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» » La cuántica de la función cerebral

Referencia: Quantum Frontiers.com .
“Wouldn’t you like to know what’s going on in my mind?”
por Preskill 6 de noviembre 2015
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Supongo que la mayoría de físicos teóricos que, como yo, pasan de los 60 años se preocupen por ser demasiado susceptibles al "síndrome del viejo loco". (Lo siento por el sexismo, pero todas las víctimas de este mal que conozco son hombres). Puede parecer triste cuando un ex gran científico se sitúa lejos de la corriente principal y parece estar haciendo tonterías.
(a) Dos racimos Posner entrelazados. Cada punto es un espín nuclear P-31, y cada línea discontinua representa un par simple. (b) Muchos racimos Posner entrelazados. [De Fisher 2015]

Matthew Fisher tiene sólo 55, pero la renuencia a ser visto como un ‘viejo loco’ que podría explicar en parte por qué se ha mantenido bastante tranquilo en su apasionada búsqueda de neurociencia en estos últimos tres años. Eso cambió hace un par de meses cuando publicó un artículo en arXiv en Cognición Cuántica.

La neurociencia tiene un tirón muy seductor, porque a la vez resulta accesible e inaccesible. Mientras que un físico teórico puede pensar y escribir sobre una brana, incluso sin tener o ver ninguna, todo el mundo tiene un cerebro (excepto algunos espantapájaros). Por otro lado, aunque no es demasiado difícil de escribir y estudiar las ecuaciones que describen una brana, no tiene nada de fácil escribir ecuaciones sobre el cerebro, y mucho menos resolverlas. El cerebro es fascinante porque sabemos muy poco sobre él. Además ... ¿cómo puede alguien con una apreciación saludable sobre el Teorema de Gödel, no estar intrigado por la idea misma de un cerebro que piensa por sí mismo?

La idea de que los efectos cuánticos podrían tener un rol importante en la función cerebral, no es nueva, pero suele descartarse de forma rutinaria como tremendamente inverosímil. Matthew Fisher lo ve de otro modo. Y los que leen su artículo (como espero que muchos hagan) estarán obligados a concluir: Este viejo no está tan loco, podría estar en lo cierto. Por lo menos se está planteando algunas preguntas muy interesantes.

Mi agradecimiento a Matthew y su artículo se vio más acentuado este miércoles, cuando Matthew terminó un seminario de Caltech a la hora de comer y una de mis interminables reuniones de grupo para la cena. No sé si mi cerebro está realizando el procesamiento de información cuántica (y tampoco lo sabe Matthew), pero la sola idea de que podría ser ya me iluminaba.

Después de Matthew, respiramos profundamente y nos preguntamos: ¿Qué certeza necesito para ver que el procesamiento de información cuántica es importante en el cerebro? Presumiblemente, sería (1) una forma de acumular información cuántica durante mucho tiempo, (2) de transportar la información cuántica, (3) de crear entrelazamientos, y (4) que el entrelazamiento influya en activar las neuronas. Después de una búsqueda de tres años, Matthew tiene cosas interesantes que decir sobre todos estos temas. Para más detalles, lo mejor es leer su documento.

Matthew sostiene que los únicos depositarios plausibles de la información cuántica en el cerebro son los espines nucleares del Fósforo-31 de los iones de fosfato. Debido a que estos núcleos tienen un espín-1/2, no tienen momentos cuadrupolares eléctricos y, por tanto, les corresponde tiempos de coherencia largos, del orden de un segundo. Eso no parece lo suficientemente largo, sin embargo, los iones de fosfato se pueden entrelazar con iones de calcio en los objetos llamados racimos Posner, cada uno con seis núcleos P-31. Los núcleos de fósforo de racimos Posner pueden tener tiempos de coherencia enormemente mejorados por el acortamiento de movimientos, que pueden ser de semanas o incluso de más tiempo.

Cuando se consume la energía de una célula, el ATP libera a veces iones difosfato (lo que los bioquímicos llaman pirofosfato), que más tarde se dividen en dos iones separados de fosfato, cada uno con un solo qubit P-31. Matthew sostiene que la ruptura del difosfato, catalizada por la enzima adecuada, mejorará a un ritmo mayor cuando estos dos qubits P-31 estén en un simple espín en lugar de un espín triple. La razón es que la enzima debe conseguir aferrar la molécula de difosfato y detener su rotación a fin de romperla, lo cual es mucho más fácil cuando la molécula tiene algo más que un extraño momento angular orbital; por lo tanto, dada la estadística de Fermi del estado de espín de los núcleos P-31, debe ser antisimétrica. De ahí que, allí donde se consume la ATP hay una fuente plena de pares de qubits entrelazados.

Si las moléculas de fosfato se mantienen sin consolidar, este entrelazamiento se desintegrará en aproximadamente un segundo, pero la cosa cambia si el grupo conjunto de iones fosfato pasa suficientemente rápido a grupos Posner, lo que permite que el entrelazamiento sobreviva por un tiempo mucho más largo. Si los dos miembros de un par de qubit entrelazados son fragmentados por diferentes racimos Posner, tales grupos, a continuación, pueden ser transportados a diferentes células, distribuyendo el entrelazado a distancias relativamente largas.

Lo que causa que una neurona se active es una historia complicada en lo que voy a intentar no meterme. Basta decir que parte de esa historia puede implicar la unión de un par de racimos Posner que luego se funden si el ambiente es suficientemente ácido, liberando iones de calcio e iones de fosfato que mejoran la activación. La tasa de fusión depende del estado de espín de los seis núcleos P-31 dentro del racimo, por lo que el entrelazamiento entre los racimos de distintas células puede inducir correlaciones no locales entre diferentes neuronas, haciéndose muy complejo si el entrelazamiento está ampliamente distribuido.

Este escenario plantea más preguntas que respuestas, pero estas son sin duda cuestiones científicas que invitan a una mayor investigación y exploración experimental. Una cosa que está lejos de ser claro en este momento es si tales correlaciones cuánticas entre neuronas (si es que existen) serían fáciles de simular en un ordenador clásico. Incluso si así fuera, los efectos cuánticos implicados de muchas neuronas podrían ser increíblemente interesantes. La misión de IQIM es alcanzar una ciencia cuántica transformadora, en particular los enfoques que aprovechan las sinergias entre los diferentes campos de estudio. Este tema ciertamente califica. Y será divertido saber a dónde conduce.

Si usted es un científico joven y ambicioso, posiblemente esté contemplando el dilema: ¿Me decido por la física cuántica o la neurociencia? Tal vez, sólo tal vez, la respuesta correcta sería: Ambas.

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IQIM .

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