Παρασκευή, 30 Οκτωβρίου 2009

Μια νέα θεωρία για την εξήγηση των λειτουργιών του εγκεφάλου

Πηγή: www.physics4u.gr

Εισαγωγή

Στη δεκαετία που διανύουμε έχει προταθεί μια ριζική αλλαγή του υποδείγματος που χρησιμοποιεί σήμερα η νευρολογία. Προτείνεται ότι είναι απαραίτητο να αλλάξει η εστίαση της μελέτης μας από το επίπεδο του νευρώνα και του δίκτύου των συνάψεών τους, σε πιο θεμελιώδες επίπεδο, δηλαδή στα μοριακά συστατικά του νευρώνα. Αυτά τα μοριακά και μακρομοριακά συστατικά πχ τα σωληνίδια και μικροσωληνίδια, κυβερνώνται από το πιό παράξενο, αλλά και επιτυχέστερο επιστημονικό πλαίσιο όλων των εποχών - την κβαντική μηχανική.

Οι εργασίες των Ρ. Penrose, S. Hameroff, της ομάδας των (Δ. Νανόπουλου, Β.Μαυροματου, Α. Mershin, E.Σκουλάκη) και άλλων (Tuszynski, Jibu, Stapp κ.λπ....) έχουν φέρει στο φως αυτήν την νέα προσέγγιση για την κατανόηση της λειτουργίας του εγκεφάλου. Τα επιχειρήματα για την ανάγκη αυτής της προσέγγισης έχουν διατυπωθεί κυρίως με την συγγραφή άρθρων από τους Penrose, Νανόπουλο & Μαυροματο καθώς και άλλους.

Ο κοινός παρονομαστής όλων είναι ότι οι υποκυτταρικές διαδικασίες διαδραματίζουν έναν θεμελιώδη ρόλο σε όλη τη ζωή και είναι ύψιστης σημασίας σε όλα αυτά που καθιστούν δυνατές τις αισθήσεις στη ζωή μας, συμπεριλαμβανομένης της κορυφαίας επίτευξης της: τη νοημοσύνη.

Η κλασσική νευρολογία έχει κάνει μεγάλους διασκελισμούς, στην έρευνα των λειτουργιών του εγκεφάλου αλλά έχει έρθει επίσης και σε ένα αδιέξοδο, αντιμέτωπη με την τεράστια πολυπλοκότητα.

Η νέα αντίληψη προτείνει λοιπόν ότι τα εγκεφαλικά φαινόμενα που παρατηρούμε τώρα και οι ιδιότητες του εγκεφάλου θα εξηγηθούν από πιο θεμελιώδη στοιχεία και προσδοκούμε ότι οι ανακαλύψεις οι σχετικές με την κβαντική φύση της μοριακής λειτουργίας των κυττάρων θα μας παράσχουν τελικά τη γέφυρα μεταξύ της νόησης και του εγκεφάλου που επιδιώκεται από παλιά. Σύμμαχος της κβαντικής θεωρίας είναι η θεωρία χορδών.

Γιατί όμως η κβαντική μηχανική και η θεωρία χορδών είναι σχετικές με τη μελέτη του εγκεφάλου;

Ας παρακολουθήσουμε τις ιδέες ενός από τους θεμελιωτές της νέας αυτής κβαντικής αντιμετώπισης του εγκεφάλου. Ο Δημήτρης Νανόπουλος είναι ο άνθρωπος που προσπάθησε να βρει την απάντηση στα προβλήματα για το πως λειτουργεί η συνείδηση, και ο εγκέφαλος, στηριγμένος στα ευρήματα της θεωρίας των υπερχορδών.


Η θεωρία των υπερχορδών
Ας κάνουμε μια σύντομη ανασκόπηση στη θεωρία των υπερχορδών. Αυτή γεννήθηκε στην προσπάθειά μας να κατανοήσουμε τους νόμους των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων και τα θεμελιώδη σωματίδια του Σύμπαντος.

Για περισσότερα από 100 χρόνια πιστεύαμε ότι τα θεμελιώδη σωματίδια είναι σαν μαθηματικά σημεία δηλαδή δεν έχουν διαστάσεις. Η άποψη αυτή έφτασε όμως σε αδιέξοδο όταν προσπαθήσαμε να ενοποιήσουμε όλες τις αλληλεπιδράσεις δηλαδή την ηλεκτρομαγνητική, την βαρυτική την ισχυρή και την ασθενή. Τότε φάνηκε ότι υπάρχει μεγάλο πρόβλημα αν χρησιμοποιήσουμε μόνο σημειακά σωματίδια.

Τα τελευταία χρόνια εγκαταλείψαμε την ιδέα ότι τα θεμελιώδη σωματίδια είναι σημειακά και στραφήκαμε σε κάποιες οντότητες που είναι μονοδιάστατες. Έχουν κάποια έκταση όπως οι συμβατικές χορδές κι αυτή η ομοιότητα έδωσε το όνομα στην αντίστοιχη θεωρία.

Πρέπει να πούμε όμως ότι η διάσταση αυτών των αντικειμένων είναι πάρα πολύ μικρή περίπου 25 τάξεις μεγέθους μικρότερη από το μέγεθος του ατόμου. Ακόμη λοιπόν και στους επιταχυντές όπου παρατηρούμε σωματίδια πάρα πολύ μικρά, είναι πολύ δύσκολη η παρατήρηση των χορδών.

Τα θεμελιώδη αντικείμενα της θεωρίας χορδών έχουν στην πραγματικότητα περισσότερες από μια διαστάσεις αλλά για λόγους απλότητας ας δεχτούμε ότι είναι μονοδιάστατα.

Η μεγάλη σημασία της θεωρίας των χορδών είναι ότι για πρώτη φορά η θεωρία αυτή είναι εκείνη που παρέχει μια συνεπή θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.

