Квантовые ионные каналы?

Возможно, место для квантово-механических явлений в мозге отведено среди ионных каналов в клеточных мембранах нейронов. Как мы уже говорили, они выступают как посредники для потенциалов действия – нервных сигналов, – которые передают информацию в мозг и таким образом играют центральную роль в обработке нейронной информации. Длина каналов – всего одна миллиардная метра (1,2 нанометра), ширина – менее половины длины, поэтому ионы проходят через них по одному. Тем не менее они делают это на чрезвычайно высокой скорости, около 100 миллионов в секунду. Кроме того, каналы весьма избирательны. Например, канал, отвечающий за проникновение ионов калия в клетку, позволяет пройти примерно одному иону натрия на каждые десять тысяч ионов калия, несмотря на то что ион натрия немного меньше иона калия, а вы могли наивно полагать, что он легко проскользнет, ведь места достаточно для прохода крупного иона калия.

Такая высокая скорость движения в сочетании с особой избирательностью поддерживает скорость потенциалов действия и, таким образом, их способность передавать наши мысли в мозге. Но как ионы перемещаются так быстро и избирательно – остается загадкой. Может ли здесь помочь квантовая механика? Мы уже открыли для себя (в главе 4), что квантовая механика может усилить движение энергии в процессе фотосинтеза. Может ли она так же усилить движение ионов в головном мозге? В 2012 году нейробиолог Густав Бернроидер из Университета Зальцбурга совместно с Иоганном Суммхаммером из Института атома Венского технологического университета осуществили квантово-механическое моделирование прохождения иона через потенциалозависимый канал и обнаружили, что ион делокализуется (сбивается с курса), когда проходит через канал: волна более когерентна волне, чем частица. Также эта ионная волна колеблется на очень высоких частотах и передает энергию окружающему белку посредством своего рода резонансного процесса, так чтобы канал эффективно действовал в качестве ионного холодильника, который уменьшает кинетическую энергию иона примерно наполовину. Такое эффективное охлаждение иона помогает поддерживать делокализованное квантовое состояние, сдерживая декогеренцию и тем самым способствуя быстрому квантовому движению в канале. Это также благоприятствует избирательности, так как степень охлаждения будет сильно отличаться, если калий заменяется натрием: конструктивная интерференция даст иону калия двигаться, в то время как деструктивная интерференция может сдерживать перенос ионов натрия. Группа ученых пришла к выводу, что квантовая когерентность играет незаменимую роль в проводимости ионов через каналы нервов и, таким образом, так протекает существенная часть нашего мышления [13].

Следует подчеркнуть, что эти исследователи не показали способность квантовых когерентных ионов действовать как нейронные кубиты, а также не показали, что они могли бы играть определенную роль в сознании; и, на первый взгляд, трудно понять, как они могли бы способствовать решению проблем сознания, таких как проблема связи. Тем не менее, в отличие от микротрубочек в гипотезе Пенроуза – Хамероффа, ионные каналы по крайней мере играют четкую роль в нейронных вычислениях – они лежат в основе потенциалов действия. Поэтому их состояние будет отражать состояние нервной клетки: если нерв возбужден, то ионы будут двигаться (помните, что они движутся как квантовые волны) быстро через каналы, в то время как, если нерв спокоен, любые ионы в каналах будут неподвижны. И поскольку общая сумма возбужденных и спокойных нейронов в нашем мозге должна каким-то образом кодировать наши мысли, то эти мысли также отражены – закодированы – в сумме всего этого квантового потока ионов, входящих и выходящих из нервных клеток.

