Päivitetty maanantaina 1. heinäkuuta kello 9.25 ET.
NEW YORK - Ajatus siitä, että tietoisuus syntyy aivojen kvantmekaanisista ilmiöistä, on kiehtova, mutta sillä ei ole todisteita, tutkijat sanovat.
Fyysikko Roger Penrose Oxfordin yliopistosta ja anestesiologi Stuart Hameroff Arizonan yliopistosta ehdottavat, että aivot toimivat kvantitietokoneena - laskennallisena koneena, joka käyttää kvantmekaanisia ilmiöitä (kuten hiukkasten kykyä olla kaksi paikkaa kerrallaan) monimutkaisten laskelmien suorittamiseksi. Aivoissa neuronien sisällä olevat kuidut voisivat muodostaa kvanttilaskennan perusyksiköt, Penrose ja Hameroff selittivät Global Future 2045 -kongressissa, futuristisessa konferenssissa, joka pidettiin täällä 15. – 16. Kesäkuuta.
Idea on houkutteleva, koska neurotieteellä ei toistaiseksi ole tyydyttävää selitystä tietoisuudelle - itsetuntemuksen tila, jolla on aistikokemuksia ja ajatuksia. Mutta monet tutkijat ovat skeptisiä ja vetoavat kokeellisten todisteiden puuttumiseen ideasta.
Orch TAI -malli
Penrose ja Hameroff kehittivät ideoitaan itsenäisesti, mutta tekivät yhteistyötä 1990-luvun alkupuolella kehittääkseen sitä, mitä he kutsuvat Orchestrated Objective Reduction (Orch OR) -malliksi.
Penrose'n työ perustuu matemaatikko Kurt Godelin epätäydellisyyden lauseen tulkintaan, jonka mukaan tiettyjä tuloksia ei voida todistaa tietokonealgoritmilla. Penrose väittää, että ihmisen matemaatikot kykenevät osoittamaan ns. "Godel-todistamattomat" tulokset, ja siksi ihmisen aivoja ei voida kuvata tyypillisiksi tietokoneiksi. Sen sijaan, hän sanoo, näiden korkeampien kykyjen saavuttamiseksi aivoprosessien on luotettava kvantimekaniikkaan.
Mutta Penrose-teoria ei selittänyt, kuinka tämä kvanttilaskenta tapahtui todellisten aivojen sisällä, vain että ilmiötä tarvittaisiin tiettyjen matemaattisten yhtälöiden ratkaisemiseksi. Hameroff lukei Penrose-teoksen ja ehdotti pieniä kuiturakenteita, jotka antavat soluille niiden rakenteellisen tuen - ns. Mikrotubulukset - saattavat kyetä suorittamaan kvanttilaskelmia.
Mikrotubulukset koostuvat proteiini-tubuliiniyksiköistä, jotka sisältävät alueita, joissa elektronit pyörivät hyvin lähellä toisiaan. Hameroff ehdotti, että nämä elektronit voisivat "kvanttistua" tilaan, jossa kaksi hiukkasta säilyttävät yhteyden ja toiselle suoritettu toimenpide vaikuttaa toiseen, vaikka nämä kaksi olisivat erotettu etäisyydellä.
Orch TAI -mallissa matemaattisista todennäköisyyksistä, jotka kuvaavat näiden mikrotubulusten takertuneiden elektronien kvanttiloja, tulee epävakaita avaruus-ajassa. Näitä matemaattisia todennäköisyyksiä kutsutaan aaltofunktioiksi, ja tässä skenaariossa ne romahtavat siirtyen todennäköisyystilasta tiettyyn todellisuuteen. Tässä tilassa yhden neuronin mikrotubulukset voitaisiin kytkeä muiden neuronien mikrotubulleihin sähköisten yhteyksien kautta, joita kutsutaan rakoyhteyiksi. Nämä risteykset antavat elektronien "tunneloida" aivojen muihin alueisiin, johtaen hermoaktiivisuuden aaltoihin, jotka pidetään tietoisena kokemuksena.
"Penrosella oli mekanismi tietoisuudelle, ja minulla oli rakenne", Hameroff kertoi LiveSciencelle.
Ongelmia mallin kanssa
Mielenkiintoista, miltä kuulostaa, Orch OR -mallia ei ole testattu kokeellisesti, ja monet tutkijat torjuvat sen.
Kvantitietokoneita - tietokoneita, joissa hyödynnetään kvanttimekaanisia vaikutuksia erittäin nopeiden laskelmien aikaansaamiseksi - on teoriassa, mutta vain yksi (D-Wave-yhtiön rakentama) on kaupallisesti saatavissa, ja siitä, onko kyse todellisesta kvantitietokoneesta, keskustellaan. Tällaiset tietokoneet olisivat erittäin herkkiä järjestelmän häiriöille, joita tutkijat kutsuvat "meluksi". Melun minimoimiseksi on tärkeää eristää järjestelmä ja pitää se erittäin kylmänä (koska lämpö aiheuttaa hiukkasten nopeuttamista ja melun syntymistä).
