A 159-step auditable open-quantum-system chain links cerebral metabolism to a coherence-protected information channel in the myelinated axon at 310 K (V148)

على مدى عقود، فُهم الدماغ البشري في المقام الأول كآلة بيولوجية تعمل بالتفاعلات الكيميائية. تطلق الخلايا العصبية نبضات، مرسلةً إشارات كهربائية عبر أسلاك معزولة تسمى المحاور العصبية للتواصل ونقل الأفكار والأحاسيس والأوامر. ويعمل هذا العزل، وهو طبقة دهنية تُعرف باسم "الميالين"، مثل الغطاء البلاستيكي للكابل الكهربائي، مما يضمن انتقال هذه الإشارات بسرعة وعدم تسربها. ومع ذلك، بدأت فكرة جديدة وأكثر إثارة للجدل تتبلور: وهي أن هذا العزل البيولوجي قد يفعل أكثر من مجرد توجيه الكهرباء. يقترح بعض الباحثين الآن أن الميالين يمكن أن يعمل أيضاً كدليل موجي للضوء وأشكال أخرى من الإشعاع، مما قد يسمح للدماغ بمعالجة المعلومات بطرق تتجاوز مجرد الكيمياء البسيطة. وهذا يطرح سؤالاً صعباً على الفيزياء: هل يمكن للبيئة الدافئة والرطبة والفوضوية داخل دماغ حي أن تدعم الحالات المتزامنة والدقيقة المطلوبة لمثل هذه المعالجة المتقدمة؟ في عالم الفيزياء الكمومية، تكون هذه الحالات المتزامنة هشة للغاية وعادة ما تنهار فور تعرضها للحرارة، وهي مشكلة تُعرف باسم "فقدان الترابط" (decoherence).

تتناول دراسة جديدة أجراها الباحث المستقل ألفونسو ميندوزا أوريانا هذا السؤال بشكل مباشر، حيث تقترح نموذجاً مفصلاً وخطوة بخوة لكيفية عمل جزء واحد من ليف عصبي مغلف بالميالين كقناة معلومات محمية عند درجة حرارة الجسم. لا تدعي الدراسة أنها قامت ببناء جهاز فيزيائي أو قياس هذه التأثيرات في إنسان حي بعد؛ بل إنها تبني محاكاة شفافة ضخمة تتكون من 159 خطوة منطقية متميزة. تربط هذه السلسلة من الحسابات الطاقة الناتجة عن عملية التمثيل الغذائي في الدماغ بسلوك جسيمات الضوء فائقة الضعف، أو الفوتونات، والاهتزازات الشبيهة بالصوت، المعروفة باسم الفونونات، داخل بنية العصب. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان بإمكان هذه المكونات، تحت ظروف فيزيائية محددة، أن تعمل معاً لنقل المعلومات بدقة تقارب الكمال دون الاعتماد على الظاهرة الكمومية الأكثر شهرة وصعوبة: "التشابك" (entanglement)، حيث يصبح جُسيمان مرتبطين ارتباطاً وثيقاً عبر الفضاء.

يبدأ النموذج بمصدر الطاقة. يستهلك الدماغ الأكسجين والجلوكوز لتوليد الطاقة، وتحسب الدراسة أن كمية نموذجية من أنسجة الدماغ تنتج طاقة كافية لدعم تدفق ضئيل ولكن مستمر من انبعاث الضوء. يدخل هذا الضوء، الذي ينبعث طبيعياً من الأنسجة البيولوجية، في تجويف مجهري تشكله طبقات غمد الميالين. يصف الباحثون هذه المساحة بأنها "تجويف كازيمير" (Casimir cavity)، وهو فجوة محصورة حيث تخلق قواعد ميكانيكا الكم ضغطاً معيناً يساعد في تنظيم البيئة. داخل هذا التجويف، يتفاعل الضوء مع الاهتزازات في البنية. تحاكي الدراسة كيفية تحول جسيمات الضوء هذه والاهتزازات الصوتية إلى بعضهما البعض، وهي عملية تحدث بكفاءة عالية. ومن الأهمية بمكان أن النموذج يظهر أن هذا التحول ليس عشوائياً؛ بل يتم التحكم فيه بدقة من خلال جزيئات الماء المحيطة، والتي يقترح الباحثون أنها يمكن أن تشكل نطاقات منظمة ومتماسكة تعمل كوسيط مستقر لانتقال المعلومات.

