Оркестрованная объективная редукция ( Orch OR ) — весьма спорная теория, постулирующая, что сознание возникает на квантовом уровне внутри нейронов (а не является продуктом нейронных связей ). Механизм считается квантовым процессом, называемым объективной редукцией , который организован клеточными структурами, называемыми микротрубочками . Предполагается, что теория может ответить на сложную проблему сознания и предоставить механизм для свободной воли . [1] Гипотеза была впервые выдвинута в начале 1990-х годов лауреатом Нобелевской премии по физике Роджером Пенроузом и анестезиологом Стюартом Хамероффом . Гипотеза объединяет подходы из молекулярной биологии , нейробиологии , фармакологии , философии , квантовой теории информации и квантовой гравитации . [2] [3]
В то время как более общепринятые теории утверждают, что сознание возникает по мере увеличения сложности вычислений, выполняемых мозговыми нейронами , [ 4] [5] Orch OR утверждает, что сознание основано на невычислимой квантовой обработке, выполняемой кубитами, сформированными коллективно на клеточных микротрубочках, процесс, значительно усиленный в нейронах. Кубиты основаны на осциллирующих диполях, образующих наложенные резонансные кольца в спиральных путях по всем решеткам микротрубочек. Колебания являются либо электрическими, из-за разделения зарядов от сил Лондона , либо магнитными, из-за спина электрона — и, возможно, также из-за ядерных спинов (которые могут оставаться изолированными в течение более длительных периодов), которые происходят в гигагерцевом , мегагерцовом и килогерцовом диапазонах частот. [2] [6] Оркестровка относится к гипотетическому процессу, посредством которого соединительные белки, такие как белки, ассоциированные с микротрубочками (MAP), влияют или организуют сокращение состояния кубита , изменяя пространственно-временное разделение их наложенных состояний. [7] Последнее основано на теории объективного коллапса Пенроуза для интерпретации квантовой механики, которая постулирует существование объективного порога, управляющего коллапсом квантовых состояний , связанного с разницей кривизны пространства-времени этих состояний в мелкомасштабной структуре Вселенной . [8]
Оркестрованная объективная редукция подвергалась критике с самого начала со стороны математиков, философов [9] [10] [11] [12] [13] и ученых. [14] [15] [16] Критика была сосредоточена на трех вопросах: интерпретация Пенроузом теоремы Гёделя ; абдуктивное рассуждение Пенроуза, связывающее невычислимость с квантовыми событиями; и непригодность мозга для размещения квантовых явлений, требуемых теорией, поскольку он считается слишком «теплым, влажным и шумным», чтобы избежать декогеренции .
В 1931 году математик и логик Курт Гёдель доказал, что любая эффективно созданная теория, способная доказать базовую арифметику, не может быть одновременно последовательной и полной . Другими словами, математически обоснованная теория не имеет средств доказать себя. [17] В своей первой книге о сознании, « Новый разум императора» (1989), Роджер Пенроуз утверждал, что недавно были выдвинуты эквивалентные утверждения «предложениям типа Гёделя». [18]
Частично в ответ на аргумент Гёделя, аргумент Пенроуза–Лукаса оставляет вопрос о физической основе невычислимого поведения открытым. Большинство физических законов вычислимы и, следовательно, алгоритмичны. Однако Пенроуз определил, что коллапс волновой функции является главным кандидатом на невычислимый процесс. В квантовой механике частицы рассматриваются иначе, чем объекты классической механики . Частицы описываются волновыми функциями , которые развиваются в соответствии с уравнением Шредингера . Нестационарные волновые функции являются линейными комбинациями собственных состояний системы, явление, описываемое принципом суперпозиции . Когда квантовая система взаимодействует с классической системой — т. е. когда измеряется наблюдаемая — система, по-видимому, коллапсирует в случайное собственное состояние этой наблюдаемой с классической точки зрения.