Но как можно было бы объединить отдельные процессы мышления для создания осознанных, связных мыслей? Один когерентный ионный канал – квантовый или классический – не может кодировать всю информацию, связанную в мыслительные процессы, которые достигают высшей точки в визуализации сложного объекта, такого как бизон. Чтобы играть свою роль в сознании, ионные каналы должны быть связаны каким-либо образом. Может ли квантовая механика помочь здесь? Возможно ли, например, что ионы в канале не только когерентны по всей его длине, но когерентны или даже перепутываются с ионами в соседних каналах или даже соседних нервных клеток? Почти наверняка нет. Ионные каналы и ионы в них столкнутся с той же проблемой, что и идея Пенроуза – Хамероффа о микротрубочках. Хоть это всего лишь вероятность, что один ионный канал может быть спутан с соседним в пределах одной нервной клетки, но запутанность ионных каналов в различных нервах, которая необходима для решения проблемы связи, совершенно неосуществима в теплой, влажной, очень динамичной и декогерентно-возбудимой среде живого мозга.

Таким образом, если запутанность не может связать информацию квантового уровня в ионных каналах, есть ли что-нибудь еще, способное на это? Возможно. Потенциалозависимые ионные каналы, конечно, чувствительны к напряжению: они открывают и закрывают каналы. Напряжение – это лишь показатель разности в электрическом поле. Но мозг по всему объему заполнен своим собственным электромагнитным (ЭМ) полем, которое генерируется с помощью электрической активности всех его нервов. Это поле обычно обнаруживается технологиями сканирования мозга, такими как электроэнцефалография (ЭЭГ) или магнитоэнцефалография (МЭГ), и простой взгляд на одно из этих сканирований расскажет вам только, насколько это поле сложное и информационно богатое. Большинство нейробиологов проигнорировали потенциальную роль, которую ЭМ-поле может играть в мозговых вычислениях, сравнивая ее с паровым гудком поезда: продукт деятельности мозга, но без влияния на эту деятельность. Тем не менее некоторые ученые, в том числе Джонджо, недавно ухватились за идею, что переход сознания из дискретных частиц мозгового вещества в единое ЭМ-поле вполне может решить проблему связи и предоставить место для сознания [14].

Чтобы понять, как это могло бы работать, мы, вероятно, должны сказать немного больше о том, что подразумеваем под полем. Термин происходит от его применения: нечто расширяющееся в пространстве, как кукурузное или футбольное поле. В физике термин «поле» имеет, по существу, то же значение, но, как правило, относится к энергетическим полям, которые способны перемещать объекты. Гравитационные поля перемещают все, что имеет массу, а электрические или магнитные поля перемещают электрически заряженные или магнитные частицы, такие как ионы в нервных каналах. В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что электричество и магнетизм являются двумя аспектами одного и того же явления, электромагнетизма, поэтому мы рассматриваем их как ЭМ-поля. Уравнение Эйнштейна E = mc² с энергией по одну сторону и массой по другую лихо продемонстрировало, что энергия и материя являются взаимозаменяемыми. Поэтому электромагнитное энергетическое поле мозга – левая часть уравнения Эйнштейна – столь же реально, как и материя, связывающая свои нейроны; и поскольку оно происходит от возбуждения нейронов, то кодируется в точности такая же информация, как в моделях нейронных возбуждений мозга. Однако в то время, как нейронная информация остается в возбужденных нейронах, электрическая активность, порожденная ими, объединяет всю информацию в ЭМ-поле мозга. Это потенциально может решить проблему связи [15]. А открывая и закрывая потенциалозависимые ионные каналы, ЭМ-поле связывается с квантовыми когерентными ионами, проходящими через каналы.

Когда теории сознания, связанные с ЭМ-полем, были впервые предложены в самом начале нынешнего века, не было прямых доказательств того, что электромагнитное поле мозга может влиять на модели возбуждения нерва и двигать нашими мыслями и действиями. Однако эксперименты, проведенные в нескольких лабораториях, недавно продемонстрировали, что внешние ЭМ-поля, по прочности и структуре аналогичные тем, что создает сам мозг, действительно влияют на нервное возбуждение [16]. В самом деле, кажется, что поле координирует нервное возбуждение, то есть синхронизирует множество нейронов так, чтобы они все вместе возбуждались. Полученные данные свидетельствуют о том, что собственное ЭМ-поле мозга, порожденное нервным возбуждением, также влияет и на возбуждение, обеспечивая своего рода автореферентный цикл, являющийся, по утверждениям многих теоретиков, важным компонентом сознания [17].