بينما تتقدم المحاكاة عبر خطواتها الـ 159، تُدخل سلسلة من الضوابط والموازنات المصممة لحماية المعلومات. يتضمن النموذج آلية تعمل مثل "فلتر" (مرشح)، لضمان السماح فقط للإشارات ذات التوقيت والطور الصحيحين بالمرور. توصف عملية الترشيح هذه بأنها "مفتاح ضبط الطور" (phase-locking dial)، الذي يحافظ على تزامن النظام. ثم تنتقل المعلومات عبر مرحلة نهائية مصممة لنقل حالة النظام تماماً من طرف إلى آخر في قطعة العصب. وفي نتائج هذه المحاكاة، يحقق النظام كفاءة عالمية تقترب من 97 بالمائة، مما يعني أن جميع المعلومات التي وُضعت في القناة تصل تقريباً كاملة إلى الطرف الآخر. وتفيد الدراسة أن النظام يمكنه استيعاب كمية هائلة من البيانات، تُقدر بأربعة تريليونات بت، ويمكنه ملء مليار بت من هذه السعة في غض প جة تزيد قليلاً عن تسعة مللي ثانية.

إن الاكتشاف الرئيسي لهذا العمل هو ما لا يعتمد عليه النظام. فبينما تركز العديد من النظريات حول البيولوجيا الكمومية على التشابك، تظهر هذه المحاكاة صراحة أن النظام يعمل بدونه. بدلاً من ذلك، وجد الباحثون أن المورد الذي يحرك العملية هو "تماسك الطور" (phase coherence)، وهي حالة تتحرك فيها موجات الضوء والصوت في انسجام تام. تشير المحاكاة إلى أن الارتباط بين الضوء وجزيئات الماء ضعيف جداً من حيث التشابك لدرجة أنه يكاد يكون صفراً، ومع ذلك يظل نقل المعلومات قوياً. يشير هذا إلى أن الدماغ قد يستخدم آلية كمومية مختلفة، وربما أكثر عملية، لمعالجة المعلومات عما كان يُعتقد سابقاً. كما تنفي الدراسة فكرة أن هذه العملية تتطلب أن يكون الدماغ بارداً أو معزولاً؛ إذ تعمل السلسلة بأكملها بنجاح عند 310.15 كلفن، وهي درجة حرارة جسم الإنسان القياسية.

يحرص الباحثون على صياغة هذه النتائج كإثبات مفهوم نظري وليس كحقيقة بيولوجية مؤكدة. إن الأرقام والنتائج المقدمة هي نتيجة محاكاة حاسوبية تتبع بدقة قوانين الفيزياء كما هي مفهومة حالياً، وتحديداً باستخدام معادلات تصف كيفية تفاعل الأنظمة المفتوحة مع بيئتها. تم تصميم النموذج ليكون قابلاً للتدقيق بالكامل، مع تسجيل كل ثابت وصيغة وقيمة في قاعدة بيانات عامة ليتمكن الآخرون من فحصها واختبارها. وتخلص الدراسة إلى أنه من الممكن فيزيائياً أن يعمل محور عصبي مغلف بالميالين كقناة معلومات ممولة ديناميكياً حرارياً عند درجة حرارة الجسم، بشرط استيفاء الظروف المحددة للنموذج. وللانتقال من المحاكاة إلى واقع مؤكد، يقترح المؤلف عدة تنبؤات قابلة للاختبار، مثل البحث عن أنماط محددة في موجات الدماغ لدى الأشخاص الأصحاء مقابل أولئك الذين يعانون من المراحل المبكرة من التصلب المتعدد، حيث يتضرر غمد الميالين. وإذا ظهرت هذه الأنماط أو اختفت كما يتنبأ النموذج، فإن ذلك سيوفر دليلاً قوياً على أن هذه الآلية المعقدة المستوحاة من الكم تعمل بالفعل في الدماغ البشري الحي.