از کوانتوم تا نورون؛ آیا یک اثر زودگذر می‌تواند مسیر فعالیت مغز را تغییر دهد؟

از اینکه ما را در توسعه بهتر و هدفمند‌تر دیجیاتو همراهی می‌کنیداز شما سپاسگزاریم.

آیا ویژگی‌های مشخصاً کوانتومی مثل برهم‌نهی، درهم‌تنیدگی یا همدوسی، می‌توانند در محیط پیچیده و پرنوسان مغز اثری بر جا بگذارند؟

جهت بهره‌مندی و دسترسی به امکانات ویژه و بخش‌های مختلف در دیجیاتو عضو ویژه دیجیاتو شوید.

وارد آشپزخانه می‌شوید. چند ثانیه همان‌جا می‌ایستید، به اطراف نگاه می‌کنید و ناگهان از خودتان می‌پرسید: «من برای چه آمده بودم اینجا؟» چند لحظه بعد شاید یادتان بیاید، شاید هم نه. گاهی یک تصمیم، یک خاطره یا حتی فراموش کردن یک اسم، آن‌قدر عادی به‌نظر می‌رسد که اصلاً به سازوکار پشت آن فکر نمی‌کنیم. اما شاید همین لحظه‌های ساده، ردی از فرایندهایی داشته باشند که در عمیق‌ترین لایه‌های فیزیک رخ می‌دهند. یک نظریه تازه می‌گوید شاید بعضی اتفاق‌های بسیار کوچک در مغز، برای لحظه‌ای تحت‌تأثیر قوانین کوانتومی باشند و همان اثر کوتاه، روند یک فرایند زیستی را تغییر دهد.

پرسش «آیا فیزیک کوانتوم در مغز نقش دارد؟» در نگاه اول بسیار جذاب به‌نظر می‌رسد، اما پاسخ اولیه به آن ساده‌تر از چیزی است که انتظار داریم: بله. مغز هم مثل هر ماده دیگری از اتم‌ها، الکترون‌ها و مولکول‌هایی ساخته شده است که رفتارشان در بنیادی‌ترین سطح تابع قوانین کوانتومی است. بدون مکانیک کوانتوم، اتم‌ها، پیوندهای شیمیایی و واکنش‌هایی که زندگی سلولی بر آنها استوار است، ساختار امروزی‌شان را نداشتند.

اما این پاسخ، اصل ماجرا نیست. سؤال مهم‌تر این است که آیا ویژگی‌های مشخصاً کوانتومی مثل برهم‌نهی، درهم‌تنیدگی یا همدوسی، می‌توانند در محیط پیچیده و پرنوسان مغز اثری بر جا بگذارند که از مقیاس مولکولی فراتر برود و به رفتار یک سلول عصبی یا شبکه‌ای از نورون‌ها برسد.

اصل حرف این است که یک اثر کوانتومی لازم نیست مدت زیادی دوام بیاورد تا مهم باشد. شاید فقط برای لحظه‌ای در یک فرایند زیستی حضور داشته باشد، اما همان لحظه کافی باشد تا مسیر اتفاق بعدی را عوض کند؛ مثلاً یک واکنش را به سمت دیگری ببرد، انتقال انرژی را تغییر دهد یا روی رفتار یک کانال یونی اثر بگذارد. خود حالت کوانتومی ممکن است خیلی زود از بین برود، اما تغییری که ایجاد کرده است، بعد از آن باقی بماند.

اینجاست که ایده ترموهمدوسی مطرح می‌شود. در مغز، فقط جابه‌جایی یون‌ها، گرما یا مواد شیمیایی اهمیت ندارد، رابطه و هم‌بستگی میان اجزای سیستم نیز می‌تواند بر روند این فرایندها اثر بگذارد. بعضی از این هم‌بستگی‌ها ممکن است در مقیاس‌های بسیار کوچک و برای زمانی کوتاه منشأ کوانتومی داشته باشند، اما اثرشان بعد از محو شدن حالت کوانتومی نیز در سیستم باقی بماند. در این نگاه، قرار نیست خود فکر را یک پدیده کوانتومی بدانیم. مسئله این است که آیا یک رویداد کوانتومی کوتاه در مقیاس مولکولی می‌تواند بر آنچه بعدتر در یک فرایند عصبی رخ می‌دهد اثر بگذارد یا خیر.