Η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης και η κβαντική βαρύτητα
Η σχέση τώρα που υπάρχει μεταξύ της θεωρίας των χορδών και της λειτουργίας του εγκεφάλου ξεκινάει από μια πολύ ενδιαφέρουσα ιδέα. Στην κβαντομηχανική, η εξέλιξη ενός συστήματος παριστάνεται από μια κυματοσυνάρτηση. Όσο το σύστημα δεν το παρατηρούμε η κυματοσυνάρτηση αυτή εξελίσσεται χρονικά κατά τελείως προβλεπτό τρόπο καταλαμβάνοντας μεγάλη περιοχή του χώρου.

Μόλις όμως εκτελέσουμε μια παρατήρηση - μια μέτρηση σ' ένα κβαντικό σύστημα, η κυματοσυνάρτηση καταρρέει, το σύστημα εντοπίζεται χωρικά σχεδόν ως σημείο και τα αποτελέσματα της μέτρησης δεν είναι εκ των προτέρων καθορισμένα αλλά πιθανοκρατικά.

Κάθε φορά δηλαδή που η κυματοσυνάρτηση του συστήματος καταρρέει δίνει ως αποτέλεσμα μια μόνο τιμή από τις πολλές πιθανές τιμές ενός μεγέθους που επιτρέπει η κυματοσυνάρτηση πχ της θέσης του. Η σκοτεινή αυτή γωνιά της κβαντομηχανικής έρχεται τώρα να φωτιστεί κάπως από τη νέα θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Το γεγονός εξάλλου της κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης είναι αυτό που συσχετίζεται με τη σειρά του με τη λειτουργία του εγκεφάλου και τη συνείδηση.

Η καινούργια ιδέα από την κβαντική βαρύτητα μας λέει ότι ακόμα και αν δεν παρατηρούμε ένα σύστημα αυτό συρρικνώνεται γιατί σε κβαντικό επίπεδο επιδρά η κβαντική βαρύτητα. Και ακριβώς η αλληλεπίδραση του συστήματος με την κβαντική βαρύτητα το κάνει να συρρικνώνεται. Δηλαδή κάνει την κυματοσυνάρτηση από εξαπλωμένη που ήταν σε μεγάλη περιοχή του χώρου να εντοπίζεται σε πολύ μικρή περιοχή χωρίς να μεσολαβεί παρατηρητής.

Αυτή ακριβώς είναι η θεμελιώδης επισήμανση της θεωρίας χορδών, ότι δηλαδή μπορεί να συμβεί η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης χωρίς την μεσολάβηση παρατηρητή, όπως υποστηρίζει η κβαντική θεωρία.

Ας δούμε όμως τι σημαίνει αυτό στο μικρόκοσμο. Ένα μικροσύστημα όπως το ηλεκτρόνιο ή το πρωτόνιο έχει πολύ πολύ, πολύ μεγάλο χρόνο κατάρρευσης, ίσως τρισεκατομμύρια χρόνια. Πρακτικά λοιπόν χρειάζεται εξωτερικό παρατηρητή για να καταρρεύσει η κυματοσυνάρτησή του.

Σ' ένα μακροσκοπικό όμως σύστημα όπως ένα τμήμα του εαυτού μας, οι αλληλεπιδράσεις με τη βαρύτητα γίνονται τόσο ισχυρές ώστε μέσα σε νανοδευτερόλεπτα συμβαίνει αυθόρμητη κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης. Γι αυτό τα μακροσκοπικά σώματα έχουν κλασσική συμπεριφορά και είναι εντοπισμένα στο χώρο.

Ας έρθουμε τώρα και στον εγκέφαλο. Τα βασικά συστατικά του εγκεφάλου είναι τα νευρικά κύτταρα που λέγονται νευρώνες. Μέσα στους νευρώνες υπάρχουν δομές που λέγονται μικροσωληνίσκοι. Στους μικροσωληνίσκους λοιπόν δημιουργούνται κβαντικά κύματα (κυματοσυναρτήσεις) που με κάποιο τρόπο μεταφέρουν πληροφορία. Αυτά τα κβαντικά κύματα είναι εκείνα που μπορούν να πάθουν αυθόρμητη κατάρρευση από κβαντικές βαρυτικές αλληλεπιδράσεις.

Έτσι εν κατακλείδι, η νέα θεωρία προτείνει ότι η τελική απόφαση για το πως ακριβώς θα αντιδράσουμε σε ένα εξωτερικό ερέθισμα, οφείλεται στην αυθόρμητη κατάρρευση μιας τέτοιας κβαντικής συνάρτησης.

Η θεωρία του Roger Penrose για την προέλευση της συνείδησης

Υπάρχει μια ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής που επινοητής της είναι ένας από τους διάσημους φυσικούς, ο Roger Penrose και ίσως εξηγεί το πεδίο της επιστήμης που είναι ακόμη πιο μυστηριώδες από την κβαντική μηχανική: την προέλευση της συνείδησης.

Σύμφωνα με τον Penrose, υπερθέσεις διαφορετικών κβαντικών καταστάσεων δεν καταρρέουν λόγω της πράξης της μέτρησης, της παρουσίας ενός παρατηρητή με συνείδηση, ή ακόμη και λόγω της αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον. Αντίθετα, ο Penrose πιστεύει ότι η διαδικασία λαμβάνει χώρα ακόμη και σε ένα απομονωμένο σύστημα μέσω μίας φυσικής διεργασίας που συνδέεται με τη φύση του χωροχρόνου. Η αντικειμενική αναγωγή, ή κατάρρευση, της κυματοσυνάρτησης συμβαίνει λόγω των διαφορετικών γεωμετριών του χωροχρόνου σε κάθε κατάσταση της υπέρθεσης. (Άρα, αν ένα σωματίδιο βρίσκεται σε υπέρθεση του να είναι σε δύο θέσεις, η καμπυλότητα του χωροχρόνου θα διαφέρει ανάλογα με το πού είναι πιο πιθανό να βρίσκεται η μάζα του).