Если коллапс действительно случаен, то никакой процесс или алгоритм не может детерминированно предсказать его результат. Это дало Пенроузу кандидата на физическую основу невычислимого процесса, который, как он предполагал, существует в мозге. Однако ему не нравилась случайная природа коллапса, вызванного окружающей средой, поскольку случайность не была многообещающей основой для математического понимания. Пенроуз предположил, что изолированные системы все еще могут подвергаться новой форме коллапса волновой функции, которую он назвал объективной редукцией (OR). [7]
Пенроуз стремился примирить общую теорию относительности и квантовую теорию, используя собственные идеи о возможной структуре пространства-времени . [18] [ нужна страница ] [19] Он предположил, что в масштабе Планка искривленное пространство-время не непрерывно, а дискретно. Он также постулировал, что каждая отделенная квантовая суперпозиция имеет свою собственную часть кривизны пространства-времени , волдырь в пространстве-времени. Пенроуз предполагает, что гравитация оказывает силу на эти волдыри пространства-времени, которые становятся нестабильными выше масштаба Планка и коллапсируют только в одно из возможных состояний. Грубый порог для OR задается принципом неопределенности Пенроуза:
Таким образом, чем больше масса-энергия объекта, тем быстрее он будет подвергаться ОР и наоборот. Мезоскопические объекты могут коллапсировать в масштабе времени, соответствующем нейронной обработке. [7] [ необходимы дополнительные цитаты ]
Существенной особенностью теории Пенроуза является то, что выбор состояний, когда происходит объективная редукция, не выбирается ни случайно (как выборы после коллапса волновой функции), ни алгоритмически. Скорее, состояния выбираются «невычислимым» влиянием, встроенным в шкалу Планка геометрии пространства-времени. Пенроуз утверждал, что такая информация является платонической , представляющей чистые математические истины, которые связаны с идеями Пенроуза относительно трех миров: физического, ментального и платоновского математического мира. В « Тенях разума» (1994) Пенроуз кратко указывает, что этот платоновский мир может также включать эстетические и этические ценности, но он не принимает эту дальнейшую гипотезу. [19]
Аргумент Пенроуза–Лукаса подвергся критике со стороны математиков, [20] [21] [22] компьютерных ученых, [12] и философов, [23] [24] [9] [10] [11], и среди экспертов в этих областях сложился консенсус, что этот аргумент несостоятелен, [25] [26] [27] при этом разные авторы нападают на разные аспекты аргумента. [27] [28] Мински утверждал, что поскольку люди могут верить в истинность ложных идей, человеческое математическое понимание не обязательно должно быть последовательным, а сознание может легко иметь детерминированную основу. [29] Феферман утверждал, что математики прогрессируют не посредством механистического поиска доказательств, а посредством рассуждений методом проб и ошибок, проницательности и вдохновения, и что машины не разделяют этот подход с людьми. [21]
Пенроуз описал предшественника Orch OR в «Новом разуме императора» , подойдя к проблеме с математической точки зрения и, в частности, теоремы Гёделя, но не имея подробного предложения о том, как квантовые процессы могут быть реализованы в мозге. Стюарт Хамерофф отдельно работал над исследованиями рака и анестезии , что вызвало у него интерес к мозговым процессам. Хамерофф прочитал книгу Пенроуза и предположил, что микротрубочки внутри нейронов являются подходящими кандидатами для квантовой обработки и, в конечном итоге, для сознания. [30] [31] В течение 1990-х годов они оба сотрудничали над теорией Orch OR, которую Пенроуз опубликовал в книге «Тени разума» (1994). [19]
Вклад Хамероффа в теорию произошел из его исследования нейронного цитоскелета , и в частности микротрубочек. [31] По мере развития нейронауки роль цитоскелета и микротрубочек приобрела большую значимость. Помимо предоставления структурной поддержки, функции микротрубочек включают аксоплазматический транспорт и контроль движения, роста и формы клетки. [31]
Orch OR объединяет аргумент Пенроуза–Лукаса с гипотезой Хамероффа о квантовой обработке в микротрубочках. Она предполагает, что когда конденсаты в мозге подвергаются объективной редукции волновой функции, их коллапс связывает невычислительное принятие решений с опытом, встроенным в фундаментальную геометрию пространства-времени. Теория далее предполагает, что микротрубочки как влияют, так и находятся под влиянием обычной активности в синапсах между нейронами.