فکر پیوند دادن فیزیک کوانتوم به ذهن و آگاهی سابقه طولانی دارد. یکی از شناخته‌شده‌ترین نمونه‌ها به «راجر پنروز» (Sir Roger Penrose) و «استوارت همروف» (Stuart Hameroff) برمی‌گردد. آنها به میکروتوبول‌ها توجه کردند؛ رشته‌های بسیار ظریفی که بخشی از اسکلت داخلی سلول را می‌سازند و داخل نورون‌ها نیز حضور دارند. همین موضوع این احتمال را مطرح کرد که شاید برای فهم عملکرد مغز، تنها نگاه کردن به ارتباط میان نورون‌ها کافی نباشد و بخشی از ماجرا درون خود سلول اتفاق بیفتد.

 در مدل آن‌ها، فرایندهای کوانتومی درون این ساختارها می‌توانند با شکل‌گیری لحظه‌های آگاهی ارتباط داشته باشند. این ایده از همان ابتدا جنجالی بود، چون منشأ بخشی از آگاهی را به فرایندهایی در مقیاس بسیار کوچک و درون سلول نسبت می‌داد، جایی که معمولاً در توضیح‌های رایج عصب‌شناسی، نقش مستقیمی برای آن در نظر گرفته نمی‌شود. به‌همین‌دلیل، میکروتوبول‌ها در این نظریه فقط یک جزء ساختمانی سلول نیستند، بلکه ممکن است در فرایندهایی نقش داشته باشند که درنهایت به تجربه آگاهانه مربوط می‌شوند. این ادعا هم نظریه را جذاب کرد و هم باعث شد با تردیدهای جدی روبه‌رو شود.

«متیو فیشر» (Matthew P. A. Fisher) مسیر دیگری را دنبال کرد. او به اسپین هسته‌ای فسفر توجه و این احتمال را مطرح کرد که بعضی حالت‌های کوانتومی در ساختارهای مولکولی خاص بتوانند بیشتر از حد انتظار دوام بیاورند. اگر چنین حالتی واقعاً در محیط زیستی مغز پایدار بماند، می‌تواند پیش از از بین رفتن، بر فرایندهایی مثل آزاد شدن انتقال‌دهنده‌های عصبی یا شلیک نورون‌ها اثر بگذارد. به این ترتیب، ایده فیشر به‌جای تمرکز بر میکروتوبول‌ها، سراغ مولکول‌ها و سازوکارهایی رفت که می‌توانند واسطه‌ای میان یک حالت کوانتومی و فعالیت عصبی باشند.

بزرگ‌ترین ایراد وارد شده به این ایده‌ها مسئله واهمدوسی است. حالت‌های کوانتومی بسیار شکننده هستند و تماس با محیط اطراف می‌تواند خیلی سریع ویژگی‌های کوانتومی آنها را از بین ببرد. مغز محیطی نیست که بتوان چنین حالت‌هایی را به‌راحتی در آن حفظ کرد؛ دمای نسبتاً بالایی دارد، پر از آب و مولکول‌های در حال حرکت است و مدام برهم‌کنش‌های شیمیایی و الکتریکی در آن رخ می‌دهند. برای همین، سؤال اصلی سال‌ها این بوده است که یک حالت کوانتومی در چنین محیط شلوغی چطور می‌تواند آن‌قدر دوام بیاورد که پیش از محو شدن، اثری واقعی بر فعالیت نورون‌ها بگذارد.