Από τη στιγμή που η διαφορά στις γεωμετρίες γίνει κρίσιμη, όπως όταν το σωματίδιο εμπλακεί με το περιβάλλον του, η υπέρθεση γίνεται ασταθής και καταρρέει σε μία από τις πιθανές καταστάσεις. Βέβαια, κανείς δεν γνωρίζει τις λεπτομέρειες αυτού του μηχανισμού αφού δεν διαθέτουμε ακόμη μία πλήρη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.

Αυτή η ερμηνεία έχει εφαρμοστεί από τον Penrose και τον Στιούαρτ Χάμεροφ και να εξηγηθεί πώς η συνείδηση ενεργοποιείται στον εγκέφαλο. Οι δύο επιστήμονες προσφεύγουν στην κβαντική μηχανική καθώς πιστεύουν ότι ο τρόπος που σκεφτόμαστε είναι θεμελιωδώς διαφορετικός από τον τρόπο που ένας υπολογιστής εφαρμόζει τους αλγορίθμους. Ισχυρίζονται ότι αυτή η μη υπολογισιμότητα της συνειδητής σκέψης χρειάζεται κάτι πέρα από την κλασική φυσική - σκιαγραφώντας την κβαντική φυσική. Πιστεύουν επίσης ότι έχουν βρει τη σωστή βιολογίκή θωράκιση για να προστατέψουν από το εξωτερικό περιβάλλον την εύθραυστη κβαντική συνοχή στο εσωτερικό του εγκεφάλου.

Οι νευρώνες του εγκεφάλου περιέχουν κοίλα κυλινδρικά πολυμερή που ονομάζονται μικροσωληνίσκοι. Αυτοί με τη σειρά τους αποτελούνται από πρωτεΐνες γνωστές ως τουμπουλίνες, οι οποίες μπορούν να υπάρχουν σε μία υπέρθεση δύο ελαφρώς διαφορετικών σχημάτων. Οι Penrose και Χάμεροφ ισχυρίζονται ότι οι μικροσωληνίσκοι έχουν ακριβώς τις κατάλληλες ιδιότητες για να διατηρηθεί αυτή η υπέρθεση, και να εξαπλωθεί στις γειτονικές τουμπουλίνες. Μια υπέρθεση με συνοχή διατηρείται έτσι για σημαντικό χρονικό διάστημα, επιτρέποντας να εμφανιστούν προσυνειδητές διεργασίες. Η αντικειμενική αναγωγή της υπέρθεσης συμβαίνει όταν φτάσουμε στο κρίσιμο κατώφλι του Penrose και ενεργοποιηθεί η συνείδηση. Αυτό συμβαίνει διαρκώς στον εγκέφαλο. Ίσως δεν χpειάζετaι τελικά να κατασκευάσουμε έναν κβαντικό υπολογιστή. Κάθε άνθρωπος μεταφέρει έναν μέσα στο κεφάλι του!

Ο παράξενος κόσμος των συσχετισμένων κβαντικών σωματιδίων.
Στον καθημερινό κόσμο που περιγράφεται από την κλασσική φυσική, συχνά παρατηρούμε συσχετισμούς. Φαντασθείτε ότι παρατηρείτε μια ληστεία τράπεζας. Ο ληστής κατευθύνει ένα όπλο στον τρομοκρατημένο υπάλληλο. Κοιτάζοντας τον υπάλληλο μπορείτε ν' αποφανθείτε αν το όπλο έχει εκπυρσοκροτήσει ή όχι. Αν ο υπάλληλος είναι ζωντανός και αβλαβής το όπλο δεν έχει ρίξει. Αν ο υπάλληλος κείται νεκρός το όπλο έχει ρίξει.

Από την άλλη μεριά εξετάζοντας το όπλο αν έχει ρίξει ή όχι μπορείτε να αποφανθείτε αν ο υπάλληλος είναι νεκρός ή όχι. Θα λέγαμε ότι υπάρχει ένας απευθείας συσχετισμός μεταξύ της κατάστασης του όπλου και της κατάστασης του υπαλλήλου. "Όπλο που έχει ρίξει σημαίνει υπάλληλος νεκρός" και "όπλο που δεν έχει ρίξει σημαίνει υπάλληλος ζωντανός".
Υποθέτουμε βέβαια ότι ο ληστής πυροβολεί μόνο για να σκοτώσει και δεν αστοχεί ποτέ.

Στον κόσμο των μικροσκοπικών αντικειμένων που περιγράφονται από την κβαντομηχανική τα πράγματα δεν είναι ποτέ τόσο απλά. Φαντασθείτε ένα άτομο που περιγράφεται από την κβαντομηχανική ότι μπορεί να υποστεί μια ραδιενεργό διάσπαση σ' ένα συγκεκριμένο χρόνο, ή να μην υποστεί. Υποθέτουμε ότι όσον αφορά τη διάσπαση υπάρχουν μόνο δύο καταστάσεις, "διασπασμένο" και "μη διασπασμένο" ακριβώς όπως είχαμε "όπλο που έριξε" και "όπλο που δεν έριξε" ή "ζωντανός υπάλληλος" και "νεκρός υπάλληλος".

Στον κόσμο της κβαντομηχανικής όμως είναι επίσης δυνατόν το άτομο να βρίσκεται σε μια συνδυασμένη κατάσταση "διασπασμένο - μη διασπασμένο" στην οποία δεν είναι ούτε το ένα ούτε το άλλο αλλά κάτι ενδιάμεσο. Αυτή η κατάσταση λέγεται υπέρθεση των δύο καταστάσεων και είναι κάτι που δεν περιμένουμε σε κλασσικά μακροσκοπικά αντικείμενα. Δύο άτομα μπορεί να είναι συσχετισμένα ούτως ώστε αν το πρώτο είναι διασπασμένο και το δεύτερο θα είναι επίσης, και αν το πρώτο δεν είναι ούτε και το δεύτερο θα είναι. Αυτός είναι ένας συσχετισμός 100%.

