с ароматическими кольцами аминокислот с неполярными π-электронами и что коллективные квантовые дипольные колебания среди всех π-электронных резонансных колец в каждом тубулине показали спектр с синфазным пиком при 613 T Гц.[46] Имитированное присутствие 8 различных анестезирующих газов уничтожило пик 613 ТГц, тогда как присутствие 2 разных неанестетических газов не повлияло на пик 613 ТГц, из чего было высказано предположение, что этот пик 613 ТГц в микротрубочках может быть связан с сознанием и действием анестетика.[46]
"Теория квантовых колебаний микротрубочек" о действии анестетика противоречива из-за нескольких критических недостатков в предпосылке Orch OR и фальсификации данных, используемых в поддержку теории.[47]
Orch OR подвергся критике со стороны физиков[14][48][34][49][50] и нейробиологи[51][52] [53], которые считают это плохой моделью физиологии мозга. Orch OR также подвергался критике за недостаток объяснительной силы; философ Патриция Черчленд написала: "Пыльца эльфов в синапсах примерно так же эффективна для объяснения, как квантовая когерентность в микротрубочках"[54].
В 2000 году Макс Тегмарк заявил, что любая квантово-когерентная система в мозге подвергнется эффективному коллапсу волновой функции из-за взаимодействия с окружающей средой задолго до того, как она сможет повлиять на нейронные процессы (аргумент "теплый, влажный и шумный", как его позже стали называть).[14] Он определил, что время декогеренции запутывания микротрубочек при температурах мозга составляет порядка фемтосекунд, что слишком мало для нейронной обработки. Кристоф Кох и Клаус Хепп также согласились, что квантовая когерентность не играет или не должна играть какой-либо важной роли в нейрофизиологии.[15][16] Кох и Хепп пришли к выводу, что "Эмпирическая демонстрация медленно декогерентных и управляемых квантовых битов в нейронах, соединенных электрическими или химическими синапсами, или открытие эффективного квантового алгоритма для вычислений, выполняемых мозгом, многое сделали бы, чтобы перевести эти предположения из "далекого" в простое"очень маловероятно"."[15]
В ответ на претензии Тегмарка Хаган, Тушински и Хамерофф заявили, что Тегмарк обращался не к Orch ИЛИ модели, а к модели его собственной конструкции. Это включало в себя суперпозиции квантов, разделенных 24 нм, а не гораздо меньшие расстояния, предусмотренные для Orch OR. В результате группа Хамероффа заявила, что время декогеренции на семь порядков больше, чем у Тегмарка, хотя все еще намного меньше 25 мс. Группа Хамероффа также предположила, что слой противоионов Дебая может экранировать тепловые колебания, и что окружающий актин гель может улучшить упорядочение воды, дополнительно экранируя шум. Они также предположили, что некогерентная метаболическая энергия может дополнительно упорядочивать воду и, наконец, что конфигурация решетки микротрубочек может быть пригодна для квантовой коррекции ошибок, средства противодействия квантовой декогеренции.[55][56]
В 2009 году Реймерс и др.и Маккеммиш и др., опубликовали критические оценки. Более ранние версии теории требовали, чтобы тубулиновые электроны образовывали либо конденсаты Бозе-Эйнштейна, либо конденсаты Фролиха, и группа Реймерса отметила отсутствие эмпирических доказательств того, что такое может произойти. Кроме того, они подсчитали, что микротрубочки могут поддерживать только слабую когерентность 8 МГц. Маккеммиш и др.утверждал, что ароматические молекулы не могут переключать состояния, потому что они делокализованы; и что изменения в конформации белка тубулина, вызванные конверсией GTP, приведут к чрезмерно высоким энергетическим требованиям.[48][34][49]
В 2022 году группа итальянских исследователей провела несколько экспериментов, которые опровергли соответствующую гипотезу физика Лайоша Диоси[57][58].
Хамерофф часто пишет: "Типичный нейрон мозга содержит примерно 107 тубулинов (Ю. и Баас, 1994)", но это собственное изобретение Хамероффа, которое не следует приписывать Ю. и Баасу.[59]Хамерофф, по-видимому, неправильно понял, что Ю и Баас на самом деле "реконструировали массивы микротрубочек (МТ) аксона длиной 56 мкм из клетки, которая подверглась дифференцировке аксонов", и этот реконструированный аксон "содержал 1430 МТ... и общая длина МТ составила 5750 мкм ".[59] Прямой расчет показывает, что 107 тубулинов (если быть точным, 9,3 × 106 тубулинов) соответствуют этой длине МТ 5750 мкм внутри аксона 56 мкм.
Гипотеза Хамероффа 1998 года требовала, чтобы кортикальные дендриты содержали в основном микротрубочки решетки "А"[60], но в 1994 году Kikkawa et al.показано, что все микротрубочки in vivo имеют решетку "B" и шов.[61][62]
Orch OR также требовал щелевых соединений между нейронами и глиальными клетками[60], однако Бинмеллер и др. в 1992 году доказали, что они не существуют во взрослом мозге.[63] Исследование In vitro с первичными нейрональными культурами показывает доказательства электротонической (щелевой связи) связи между незрелыми нейронами и астроцитами, полученными из эмбрионов крыс, извлеченных преждевременно с помощью кесарева сечения;[47] однако Orch ИЛИ утверждение состоит в том, что зрелые нейроны электротонически связаны с астроцитами во взрослом мозге. Таким образом, Orch ИЛИ противоречит хорошо документированномуэлектротоническое отделение нейронов от астроцитов в процессе созревания нейронов, о котором говорится в Fróes et al.следующим образом: "коммуникационная связь может обеспечивать метаболические и электротонические взаимосвязи между нейронными и астроцитарными сетями на ранних стадиях нейронного развития, и такие взаимодействия ослабевают по мере прогрессирования дифференцировки".[47]
Были выдвинуты и другие критические замечания, основанные на биологии, в том числе отсутствие объяснения вероятностного высвобождения нейротрансмиттера из пресинаптических аксонных окончаний [64] [65] [66] и ошибка в вычисленном количестве димеров тубулина на кортикальный нейрон.[59]
В 2014 году Пенроуз и Хамерофф опубликовали ответы на некоторые критические замечания и пересмотр многих второстепенных предположений теории, сохранив при этом основную гипотезу.[2][6]