Kvantitietokoneiden rakentaminen on haastavaa jopa huolellisesti valvotuissa olosuhteissa. "Tämä maalaa autio kuvan kvanttilaskentaan märän ja lämpimän aivojen sisällä", Christof Koch ja Klaus Hepp, Zürichin yliopistosta, Sveitsi, kirjoittivat esseessä, joka julkaistiin vuonna 2006 Nature-lehdessä.
Toinen mallin ongelma liittyy kvanttilaskentaan liittyviin aikatauluihin. MIT: n fyysikko Max Tegmark on laskenut aivojen kvanttivaikutukset havaitsemalla, että aivojen kvanttitilat kestävät aivan liian lyhyen ajan johtaakseen tarkoituksenmukaiseen aivojen käsittelyyn. Tegmark kutsui Orch OR -mallia epämääräiseksi, sanoen, että ainoat numerot, joita hän on nähnyt konkreettisemmille malleille, ovat kaukana.
"Monien mielestä tietoisuus on mysteeri ja kvanttimekaniikka on mysteeri, joten heidän on oltava sukulaisina", Tegmark kertoi LiveSciencelle.
Orch OR -malli herättää kritiikkiä myös neurotieteilijöiltä. Malli toteaa, että mikrotubulusten sisällä olevat kvantitaajuudet tuottavat tietoisuutta. Mutta mikrotubuluksia löytyy myös kasvisoluista, sanoo teoreettinen neurotieteilijä Bernard Baars, Falls Churchissa, VA: n järjestäytymättömän mieli-aivotieteellisen yhdistyksen toimitusjohtaja.
Nämä kritiikit eivät periaatteessa sulje pois kvantitietoisuutta, mutta ilman kokeellisia todisteita monet tutkijat eivät ole vakuuttuneita.
"Jos joku keksii vain yhden kokeen", kvantitajunnan osoittamiseksi Baars sanoi: "Jätän kaiken skeptisyyteni."
Toimittajan huomautus: Tämä artikkeli päivitettiin 27. kesäkuuta 2013 muuttaakseen lausuntoa, jonka mukaan "mitään kvantitietokoneita ei ole toteutettu." D-Wave-yritys väittää luoneensa sellaisen, vaikka jotkut ovatkin kysyneet, toimiiko se todella kvantitietokoneena.
Lisäys: (1. heinäkuuta 2013)
Stuart Hameroff tarjoaa vastauksena tässä artikkelissa mainittuun Orch OR -mallin kritiikkiin useita todisteita. Vastauksena väitteeseen, jonka mukaan aivot ovat liian lämpimiä kvanttilaskentaa varten, Hameroff mainitsee Anirban Bandyopadhyayn vetämän vuoden 2013 tutkimuksen Japanin Tsukubassa sijaitsevassa Materiaalitieteellisessä laitoksessa (NIMS), jossa havaittiin, että “mikrotubuluksista tulee oleellisesti kvanttijohtavia, kun niitä stimuloidaan tietyillä resonanssitaajuuksilla ”, Hameroff sanoi.
Vastauksena kritiikkiin, jonka mukaan mikrotubuluksia löytyy myös (tajuttomista) kasvisoluista, Hameroff sanoi, että kasveilla on vain pieni määrä mikrotubuluksia, todennäköisesti liian vähän saavuttaakseen tietoisuuden edellyttämän kynnyksen. Mutta hän totesi myös, että Gregory Engel Chicagon yliopistosta ja hänen kollegansa ovat havainneet kvanttivaikutuksia kasvien fotosynteesissä. "Jos tomaatti tai rutabaga pystyy hyödyntämään kvanttista koheesiota lämpimässä lämpötilassa, miksi aivomme eivät voi?" Hameroff sanoi.
Vastauksena hänen teoriansa puuttuviin yleisiin vastalauseisiin Hameroff mainitsi vuonna 2013 Pennsylvanian yliopistossa johtaman Rod Eckenhoffin johtaman tutkimuksen, joka ehdottaa, että nukutusaineet - jotka pysäyttävät vain tietoisen aivojen toiminnan - toimivat mikrotubulusten kautta.
Nämä tutkimukset tukevat jonkin verran Orch OR -mallia. Mutta kuten kaikkien tieteellisten hypoteesien kanssa, mallin on kerättävä merkittävää näyttöä, jotta se voitaisiin saavuttaa laajalti tiedeyhteisön keskuudessa.