Αλλά στην κβαντομηχανική τα άτομα μπορούν επίσης να είναι συσχετισμένα κατά τρόπο ώστε αν το πρώτο είναι σε μια υπέρθεση "διασπασμένο - μη διασπασμένο" να είναι και το δεύτερο. Κβαντομηχανικά υπάρχουν πολύ περισσότεροι συσχετισμοί μεταξύ των ατόμων απ' όσους θα αναμέναμε κλασσικά. Αυτού του είδους ο συσχετισμός αποκαλείται 'entanglement'. Στη γλώσσα μας θα τον αποκαλούσαμε και πάλι συσχετισμό ή διεμπλοκή.

Φαντασθείτε ότι δεν είναι ο ληστής αλλά το άτομο, εκείνο που αποφασίζει αν το όπλο θα ρίξει ή όχι. Αν το άτομο διασπαστεί ελευθερώνει με κάποιο μηχανισμό τη σκανδάλη και το όπλο εκπυρσοκροτεί. Αν δεν διασπαστεί το όπλο δεν ρίχνει. Αλλά τι συμβαίνει αν το άτομο βρίσκεται στη συνδυασμένη κατάσταση "διασπασμένο - μη διασπασμένο";

Και τι συμβαίνει με τον ταλαίπωρο υπάλληλο που θα είναι και νεκρός και ζωντανός συγχρόνως; Ο ίδιος ο Schrodinger, από τους πρωτεργάτες της κβαντομηχανικής είχε ανησυχήσει από μια τέτοια κατάσταση όπου μια γάτα αντί για τον υπάλληλο βρισκόταν μέσα σ' ένα κουτί και η διάσπαση του ατόμου αντί για πυροβολισμό ελευθέρωνε μέσα στο κουτί κάποιο θανατηφόρο δηλητήριο.

Το πρόβλημα βρίσκεται στο ότι στον καθημερινό κόσμο δεν είμαστε συνηθισμένοι σε καταστάσεις όπως "νεκρή - ζωντανή" γάτα. Αν πιστεύουμε όμως ότι η κβαντομηχανική είναι μια πλήρης θεωρία που περιγράφει κάθε επίπεδο της εμπειρίας μας τέτοιες παράξενες καταστάσεις θα πρέπει να είναι δυνατές.

Που σταματάει ο παράξενος κβαντικός κόσμος και αρχίζει ο συνηθισμένος κλασσικός κόσμος;

Αυτό είναι πρόβλημα που συζητείται για δεκαετίες και έχουν προταθεί διάφορες ερμηνείες της κβαντικής θεωρίας.

Το 1935 ο Einstein διατύπωσε την άποψη ότι η παράξενη συμπεριφορά των συσχετισμένων συστημάτων υποδήλωνε απλώς την ατέλεια της κβαντικής μηχανικής και ότι τα παράδοξα μπορούσαν να αρθούν μέσα στα πλαίσια της κλασσικής φυσικής αρκεί να δεχτούμε κάποιο είδος κρυμένων μεταβλητών.

Το 1964 ο John Bell υπέδειξε ότι σε μερικά πειράματα οι κλασσικές θεωρίες που χρησιμοποιούσαν κρυμμένες μεταβλητές έδιναν διαφορετικές προβλέψεις από την κβαντομηχανική. Διατύπωσε ένα θεώρημα σύμφωνα με το οποίο τα κβαντικά σωματίδια είναι πολύ περισσότερο συσχετισμένα από τα κλασσικά ακόμη και αν για τα τελευταία ληφθούν υπ' όψιν και οι κρυμμένες μεταβλητές. Το θεώρημα αυτό μας επιτρέπει να ελέγξουμε αν η κβαντομηχανική ή η θεωρία των κρυμμένων μεταβλητών δίνει τις σωστές προβλέψεις.

Περιττό να πούμε ότι όλα τα πειράματα που έγιναν γέρνουν συντριπτικά υπέρ της κβαντομηχανικής. Το μόνο είδος κρυμμένων μεταβλητών που δεν μπορεί να αποκλείσει το θεώρημα του Bell είναι οι μη τοπικές δηλαδή αυτές που θα μπορούσαν να δρουν ακαριαία σε μεγάλη απόσταση. Ο κβαντικός συσχετισμός (entanglement) είναι πια αποδεκτός αν και δεν έχει μια "λογική" ερμηνεία.

Πιο πρόσφατα από τις αρχές της δεκαετίας του 90 στο πεδίο της κβαντικής θεωρίας της πληροφορίας, ο κβαντικός συσχετισμός άρχισε να αντιμετωπίζεται ως μέσον επικοινωνίας.

Αν η Alice και ο Bob διαθέτουν ο καθένας τους ένα σωματίδιο από ένα ζευγάρι συσχετισμένων σωματιδίων, μια κβαντική κατάσταση μπορεί να μεταδοθεί πλήρως από την Alice στον Bob στέλνοντάς του λιγότερα κλασσικά bits απ' όσα θα απαιτούνταν χωρίς το συσχετισμό.

Άλλοι τρόποι χρήσης του κβαντικού συσχετισμού ως μέσον πληροφορίας είναι η πυκνή κωδικοποίηση και η κρυπτογραφία. Η συσχέτιση είναι μια κατάσταση στην οποία μπορούμε να επέμβουμε. Κάτω από ορισμένες δηλαδή συνθήκες, καταστάσεις χαμηλής συσχέτισης μπορούν να μετατραπούν σε πιο συσχετισμένες, δρώντας τοπικά. Και αντίστροφα υψηλότερος συσχετισμός μπορεί να μειωθεί δίνοντας μεγαλύτερο αριθμό λιγότερο συσχετισμένων καταστάσεων.