Хамерофф предположил, что микротрубочки являются подходящими кандидатами для квантовой обработки. [31] Микротрубочки состоят из субъединиц белка тубулина . Димеры белка тубулина микротрубочек имеют гидрофобные карманы, которые могут содержать делокализованные π-электроны . Тубулин имеет другие, меньшие неполярные области, например, 8 триптофана на тубулин, которые содержат богатые π-электронами индольные кольца, распределенные по всему тубулину с разделениями примерно в 2 нм. Хамерофф утверждает, что этого достаточно для того, чтобы π-электроны тубулина стали квантово запутанными . [32] Во время запутывания состояния частиц становятся неразрывно коррелированными.
Хамерофф первоначально предположил в маргинальном журнале Journal of Cosmology , что электроны субъединицы тубулина будут образовывать конденсат Бозе-Эйнштейна . [33] Затем он предложил конденсат Фрёлиха , гипотетическое когерентное колебание дипольных молекул. Однако это также было отвергнуто группой Реймерса. [34] Хамерофф и Пенроуз оспорили вывод, посчитав, что модель микротрубочек Реймерса была чрезмерно упрощена. [35]
Затем Хамерофф предположил, что конденсаты в микротрубочках в одном нейроне могут связываться с конденсатами микротрубочек в других нейронах и глиальных клетках через щелевые контакты электрических синапсов . [36] [37] Хамерофф предположил, что зазор между клетками достаточно мал, чтобы квантовые объекты могли туннелировать через него, позволяя им распространяться по большой области мозга. Он также предположил, что действие этой крупномасштабной квантовой активности является источником гамма-волн частотой 40 Гц , основываясь на гораздо менее спорной теории о том, что щелевые контакты связаны с гамма-колебаниями. [38]
В исследовании, в котором принимал участие Хамерофф, Джек Тушински из Университета Альберты продемонстрировал, что анестетики ускоряют продолжительность процесса, называемого задержанной люминесценцией, в котором микротрубочки и тубулины повторно излучают захваченный свет. Тушински подозревает, что явление имеет квантовое происхождение, и сверхизлучение изучается как одна из возможностей (в исследовании 2024 года было подтверждено, что сверхизлучение происходит в сетях триптофана , которые находятся в микротрубочках). [39] [40] Тушински сказал New Scientist , что «Мы не на уровне интерпретации этого физиологически, говоря: «Да, вот где начинается сознание», но это может быть». [41]
Исследование 2024 года под названием «Ультрафиолетовое сверхизлучение от мегасетей триптофана в биологических архитектурах» и опубликованное в журнале The Journal of Physical Chemistry , подтвердило сверхизлучение в сетях триптофана. [39] [40] Большие сети триптофана представляют собой теплую и шумную среду, в которой квантовые эффекты обычно не возникают. [39] Результаты исследования были теоретически предсказаны, а затем экспериментально подтверждены исследователями. [39] [40] Маджед Черги , возглавлявший экспериментальную группу, заявил, что «Это прекрасный результат. Потребовалось очень точное и осторожное применение стандартных методов спектроскопии белков, но, руководствуясь теоретическими предсказаниями наших коллег, мы смогли подтвердить ошеломляющую сигнатуру сверхизлучения в биологической системе микронного масштаба». [39] Марлан Скалли , физик, известный своими работами в области теоретической квантовой оптики, сказал: «Мы, безусловно, будем внимательно изучать последствия квантовых эффектов в живых системах в течение многих