دیدگاه تازه از زاویه دیگری به مسئله نگاه می‌کند: شاید یک حالت کوانتومی اصلاً لازم نباشد مدت زیادی دوام بیاورد تا اثرگذار باشد. ممکن است چنین حالتی فقط برای لحظه‌ای کوتاه شکل بگیرد و خیلی زود از بین برود، اما در همان فاصله کوتاه چیزی را در سیستم تغییر داده باشد؛ مثلاً مسیر انتقال انرژی را عوض کند، یک واکنش را به سمت دیگری ببرد یا نوع ارتباط میان چند جزء را تغییر دهد. در این حالت، آنچه اهمیت دارد ماندگاری خود حالت کوانتومی نیست، بلکه تغییری است که پیش از محو شدن در سیستم ایجاد کرده است. از آن به بعد، سیستم می‌تواند وارد مسیری شود که بدون آن رویداد کوانتومی اصلاً طی نمی‌کرد.

تا اینجا گفتیم که یک حالت کوانتومی برای اثر گذاشتن بر یک فرایند زیستی لزوماً نباید مدت زیادی دوام بیاورد. در این چارچوب، از بین رفتن حالت کوانتومی لزوماً به معنای از بین رفتن اثر آن نیست. ممکن است خودِ حالت کوانتومی از بین برود، اما تغییری که در سیستم به‌وجود آورده است باقی بماند و بعدتر به شکل یک هم‌بستگی کلاسیکی ادامه پیدا کند.

می‌توان این وضعیت را به توپی بالای یک تپه تشبیه کرد که چند مسیر پیش رو دارد. یک فشار بسیار کوچک در همان لحظه اول می‌تواند تعیین کند توپ از کدام شیب پایین برود. چند لحظه بعد دیگر اثری از آن فشار نیست، اما توپ وارد مسیری شده است که ادامه حرکتش را تعیین می‌کند. در یک سامانه زیستی نیز یک رویداد کوانتومی با عمر کوتاه می‌تواند چنین نقشی داشته باشد.

در بعضی شرایط حتی ممکن است تبدیل سریع یک هم‌بستگی کوانتومی به یک هم‌بستگی کلاسیکی، از حفظ طولانی‌مدت همدوسی مفیدتر باشد. محیط در این تصویر فقط دشمن حالت‌های کوانتومی نیست. همان برهم‌کنش‌هایی که در نهایت همدوسی را از بین می‌برند، ممکن است بخشی از ساختاری را که در مرحله کوانتومی شکل گرفته حفظ کنند و آن را وارد مرحله بعدی فرایند کنند.

درنتیجه، وضعیت فعلی یک سامانه همیشه تمام اطلاعات لازم را درباره رفتار بعدی آن در اختیار ما نمی‌گذارد. دو سامانه ممکن است در نگاه اول شرایط مشابهی داشته باشند، اما چون از مسیرهای متفاوتی به آن وضعیت رسیده‌اند، واکنش بعدی یکسانی نشان ندهند. گذشته سیستم می‌تواند در رفتار فعلی آن باقی مانده باشد، حتی اگر اثر کوانتومی اولیه مدت‌هاست از بین رفته باشد.

این نگاه، بحث را از جست‌وجوی «حالت‌های کوانتومی بادوام در مغز» به پرسش دیگری می‌برد: آیا رویدادهای بسیار کوتاه در مقیاس مولکولی می‌توانند مسیر انتقال انرژی، واکنش‌های شیمیایی، حرکت یون‌ها یا بازیابی یک سامانه عصبی را طوری تغییر دهند که اثر آن در مقیاس‌های بزرگ‌تر هم دیده شود؟

برای فهم این بخش، باید کمی از تصور معمولمان درباره اطلاعات فاصله بگیریم. وقتی از اطلاعات در مغز حرف می‌زنیم، معمولاً سراغ وضعیت هر جزء می‌رویم؛ اینکه یک نورون شلیک کرده است یا نه، یک یون چه غلظتی دارد یا یک گیرنده فعال شده است یا خیر. اما همیشه همه اطلاعات را نمی‌توان در وضعیت جداگانه اجزا پیدا کرد، گاهی بخشی از اطلاعات در رابطه میان آن‌ها قرار دارد.