Η έρευνα στον κβαντικό συσχετισμό είναι σήμερα ένας πολύ δημιουργικός τομέας.

Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν τον κβαντικό συσχετισμό

Κατά τη διάρκεια του τελευταίου μισού αιώνα η Κβαντική Μηχανική έχει μετακινηθεί από τη σφαίρα της ατομικής και της σωματιδιακής φυσικής, προς όλο και περισσότερες μακροσκοπικές πειραματικές εφαρμογές. Η δυνατότητα των κβαντικών υπολογιστών ερευνάται λεπτομερώς από πολυάριθμες ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο και θεωρητικά και πειραματικά. Ο κβαντικός τρόπος υπολογισμού (Quantum computation) οραματίζεται κβαντικούς υπολογιστές οι οποίοι θα χρησιμοποιούν τα "qubits" μάλλον παρά τα συμβατικά "bits".

Στους κλασσικούς, ψηφιακούς υπολογιστές, όταν κωδικοποιηθεί μια σχέση (συσχετισμός) μεταξύ δύο bits και πρέπει ακολούθως να ανακτηθεί αυτή, κάθε bit πρέπει να προσπελαστεί ξεχωριστά. Τα qubits από την άλλη μεριά, όντας κβαντικά αντικείμενα, μπορούν να υπάρξουν σε μια υπερθεση καταστάσεων (δηλαδή και οι δύο καταστάσεις συγχρόνως) εφ' όσον δεν αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον.

Μόλις κωδικοποιηθεί μια σχέση μεταξύ δύο qubits, η ίδια αυτή σχέση μπορεί επίσης να υπάρξει σε μια υπέρθεση των καταστάσεων. Όταν ένας κβαντικός υπολογιστής ανακτά τα στοιχεία, επεξεργάζεται το ένα qubit, και η υπέρθεση καταστρέφεται αλλά συγχρόνως η πληροφορία που περιέχει το άλλο qubit μεταβιβάζεται κατά κάποιο τρόπο (κανένας δεν καταλαβαίνει αρκετά το πώς!) σ' αυτόν που επεξεργάζεται το qubit, εφόσον μεταξύ τους υπήρχε συσχετισμός.

Μερικά από τα πλεονεκτήματα των κβαντικών υπολογιστών του μέλλοντος είναι η μεγαλύτερη ταχύτητα, η γιγαντιαία χωρητικότητα της μνήμης και η μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύς.

Η πιο ενδιαφέρουσα και συζητημένη πτυχή των κβαντικών υπολογιστών, είναι η δυνατότητά τους να εκτελούν εργασίες που είναι αδύνατες αν χρησιμοποιήσουμε τους κλασσικούς υπολογιστές. Η πιο γνωστή από αυτές είναι η δυνατότητά τους να ψάχνουν μέσω αταξινόμητων καταλόγων από στοιχεία, με βήματα ή χρόνους που είναι κλασσικά αδύνατοι.

Περιέχει ο εγκέφαλος κβαντικό υπολογιστή;

Οι κβαντικοί υπολογιστές χαρακτηρίζονται από έναν ολοκληρωμένο και "αποκεντρωμένο" τρόπο χειρισμού δεδομένων και ανάκτησης πληροφοριών, σχεδόν ίδιο με αυτόν με τον οποίο ο ανθρώπινος εγκέφαλος κάνει την αναγνώριση μορφών και σχεδίων.

Επειδή λοιπόν στη ρίζα του κβαντικού υπολογισμού βρίσκεται η ιδιότητα της διεμπλοκής ή συσχετισμού (entanglement) των κβαντικών συστημάτων ο Δημήτρης Νανόπουλος και οι συνεργάτες του πρότειναν τον κβαντικό συσχετισμό για την ερμηνεία κάποιων νοητικών δραστηριοτήτων.

Οι πρόσφατες θεωρητικές και πειραματικές πρόοδοι της ομάδας σε αυτόν τον τομέα μιλούν για μοριακούς διακόπτες-qubits, οι παράμετροι των οποίων ταιριάζουν τέλεια με τον προτεινόμενο ρόλο των διμερών μορίων (dimers) στους σωληνίσκους (tubulins), τα οποία είναι τα στοιχειώδη συστατικά ενός κβαντικού υπολογιστικού δικτύου μέσα σε έναν βιολογικό εγκέφαλο. Επιπλέον τα πρωτονημάτια (protofilamens) που αποτελούν ένα μικροσωληνίσκο (Microtubule συντομογραφικά MT) παίζουν το ρόλο των προτεινόμενων κβαντικών ομάδων ή καταχωρητών (registers).

Ποια προβλήματα της νόησης ερμηνεύει η νέα θεωρία;
Οι κύριες περιοχές όπου περιμένουμε να παρατηρήσουμε μια απευθείας εκδήλωση των κβαντικών φαινομένων είναι η κωδικοποίηση της μνήμης, η αποθήκευση και η ανάκληση. Συνεπώς αυτά είναι τα σημεία στα οποία επικεντρώνεται η έρευνα της ομάδας του καθηγητή Νανόπουλου.

Το σύστημα που αποτελεί στόχο της είναι οι μικροσωληνίσκοι (ΜΤ), ένα δομικό συστατικό του κυτταροσκελετού όλων των κυττάρων. Πιστεύεται ότι οι μακριοί και με χαρακτηριστική διάταξη ΜΤ, που απαρτίζουν τους άξονες των νευρώνων, αποτελούν την έδρα όλων των υπολογισμών που εκτελούνται στον εγκέφαλο.