Синхронизация нервного возбуждения, осуществляемая мозгом, имеет также очень важное значение в контексте разгадки головоломки сознания, потому что это одна из немногочисленных особенностей нервной активности, которые, как известно, коррелируют с сознанием. Например, все знакомы с явлением, когда мы ищем простой объект, который все время на виду, например наши очки, а затем теряем его среди множества других объектов. Пока мы смотрим на это множество, визуальная информация, кодирующая объект, проходит через наши глаза в мозг, но так или иначе мы не видим объект, который ищем: мы не осознаем его. Но потом мы его видим. Что меняется в нашем мозге между моментами, когда мы сначала не осознаем, а затем осознаем объект в пределах одного и того же поля зрения? Примечательно, что само нервное возбуждение, кажется, не меняется: одни и те же нейроны возбуждены независимо от того, видим мы очки или нет. Но когда мы не замечаем наши очки, нейроны возбуждаются асинхронно, а когда замечаем, они возбуждаются синхронно [18]. ЭМ-поле, собирающее вместе все когерентные ионные каналы в разрозненных частях мозга, чтобы они синхронно возбудились, может играть определенную роль в переходе от бессознательных к сознательным мыслям.

Подчеркнем, что мы ссылаемся на такие идеи, как идея ЭМ-полей мозга или идея квантовых когерентных ионных каналов, чтобы объяснить: сознание никоим образом не поддерживает так называемые «паранормальные явления» вроде телепатии, так как оба понятия способны только влиять на нервные процессы внутри одного мозга – они не допускают коммуникацию между различными мозгами! И, как мы уже отмечали при рассмотрении геделевского аргумента у Пенроуза, нет фактически никаких доказательств того, что квантовая механика вообще нужна для объяснения сознания – в отличие от других биологических явлений, которые мы рассмотрели в этой книге, как, например, действие фермента или фотосинтез. Но возможно ли, что странные особенности квантовой механики, которые, как мы обнаружили, участвуют в столь многих важных явлениях жизни, исключаются из самого таинственного продукта – из сознания? Мы предоставим читателю возможность решать. Представленная выше схема, включающая квантовые когерентные ионные каналы и электромагнитные поля, конечно, гипотетическая, но это по крайней мере обеспечит вероятную связь между квантовой и классической сферами в головном мозге.

Имея это в виду, осознавая это, давайте еще раз вернемся к той темной пещере на юге Франции, чтобы завершить цепочку событий, следующих от мозга к руке, когда наша художница замерла перед стеной, наблюдая за мерцанием факела над серыми контурами. Определенная игра света на камне приносит образ бизона в ее сознание. Этого вполне достаточно, чтобы создать в голове идею, возможно конкретизирующуюся вместе с колебаниями электромагнитного поля мозга, где открываются кластеры когерентных ионных каналов в множестве отдельных нейронов, заставляя их возбуждаться синхронно. Синхронные нервные сигналы пробуждают потенциалы действия по всему ее мозгу, а через синаптические связи инициируется движение сигналов, идущих по ее спинному мозгу и с помощью нерв-нервных соединений – к двигательным нервам, которые выделяют дозы нейротрансмиттеров в нервно-мышечные соединения, прикрепленные к мышцам ее руки. Эти мышцы сокращаются, осуществляя скоординированное движение ее руки, которая скользит вдоль стены пещеры, нанося угольные линии, изображающие бизона, на скалу. И, возможно, еще важнее то, что она чувствует: она инициировала действие благодаря идее в ее сознании. Она не зомби.

Тридцать тысяч лет спустя Жан-Мари Шове освещает ту же стену пещеры, и идея, воплощенная в жизнь в мозге той давно умершей художницы, в очередной раз вспыхивает в нейронах сознательного человеческого ума.