فرض کنید دو سیستم داریم که اگر اجزای هرکدام را جداگانه بررسی کنیم، تفاوتی میانشان نمی‌بینیم. بااین‌حال، وقتی کل سیستم را در نظر می‌گیریم، ممکن است رابطه میان اجزای آن‌ها کاملاً متفاوت باشد. به این تفاوت ساختار رابطه‌ای گفته می‌شود. این ساختار می‌تواند از هم‌بستگی‌های معمولی میان اجزا تا شکل‌های پیچیده‌تر و کاملاً کوانتومی ارتباط، مثل درهم‌تنیدگی، را شامل شود. بنابراین، شاید اجزای دو سیستم وقتی جداگانه بررسی شوند یکسان به‌نظر برسند، اما کل سیستم رفتار متفاوتی داشته باشد.

از همین‌جا مفهوم «جریان اطلاعات نامتمرکز» وارد بحث می‌شود. اطلاعات همیشه شبیه پیامی نیست که از یک نقطه به نقطه دیگر فرستاده شود. گاهی هیچ چیز مشخصی از A به B حرکت نمی‌کند و آنچه تغییر می‌کند، الگوی ارتباط میان بخش‌های مختلف سیستم است. تغییر همین رابطه‌ها می‌تواند روی رفتار بعدی سیستم اثر بگذارد.

این موضوع در مغز اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، چون فرایندهای عصبی جدا از هم اتفاق نمی‌افتند. حرکت یون‌ها، واکنش‌های شیمیایی، انتقال انرژی، تغییر شکل پروتئین‌ها و فعالیت الکتریکی نورون‌ها مدام بر یکدیگر اثر می‌گذارند. در چنین محیطی ممکن است یک هم‌بستگی در مقیاس مولکولی شکل بگیرد، در نگاه معمول دیده نشود و بعد، وقتی سیستم به یک مرحله حساس می‌رسد، روی مسیری که انتخاب می‌کند، اثر بگذارد.

اگر چنین ساختارهای رابطه‌ای واقعاً در ماده عصبی شکل بگیرند، پرسش بعدی این است که کجا باید دنبال آن‌ها بگردیم. چهار ساختار زیستی بیشتر از بقیه مورد توجه قرار گرفته‌اند، اما قرار نیست هیچ‌کدام را مرکز کوانتومی مغز بدانیم. هرکدام فقط محیطی فراهم می‌کنند که در آن یک اثر میکروسکوپی ممکن است شکل بگیرد، مدتی حفظ شود یا به فرایند دیگری منتقل شود.

یکی از جاهایی که ممکن است چنین اثری در آن شکل بگیرد، شبکه‌های پیوند هیدروژنی است. در بعضی شرایط، پروتون کاملاً در یک نقطه ثابت نمی‌ماند و می‌تواند تا حدی بین دو سر یک پیوند جابه‌جا شود. همین جابه‌جایی می‌تواند روی رابطه میان بخش‌های مختلف مولکول اثر بگذارد. اگر همزمان شکل مولکول یا آرایش پیوندها تغییر کند، ممکن است مسیر یک واکنش یا انتقال نیز عوض شود. به این ترتیب، یک تغییر بسیار کوچک در مقیاس مولکولی می‌تواند روی اتفاقی که بعدتر در سیستم می‌افتد اثر بگذارد.

دسته دیگری که بررسی شده است، شبکه‌های آروماتیک π هستند؛ یعنی مجموعه‌ای از مولکول‌ها که می‌توانند انرژی را بین خودشان پخش کنند. یکی از نمونه‌های مهم، تریپتوفان‌هایی هستند که در میکروتوبول‌ها کنار هم قرار گرفته‌اند. تریپتوفان نوعی اسیدآمینه است که با جذب نور فرابنفش، برانگیخته می‌شود. اگر چند تریپتوفان در آرایش مناسبی کنار هم باشند، این انرژی احتمالاً فقط روی یک مولکول نماند و میان چند بخش از شبکه پخش شود.

در مدلی که هشت تریپتوفان در یک واحد از میکروتوبول بررسی شده‌اند، شکل قرار گرفتن این مولکول‌ها و محل شروع برانگیختگی تعیین می‌کند انرژی چگونه در شبکه پخش شود و چه مدت در آن باقی بماند. در بعضی حالت‌ها انرژی خیلی زود از شبکه خارج می‌شود و در بعضی حالت‌ها برای مدت بیشتری در آن می‌ماند. اهمیت این شبکه‌ها در این است که نحوه قرار گرفتن مولکول‌ها کنار هم می‌تواند روی پخش شدن برانگیختگی در شبکه و مدت ماندگاری آن اثر بگذارد.