Τα τελευταία χρόνια ερευνώνται οι ΜΤ ως φυσικά συστήματα στα οποία εφαρμόζονται οι αρχές του Ηλεκτρομαγνητισμού και της Θεωρίας Χορδών όπως επίσης και της Κβαντομηχανικής. Η πορεία αυτή της μαθηματικής και υπολογιστικής κυρίως έρευνας από την ομάδα αυτή και από άλλους οδήγησε σε αρκετή κατανόηση για το τι συμβαίνει στους ΜΤ, αποκαλύπτοντας λειτουργίες πέρα από τη συμβατική αξονική μεταφορά σήματος.

Σύμφωνα με το μοντέλο που προτείνεται, η περιοδική, παρακρυσταλλική δομή των ΜΤ, τους καθιστά ικανούς να υποστηρίζουν μια υπέρθεση κβαντικών καταστάσεων, για χρονική διάρκεια τόση όση χρειάζεται για την εκτέλεση κβαντικών υπολογισμών. Η κβαντική υπέρθεση μπορεί να καταρρεύσει είτε αυθόρμητα μέσω της αλληλεπίδρασης με την κβαντική βαρύτητα όπως συζητήσαμε παραπάνω, ιδέα που προτάθηκε πρόσφατα από τους Ellis, Μαυρομάτο και Νανόπουλο, είτε δυναμικά μέσω νευροβιολογικών φαινομένων όπως η σύνδεση νευροδιαβιβαστών.

Εν συντομία, έχει προταθεί ότι με τη συμπερίληψη των κβαντικών φαινομένων και των αλληλεπιδράσεων στη λειτουργία του εγκεφάλου, ο ολοκληρωμένος χαρακτήρας της ανάκλησης (π.χ. η αναγνώριση μιας εικόνας που δίνει μόνο μερικές πληροφορίες) όπως επίσης και η τεράστια χωρητικότητα, η μεταβλητότητα και η ταχύτητα της μνήμης μπορούν να εξηγηθούν απευθείας.

Επιπλέον, αυτή η προσέγγιση υποστηρίζει ότι ήδη παρέχει μια καλύτερη εξήγηση της μη-τοπικότητας στον εγκεφαλικό φλοιό την οποία εμφανίζουν οι νευρώνες, οι σχετικοί με κάποιες ιδιαίτερες λειτουργίες (κυρίως με την ολοκλήρωση) δηλαδή την μοναδική αίσθηση ν' αντιλαμβανόμαστε τον εαυτό μας ως σύνολο, καθώς επίσης και το αμφιλεγόμενο πρόβλημα σύνδεσης, μεταξύ των άλλων.

Αυτό σημαίνει ότι όταν βλέπουμε πχ. ένα μήλο, υπάρχουν διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου που μας δίνουν όλες μαζί τη διανοητική αναπαράσταση ότι βλέπουμε ΕΝΑ συγκεκριμένο αντικείμενο που το λέμε μήλο. Οι νευρώνες όμως που αντιδρούν σ' αυτό το αντικείμενο είναι σε διαφορετικά μέρη του εγκεφάλου.

Όσον αφορά το πρόβλημα της ερμηνείας της ελεύθερης θέλησης του ανθρώπου - δηλαδή το γεγονός ότι κάτω από όμοια ερεθίσματα διαφορετικοί άνθρωποι μπορούν ν' αντιδράσουν διαφορετικά - η νέα θεωρία προτείνει την παρακάτω εξήγηση: Όπως ήδη λέχθηκε πιο πάνω, οι κβαντικές κυματοσυναρτήσεις στους μικροσωληνίσκους μπορούν να πάθουν αυθόρμητη κατάρρευση από κβαντικές βαρυτικές αλληλεπιδράσεις και αυτό οδηγεί στην Α ή στη Β απόφασή μας για το πως ακριβώς θα αντιδράσουμε σε ένα εξωτερικό ερέθισμα.

Φυσικά εξαιτίας του πιθανοκρατικού χαρακτήρα της κβαντομηχανικής δεν γνωρίζουμε εκ των προτέρων ποια απόφαση ακριβώς θα πάρουμε. Έτσι μπορούμε κατ' αρχήν να δικαιολογήσουμε την μη ντετερμινιστική φύση της ελεύθερης θέλησης.

Ποια η σχέση της νέας θεωρίας με τις γενικά παραδεκτές απόψεις της νευροβιολογίας;
Το κβαντομηχανικό μοντέλο της λειτουργίας του εγκεφάλου, διαφέρει σημαντικά από την κλασσική προσέγγιση που γίνεται για τα συμβατικά νευρωνικά δίκτυα αλλά δεν είναι σε ανταγωνισμό με την καλά καθιερωμένη νευροβιολογία της χημικής και ηλεκτρικής νευροδιαβίβασης, της συναπτικής λειτουργίας κ.λπ. Η κύρια διαφορά είναι ότι στο μοντέλο της νέας θεωρίας, ένας απλός νευρώνας "προάγεται" από το ρόλο ενός σχετικά απλού (ακόμα και ρυθμίσιμου) διακόπτη, στο ρόλο μιας ολοκληρωμένης μονάδας επεξεργασίας της πληροφορίας.

Αυτή η ιδιόμορφη δομή μπορεί επίσης να δράσει με ένα "ενορχηστρωμένο" ή "σύμφωνο" (coherent) τρόπο δημιουργώντας πολύ γρήγορους διαδρόμους επικοινωνίας μεταξύ των ΜΤ και θεωρητικά ακόμη και μεταξύ πολύ απομακρυσμένων νευρώνων. Αυτοί οι τρόποι επικοινωνίας δεν αναφέρονται σε απευθείας χημικές ή ηλεκτρικές μεταβιβάσεις σημάτων μεταξύ των συνάψεων.

Όταν η κβαντική υπέρθεση καταρρέει, το αποτέλεσμα μπορεί να είναι μια σύγχρονη συναπτική απελευθέρωση μορίων νευροδιαβιβαστών σε απομακρυσμένες περιοχές του νευρικού δικτύου και έτσι ή πληροφορία που φτάνει με ανάδραση αφορά το περιβάλλον ακόμη και απομακρυσμένων νευρώνων.