лет». [39] В исследовании говорится, что «анализируя связь с электромагнитным полем мегасетей триптофана, присутствующих в этих биологически значимых архитектурах, мы обнаруживаем возникновение коллективных квантовых оптических эффектов, а именно, сверхизлучательных и субизлучательных собственных мод. ... наша работа демонстрирует, что коллективные и кооперативные УФ-возбуждения в мегасетях триптофана поддерживают надежные квантовые состояния в белковых агрегатах с наблюдаемыми последствиями даже в условиях теплового равновесия». [40]
В эксперименте Грегори Д. Шоулз и Аарат Калра из Принстонского университета использовали лазеры для возбуждения молекул внутри тубулинов, вызывая длительное возбуждение, которое диффундировало через микротрубочки дальше, чем ожидалось, чего не происходило при повторении под анестезией. [42] Однако результаты диффузии следует интерпретировать осторожно, поскольку даже классическая диффузия может быть очень сложной из-за широкого диапазона масштабов длины в заполненном жидкостью внеклеточном пространстве. [43]
При высоких концентрациях (~5 МАК ) анестезирующий газ галотан вызывает обратимую деполимеризацию микротрубочек. [44] Однако это не может быть механизмом анестезирующего действия, поскольку анестезия у человека осуществляется при 1 МАК . (Ни Пенроуз, ни Хамерофф не утверждают, что деполимеризация является механизмом действия Orch OR.) [45] [46] При ~1 МАК галотана зарегистрированные незначительные изменения экспрессии белка тубулина (~1,3 раза) в первичных корковых нейронах после воздействия галотана и изофлурана не являются доказательством того, что тубулин напрямую взаимодействует с общими анестетиками, а скорее показывают, что белки, контролирующие выработку тубулина, являются возможными целями анестезии. [47] Дальнейшее протеомное исследование сообщает о связывании 0,5 мМ [ 14 C]галотана с мономерами тубулина наряду с тремя десятками других белков. [48] Кроме того, сообщалось о модуляции стабильности микротрубочек во время общей анестезии головастиков антраценом. [49] Исследование под названием «Прямая модуляция стабильности микротрубочек способствует общей анестезии антраценом» утверждает, что предоставляет «убедительные доказательства того, что дестабилизация нейрональных микротрубочек обеспечивает путь к достижению общей анестезии». [49]
Весьма спорная теория, выдвинутая в середине 1990-х годов Хамероффом и Пенроузом, утверждает, что сознание основано на квантовых колебаниях в тубулине/микротрубочках внутри нейронов мозга. Компьютерное моделирование атомной структуры тубулина [50] обнаружило, что молекулы анестезирующего газа связываются рядом с ароматическими кольцами аминокислот неполярных π-электронов и что коллективные квантовые дипольные колебания среди всех резонансных колец π-электронов в каждом тубулине показали спектр с пиком синфазного режима при 613 Т Гц . [51] Моделируемое присутствие 8 различных анестезирующих газов отменило пик 613 ТГц, тогда как присутствие 2 различных неанестетических газов не повлияло на пик 613 ТГц, из чего было высказано предположение, что этот пик 613 ТГц в микротрубочках может быть связан с сознанием и действием анестезии. [51]
Другое исследование, в котором принимал участие Хамерофф, утверждает, что «молекулы анестетиков могут нарушать перенос энергии π-резонанса и экситонные скачки в «квантовых каналах» триптофановых колец в тубулине, и таким образом объяснять избирательное действие анестетиков на сознание и память» [52] .