ساختارهای غنی از فسفات هم از زاویه دیگری جالب هستند. در اینجا بیشتر از جابه‌جایی ذرات، شکل قرار گرفتن اجزای مولکول کنار هم اهمیت دارد. بعضی مدل‌ها نشان داده‌اند که آرایش‌های چهاروجهی می‌توانند حالت‌های ظریف میکروسکوپی را بهتر از برخی آرایش‌های دیگر در برابر آشفتگی محیط حفظ کنند. این نتیجه نقش کوانتومی فسفات در مغز را ثابت نمی‌کند و فقط نشان می‌دهد هندسه مولکولی می‌تواند بر دوام بعضی حالت‌های میکروسکوپی اثر بگذارد.

در این میان، کانال‌های یونی ارتباط مستقیم‌تری با عملکرد نورون دارند. عبور یون‌ها از این کانال‌ها بر ولتاژ غشا و شکل‌گیری پیام عصبی اثر می‌گذارد. بنابراین، کانال‌ها می‌توانند جایی باشند که یک تغییر بسیار کوچک در مقیاس مولکولی، به تغییری قابل‌مشاهده در رفتار نورون تبدیل شود.

قرار نیست یک پروتون یا چند مولکول درهم‌تنیده مستقیماً فکر یا تصمیم بسازند. اگر اثری وجود داشته باشد، احتمالاً از مسیر بسیار طولانی‌تری به فعالیت نورون می‌رسد.

یک تغییر کوچک در مقیاس مولکولی ممکن است احتمال عبور از یک مانع انرژی را کمی جابه‌جا کند. همین تفاوت می‌تواند زمان باز شدن یک کانال یونی را تغییر دهد، مقدار یون‌های عبوری را کم یا زیاد کند و درنهایت روی ولتاژ غشای نورون و زمان شلیک آن اثر بگذارد. هرکدام از این مراحل با فرایندهای شناخته‌شده زیستی و فیزیکی توضیح داده می‌شوند؛ آنچه محل بحث است، منشأ همان تغییر کوچک در ابتدای زنجیره است.

اگر این اثرها واقعاً در مغز رخ بدهند، مهم‌ترین نکته این نیست که فکر را کوانتومی بدانیم. مهم این است که یک تغییر بسیار کوچک در مقیاس مولکولی بتواند چند مرحله بعد، خودش را در رفتار نورون نشان دهد. یعنی چیزی که در ابتدا تقریباً ناچیز به‌نظر می‌رسد، ممکن است در ادامه مسیر سیستم، اثر بزرگ‌تری پیدا کند.

یک ایده علمی وقتی جدی می‌شود که بتوان آن را در آزمایش سنجید. در اینجا یکی از راه‌ها، بررسی رفتار نورون پس از یک تحریک شدید است. فرض کنید دو نورون از نظر ولتاژ غشا، وضعیت یون‌ها و دما تقریباً یکسان باشند. انتظار طبیعی این است که هر دو به شکل مشابهی به حالت عادی برگردند. اما اگر تفاوتی پنهان در مقیاس مولکولی میان آن‌ها وجود داشته باشد، ممکن است سرعت یا مسیر بازگشتشان یکسان نباشد.

این وضعیت تا حدی به اثر امپمبا شباهت دارد؛ حالتی که در آن دو سیستم با شرایط ظاهراً مشابه، الزاماً با سرعت یکسان به تعادل نمی‌رسند. در نورون هم شاید تفاوتی که در اندازه‌گیری‌های معمول دیده نمی‌شود، زمان بازگشت را تغییر دهد.

برای آزمودن این احتمال، لازم نیست حتماً یک حالت کوانتومی را مستقیماً مشاهده کنیم. می‌توان به تفاوت در زمان بازگشت، مدت ماندن در حالت‌های میانی یا مسیری که نورون تا رسیدن به حالت پایدار طی می‌کند، نگاه کرد.