Το συνολικό αποτέλεσμα τέτοιων φαινομένων μπορεί να μεταφραστεί σε ενορχηστρωμένες δηλαδή σύγχρονες αλλαγές σε μεγάλες περιοχές του νευρικού δικτύου. Δεν υπάρχει κλασσικό ανάλογο του κβαντομηχανικού συσχετισμού και ενώ είναι συνηθισμένος σε ατομικές ή μοριακές διαστάσεις, η έρευνα της ομάδας Νανόπουλου πάνω στους ΜΤ ως φυσικά συστήματα έδειξε ότι και σε αυτούς οι σύμφωνες (coherent) καταστάσεις των διμερών μορίων μπορούν να συσχετιστούν και να δημιουργήσουν υπερθέσεις.

Πρέπει να σημειωθεί ότι και άλλοι ερευνητές, όπως οι Hameroff και Penrose έχουν προτείνει την λεγόμενη ενορχηστρωμένη αντικειμενική αναγωγή η οποία παραδέχεται επίσης ότι η έδρα της συνείδησης είναι οι μικροσωληνίσκοι των νευρώνων, χωρίς όμως να προτείνουν κάποιο ιδιαίτερο μηχανισμό που την δημιουργεί. Μόνο όμως η ιδέα της ερευνητικής ομάδας του Δημήτρη Νανόπουλου προτείνει ένα συγκεκριμένο τρόπο επίλυσης του προβλήματος με την χρήση της θεωρίας των χορδών και της κβαντικής βαρύτητας.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει τη δομή ενός μικροσωληνίσκου (ΜΤ) όπως προκύπτει από κρυσταλλογραφία με ακτίνες Χ. (Amos και Klug 1974)
Οι υπομονάδες του σωληνίσκου είναι διμερή διαστάσεως 8 nm που αποτελούνται από α και β μονομερή.

Η διμερής πρωτεΐνη των σωληνίσκων έχει δύο καταστάσεις στις οποίες ένα κβαντικό γεγονός πχ.(η μεταπίδηση ενός ηλεκτρονίου ή ενός ψευδοσωματίου όπως το φωνόνιο) σε μια υδρόφοβη περιοχή συνδέεται με μορφολογικές αλλαγές μέσα σε χρονικές διάρκειες της τάξης των 10-9 ως 10-11 sec. Οι κυλινδρίσκοι μέσα στις πρωτεΐνες είναι α-ελικοειδείς περιοχές. (Το αρχικό σχέδιο είναι του Djuro Koruga).

Και ο σκεπτικισμός για τη νέα θεωρία.
Είναι δύσκολο να πεισθεί η κοινότητα των συμβατικών νευροβιολόγων και νευρολόγων ότι η κβαντομηχανική - το μαθηματικό πλαίσιο της οποίας περιγράφει τόσο πετυχημένα το μικρόκοσμο - μπορεί να εξηγήσει τα βιολογικά φαινόμενα. Πειστική πειραματική απόδειξη δεν υπάρχει ως τώρα επειδή εν μέρει υπάρχει δυσκολία εκτέλεσης τέτοιων κβαντομηχανικών πειραμάτων σε μακροσκοπικά συστήματα όπως είναι οι ΜΤ.

Μια αντίρρηση που υπάρχει για την εφαρμογή της κβαντικής θεωρίας στη λειτουργία του εγκεφάλου πηγάζει από το γεγονός ότι όλα τα σημαντικά μέρη που έχουν ταυτοποιήσει οι νευροφυσιολόγοι στη δομή και λειτουργία του εγκεφάλου βασίζονται σε πολύ μεγάλα μόρια που συμπεριφέρονται κατά κλασσικό τρόπο. Γιατί λοιπόν θα πρέπει άραγε να εισάγουμε οτιδήποτε άλλο εκτός από κλασσικές διεργασίες για να καταλάβουμε τον εγκέφαλο;

Η κλασσική νευροβιολογία περιορίζεται στο να αντιμετωπίζει το νευρώνα ως ένα ρυθμιζόμενο "μαύρο κουτί" το οποίο μπορεί, είτε να πυροδοτήσει είτε όχι, δραστικά δυναμικά (action potentials-AP) ανάλογα με τη συσσωρευτικά φαινόμενα με τα οποία έχουν τροφοδοτηθεί οι είσοδοί του. Τα AP είναι ηλεκτρικά σήματα με μορφή κυμάτων αποπόλωσης των μεμβρανών, τα οποία διατρέχουν τους άξονες των νεύρων. Αυτά τα δραστικά δυναμικά, άπαξ και πυροδοτηθούν, φθάνουν σε όλες τις συνάψεις του νευρώνα και εκεί μπορούν είτε να προκαλέσουν εξοκύτωση, (απελευθέρωση του νευροδιαβιβαστή) ο οποίος θα συνεχίσει τη μετάδοση του σήματος στον επόμενο νευρώνα είτε να μην κάνουν απολύτως τίποτε.

Μέχρι σήμερα όμως όλα τα προτεινόμενα μοντέλα για τον εγκέφαλο στερούνται ενός κοινού τρόπου πολύ γρήγορης επικοινωνίας μεταξύ νευρώνων που απέχουν μακροσκοπικές αποστάσεις της τάξης του cm. Ως αποτέλεσμα, υπάρχουν διάφορες λειτουργίες του εγκεφάλου που δεν έχουν τύχει ικανοποιητικής εξήγησης με βάση την παραδοσιακή νευροεπιστήμη. Η πιο γνωστή από αυτές είναι το συνδετικό πρόβλημα όπου όπως προαναφέρθηκε ένα ερέθισμα ενεργοποιεί συγχρόνως νευρώνες που βρίσκονται αρκετά μακριά ο ένας από τον άλλο ή τουλάχιστον τους ενεργοποιεί ταχύτερα απ' ότι επιτρέπεται με τη χρήση των κλασσικών χημικών νευροδιαβιβαστών.