В исследовании, опубликованном в августе 2024 года, группа студентов под руководством профессора колледжа Уэллсли обнаружила, что крысам, которым давали эпотилон B , препарат, связывающийся с микротрубочками, требовалось на минуту больше времени, чтобы потерять сознание при воздействии анестезирующего газа. [53]
Orch OR критиковали как физики [14] [54] [34] [55] [56] , так и нейробиологи [57] [58] [59] , которые считали ее плохой моделью физиологии мозга . Orch OR также критиковали за отсутствие объяснительной силы ; философ Патрисия Черчленд писала: «Пыльца фей в синапсах примерно так же объяснительна, как квантовая когерентность в микротрубочках». [60]
Дэвид Чалмерс выступает против квантового сознания. Вместо этого он обсуждает, как квантовая механика может соотноситься с дуалистическим сознанием . [61] Чалмерс скептически относится к тому, что какая-либо новая физика может разрешить трудную проблему сознания . [62] [63] [64] Он утверждает, что квантовые теории сознания страдают от той же слабости, что и более традиционные теории. Так же, как он утверждает, что нет особой причины, по которой определенные макроскопические физические особенности в мозге должны порождать сознание, он также считает, что нет особой причины, по которой определенная квантовая особенность, такая как ЭМ поле в мозге, также должна порождать сознание. [64]
В 2000 году Макс Тегмарк заявил, что любая квантовая когерентная система в мозге подвергнется эффективному коллапсу волновой функции из-за взаимодействия с окружающей средой задолго до того, как она сможет повлиять на нейронные процессы (аргумент «тепло, влажно и шумно», как его позже стали называть). [14] Он определил, что временная шкала декогеренции запутывания микротрубочек при температурах мозга составляет порядка фемтосекунд , что слишком мало для нейронной обработки. Кристоф Кох и Клаус Хепп также согласились с тем, что квантовая когерентность не играет или не должна играть какой-либо важной роли в нейрофизиологии . [15] [16] Кох и Хепп пришли к выводу, что «эмпирическая демонстрация медленно декогерентных и контролируемых квантовых битов в нейронах, соединенных электрическими или химическими синапсами, или открытие эффективного квантового алгоритма для вычислений, выполняемых мозгом, во многом способствовали бы переводу этих предположений из разряда «далеких» в разряд «крайне маловероятных». [15]
В ответ на заявления Тегмарка Хаган, Тушински и Хамерофф заявили, что Тегмарк не рассматривал модель Orch OR, а вместо этого модель собственной конструкции. Она включала суперпозиции квантов, разделенных 24 нм, а не гораздо меньшими разделениями, предусмотренными для Orch OR. В результате группа Хамероффа заявила о времени декогеренции на семь порядков больше, чем у Тегмарка, хотя все еще намного ниже 25 мс. Группа Хамероффа также предположила, что слой противоионов Дебая может экранировать тепловые флуктуации, и что окружающий актиновый гель может усиливать упорядоченность воды, дополнительно экранируя шум. Они также предположили, что некогерентная метаболическая энергия может дополнительно упорядочивать воду, и, наконец, что конфигурация решетки микротрубочек может быть подходящей для квантовой коррекции ошибок , средства сопротивления квантовой декогеренции. [65] [66]
В 2009 году Реймерс и др. и Маккемиш и др. опубликовали критические оценки. Более ранние версии теории требовали, чтобы электроны тубулина образовывали либо конденсаты Бозе-Эйнштейна , либо конденсаты Фрелиха , и группа Реймерса отметила отсутствие эмпирических доказательств того, что это может произойти. Кроме того, они подсчитали, что микротрубочки могут поддерживать только слабую когерентность 8 МГц. Маккемиш и др. утверждали, что ароматические молекулы не могут переключать состояния, поскольку они делокализованы; и что изменения в конформации белка тубулина, вызванные преобразованием ГТФ, приведут к непомерно высоким энергетическим потребностям. [54] [34] [55]
В 2022 году группа итальянских физиков провела несколько экспериментов, которые не смогли предоставить доказательств в поддержку модели квантового коллапса сознания, связанной с гравитацией, что ослабило возможность квантового объяснения сознания. [67] [68]
Была выдвинута критика с биологической точки зрения, включая отсутствие объяснения вероятностного высвобождения нейротрансмиттера из пресинаптических окончаний аксонов [69] [70] [71] и ошибку в расчете количества димеров тубулина на кортикальный нейрон. [72]
В 2014 году Пенроуз и Хамерофф опубликовали ответы на некоторые критические замечания и пересмотры многих второстепенных предположений теории, сохранив при этом основную гипотезу. [2] [6]
Хамероффа в руках Пенроуза развились почти до абсурда.