اگر این تفاوت‌ها با سازوکارهای شناخته‌شده توضیح داده شوند، دلیلی برای وارد کردن اثرهای کوانتومی وجود ندارد. اما اگر الگویی تکرارپذیر باقی بماند که توضیحات معمول از پس آن برنیایند، آن وقت می‌شود این احتمال را جدی‌تر بررسی کرد.

از اینجا خیلی راحت می‌شود به نتایج بزرگ رسید: اگر رویدادهای کوانتومی بتوانند بر فعالیت نورون اثر بگذارند، پس شاید آگاهی هم کوانتومی باشد، اختیار آزاد از همین‌جا بیاید یا مغز کاری انجام دهد که یک کامپیوتر معمولی از پس آن برنیاید. اما هیچ‌کدام از این نتایج فعلاً پشتوانه قوی ندارند.

حتی اگر روزی مشخص شود بعضی رویدادهای کوانتومی کوتاه‌عمر بر فعالیت عصبی اثر می‌گذارند، هنوز فاصله زیادی تا توضیح آگاهی، تصمیم‌گیری یا تجربه ذهنی باقی می‌ماند. آنچه فعلاً می‌توان بررسی کرد بسیار محدودتر است: آیا اتفاقی در مقیاس مولکولی می‌تواند مسیر یک فرایند زیستی را کمی تغییر دهد و اثر این تغییر چند مرحله بعد به فعالیت نورون برسد؟

این نگاه نیازی به یک مغز کوانتومی به معنای رایج آن ندارد. ممکن است حالت کوانتومی خیلی زود از بین برود، اما تغییری که ایجاد کرده است از بین نرود. شکل یک مولکول، نحوه پخش انرژی یا رفتار یک کانال یونی می‌تواند تحت‌تأثیر قرار بگیرد و همین تفاوت کوچک در ادامه به بخشی از فعالیت عصبی تبدیل شود. اگر چنین چیزی واقعاً رخ دهد، نقش مکانیک کوانتوم در مغز بسیار ظریف‌تر از تصویرهایی است که معمولاً از ذهن کوانتومی ارائه می‌شود.

هنوز معلوم نیست این فرایندها در مغز زنده تا چه اندازه اهمیت دارند یا اصلاً اثری قابل‌اندازه‌گیری بر فعالیت عصبی می‌گذارند. پاسخ این پرسش را نه تشبیه‌های جذاب درباره آگاهی، بلکه آزمایش‌های دقیق مشخص خواهند کرد. اگر تفاوت‌های پیش‌بینی‌شده با سازوکارهای شناخته‌شده توضیح داده شوند، نیازی به فرض دیگری نیست و اگر الگویی باقی بماند که توضیحات معمول از پس آن برنیایند، آن وقت این مسیر ارزش دنبال کردن بیشتری خواهد داشت.

درنهایت، شاید پرسش جالب این نباشد که «آیا فکر کوانتومی است؟» بلکه این باشد که آیا یک رویداد بسیار کوچک می‌تواند در لحظه‌ای حساس، مسیر اتفاق بعدی را کمی تغییر دهد. وقتی وارد آشپزخانه می‌شوید و چند ثانیه بعد یادتان می‌آید برای چه آمده بودید، هیچ دلیلی نداریم این اتفاق را به یک حالت کوانتومی نسبت دهیم. اما در فاصله میان تصمیم، حرکت و یادآوری، تعداد بی‌شماری فرایند مولکولی در مغز رخ داده است. اگر روزی مشخص شود بعضی از این فرایندها برای لحظه‌ای از اثرهای کوانتومی تأثیر می‌گیرند، اهمیتشان احتمالاً نه در دوام آن حالت‌ها، بلکه در تغییری خواهد بود که پس از ناپدید شدنشان باقی می‌ماند.

برای گفتگو با کاربران ثبت نام کنید یا وارد حساب کاربری خود شوید.

با توجه به قطعی اینترنت، برای ثبت‌نام نیازی به تأیید ایمیل نیست.