Το άλλο μεγάλο δισεπίλυτο πρόβλημα με τις κλασσικές αντιλήψεις της νευροβιολογίας είναι το πρόβλημα της μη ντετερμινιστικής ελύθερης βούλησης των ανθρώπων όπου είδαμε ότι η νέα θεωρία το αντιμετωπίζει με την πιθανοκρατική κατάρρευση μιας κυματοσυνάρτησης.

Εξάλλου όπως θέτει το θέμα και ο καθηγητής Νανόπουλος, "οι μικροσωληνίσκοι είναι ιδανικά κβαντικά συστήματα και κανείς δεν θα πίστευε ότι πέρασαν δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης για να δημιουργηθούν μέσα στους νευρώνες χωρίς να χρειάζεται η κβαντική τους λειτουργία."

Ένας άλλος σκεπτικισμός για την σημασία των μικροσωληνίσκων ως εδρών της συνείδησης, πηγάζει από το γεγονός ότι οι μικροσωληνίσκοι δεν απαντούν μόνο στους νευρώνες αλλά και σε κάθε κύτταρο του σώματος. Θα περιμέναμε λοιπόν και τα υπόλοιπα μέρη του σώματος όπως τα νεφρά λόγου χάριν ή τα δάχτυλά μας να μπορούν να σκέπτονται;

Στον σκεπτικισμό αυτό ο καθηγητής Νανόπουλος απαντά ότι πράγματι οι μικροσωληνίσκοι υπάρχουν και σε άλλους ιστούς όπως ο οστικός, αλλά εκείνο που παίζει ουσιαστικό ρόλο δεν είναι η ύπαρξη των μικροσωληνίσκων αλλά η μορφή τους. Και η πολύ επιμήκης μορφή εμφανίζεται μόνο στο εσωτερικό των νευρώνων οι οποίοι επίσης έχουν ένα πολύ μακρύ άξονα.


Προβλέψεις και ελπίδες για το μέλλον.
Αν και είναι γενικά παραδεκτό ότι οι μεταβολές στη δομή και τη λειτουργία των νευρώνων μεταφράζονται σε μεταβολές της εγκεφαλικής λειτουργίας, πρέπει ακόμη να εξασφαλιστεί μια ικανοποιητική κατανόηση για το πώς τα μοριακά γεγονότα επηρεάζουν και προκαλούν αυτές τις μεταβολές.

Η προσπάθεια κατανόησης της μνήμης θα μας φέρει ένα βήμα κοντύτερα στην ανακάλυψη για το πως ο εξωτερικός κόσμος κωδικοποιείται μέσα στη μικροσκοπική δομή του εγκεφάλου.

Με την πρόοδο των ερευνών θα μπορέσουμε να καταλάβουμε πως οι μοναδικές εμπειρίες μας κάνουν μοναδικές προσωπικότητες, αν και οι βασικές γενετικές, μοριακές και φυσικές διαδικασίες είναι κοινές για όλους τους ανθρώπους.

Αν η υπόθεση ότι οι μικροσωληνίσκοι είναι τα μέρη όπου "κατοικεί" η νόηση είναι σωστή, τότε κάποιες ασθένειες όπως η νόσος Alzheimer θα μπορούσαν ν' αντιμετωπιστούν. Στη δεκαετία του 80 υπήρξαν κάποιες ενδείξεις ότι η νόσος Alzheimer ίσως έχει να κάνει με τους μικροσωληνίσκους. Πολλοί από αυτούς παραμένουν στο εσωτερικό ενός νευρώνα αλλά αντί να παραμένουν παράλληλοι, συστρέφονται μεταξύ τους και κατά κάποιο τρόπο καταστρέφουν τον νευρώνα. Αυτό με τη σειρά του οδηγεί σε απώλεια της μνήμης και απώλεια άλλων διανοητικών διεργασιών.

Αν λοιπόν διαθέτουμε μια θεμελιώδη δομή του εγκεφάλου μέσω των μικροσωληνίσκων, θα μπορούσαμε αξιοποιώντας τη γενετική έρευνα των μικροσωληνίσκων να προβλέψουμε τουλάχιστον αρχικά αν κάποιος έχει την προδιάθεση να νοσήσει από τη νόσο Alzheimer. Μπορεί επίσης να βρεθεί κάτι που να κάνει τους μικροσωληνίσκους να παραμένουν ευθείς και να μην συστρέφονται καταστρέφοντας τον νευρώνα.

Στα πλαίσια της τεχνολογίας επίσης, η κωδικοποίηση που επιτυγχάνεται στους μικροσωληνίσκους θα μπορούσε ν' αξιοποιηθεί στο εργαστήριο και να βρει εφαρμογή στη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών.

Η ίδια ερευνητική ομάδα του Δημήτρη Νανόπουλου προτείνει επίσης κάποια πειράματα με τους μικροσωληνίσκους, είτε in vivo είτε in vitro με τα οποία θα μπορούσαν να δοκιμαστούν οι ιδέες αυτές. Για παράδειγμα μια από τις θαυμαστές ιδιότητες που έχουν οι μικροσωληνίσκοι είναι ότι φαίνονται ως τα μοναδικά μέρη του κυττάρου εκτός του DNA που μεταφέρουν κάποιο κώδικα. Έτσι αν απομονώσουμε μικροσωληνίσκους στο εργαστήριο, μπορούμε να εφαρμόσουμε στο ένα τους άκρο ένα ηλεκτρομαγνητικό σήμα και να ελέγξουμε αν διαδίδεται με τον τρόπο που προβλέπει η νέα θεωρία.

Δεν υπάρχουν σχόλια: