A quantitative bound on motional narrowing in the radical-pair nuclear register: the neural band requires $S^2\lesssim0.07$

إن الدماغ البشري مكان رطب ودافئ وفوضوي، بيئة تذوب فيها الإشارات الدقيقة عادةً في الضجيج بشكل فوري تقريبًا. لعقود من الزمن، تساءل العلماء عما إذا كان بإمكان الدماغ تسخير القواعد الغريبة لميكانيكا الكم لمعالجة المعلومات، وهو مجال بحث يُعرف باسم البيولوجيا الكمومية. يشير أحد الأفكار المحددة إلى أن أزواجًا من الجزيئات الصغيرة قصيرة العمر تسمى "الأزواج الجذرية" (radical pairs)، والتي توجد في الإنزيمات داخل الدماغ، يمكن أن تعمل كنظام لتخزين المعلومات الكمومية. والأمل هو أن نوى الذرات داخل هذه الجزيئات يمكن أن تحتفظ بالذاكرة لفترة كافية للتأثير على كيفية إطلاق العصبون للإشارة، وهي عملية تستغرق حوالي عشرة مللي ثانية. ومع ذلك، فإن الحرارة والحركة في الدماغ تدمر عادةً مثل هذه الحالات الكمومية الدقيقة في جزء من الثانية. ولإنجاح هذا الأمر، تعتمد النظرية على آلية تسمى "التضييق الحركي" (mototional narrowing)، حيث تعمل الحركة السريعة والمضطربة للذرات داخل الجزيء بطريقة ما على موازنة الضجيج وتمديد عمر الذاكرة.

تضع دراسة جديدة أجراها الباحثان هيكارو واكاورا وتايكي تانيماي هذا الأمل المحدد تحت اختبار صارم. لم يتساءلوا ببساطة عما إذا كانت الفكرة ممكنة نظريًا؛ بل بنوا نموذجًا رياضيًا دقيقًا ليروا ما إذا كانت الأرقام تتطابق فعليًا مع نظام بيولوجي حقيقي. يركز عملهم على إنزيم محدد يسمى "كريبتوكروم" (cryptochrome)، والذي يحتوي على زوج من الجزيئات يمكن أن يشكل زوجًا جذريًا. فحص الباحثون ما إذا كانت الحركة الداخلية للذرات داخل هذا الإنزيم يمكن أن تقصر الوقت الذي تستغرقه الذاكرة الكمومية للتلاشي، مما يؤدي إلى تمديدها إلى العشرة مللي ثانية المطلوبة. ومن خلال إجراء عمليات محاكاة مفصلة بناءً على الفيزياء الراسخة، وجدوا أن الحركات الطبيعية داخل البروتين ليست سريعة أو فوضوية بما يكفي لإنقاذ الذاكرة. فتتلاشى الحالة الكمومية في أقل من نصف الوقت اللافق به العصبون لدمج الإشارة، مما يستبعد فعليًا فكرة أن هذه الآلية البيولوجية المحددة يمكن أن تدعم المعالجة الكمومية في الدماغ كما هو مقترح حاليًا.

بدأ الباحثون بتحديد ما يعنيه الوقت "الكافي" بدقة لهذا النظام. استخدموا مقياسًا قياسيًا لكيفية احتفاظ النظام بالمعلومات ومعالجتها، والمعروف باسم "سعة الذاكرة"، لوضع حد قاطع. لكي تكون الذاكرة الكمومية للدماغ مفيدة، يجب أن تستمر لمدة عشرة مللي ثوانٍ على الأقل. قام الفريق بحساب المدة التي ستستغرقها الذاكرة في زوج جذري يتكون من جزيء "فلافين" وجزيء "تريبتوفان"، وهما معروفان بوجودهما في الدماغ. في بيئة هادئة وساكنة، ستختفي هذه الذاكرة في أقل من مللي ثانين. والسبيل الوحيد لإطالة عمرها هو من خلال التضييق الحركي، حيث تدور الأجزاء الداخلية للجزيء وتتذبذب بسرعة كبيرة بحيث تمحو التفاعلات المغناطيسية التي تسبب تلاشي الذاكرة. واختبر الباحثون ما إذا كان الدوران الطبيعي لجزء صغير من الجزيء، وتحديدًا مجموعة "الميثيل" المرتبطة بالفلافين، يمكن أن يوفر هذا التمويه الضروري.

كانت النتائج واضحة وكمية. دوران مجموعة الميثيل يحدث بالفعل، لكنه ليس فوضويًا بما يكفي لموازنة الضجيج المغناطيسي بالكامل. حسبت الدراسة أنه لكي تستمر الذاكرة لمدة عشرة مللي ثوانٍ كاملة، يجب أن تترك الحركة الداخلية أقل من سبعة بالمائة من النظام المغناطيسي الأصلي سليمًا. ومع ذلك، فإن الدوران الفعلي لمجموعة الميثيل يترك حوالي خمسة وعشرين بالمائة من ذلك النظام دون مساس. ولأن الحركة مقيدة للغاية، فإن الذاكرة تستمر لحوالي سبع مللي ثوانٍ فقط. وهذا يقل عن نافذة العشرة مللي ثانية المطلوبة للحوسبة العصبية. تحقق الباحثون من عملهم مقابل مختلف حالات عدم اليقين، مثل كمية الماء المحيط بالبروتين أو مدى كثافة السائل المحيط، وفي كل سيناريو، كانت الذاكرة تتلاشى بسرعة كبيرة جدًا. الهامش ضيق بما يكفي ليكون ذا أهمية: فالنتيجة تُقرأ بشكل أفضل كحد كمي حاد بدلاً من استبعاد فئوي، حيث أن سجلًا على متجه الكربون-هيدروجين للميثيل بدلاً من زوج البروتون-بروتون سيكون داخل النطاق بشكل طفيف.

كما بحثت الورقة البحثية في أفكار أخرى تم اقتراحها لإنقاذ هذه الذاكرة الكمومية. أحد الاقتراحات كان أن حالة كمومية خاصة، تُعرف باسم "الأحادية طويلة العمر" (long-lived singlet)، يمكن أن تحمي المعلومات. وجد المؤلفون أن هذه الحالة تحمي نوعًا مختلفًا من الخصائص عما سيحتاجه الدماغ لاستخدامه في الذاكرة، لذا فهي لا تساعد. وتضمن فكرة أخرى استخدام أنواع مختلفة من الذرات، مثل استبدال الهيدروجين بالكربون أو الفوسفور، لإبطاء التحلل. وبينما أظهرت عمليات المحاكاة أن هذه الاستبدالات يمكن أن تمد عمر الذاكرة إلى أكثر من ثمانية وعشرين مللي ثانية أو حتى واحد وتسعين مللي ثانية، إلا أن هذه الذرات لا توجد بشكل طبيعي في الأزواج الجذرية في الدماغ. لذلك، بينما تعمل هذه الطرق في المختبر، إلا أنها لا تنطبق على النظام البيولوجي المعني. وتخلص الدراسة إلى أن الطريقة الوحيدة لجعل الذاكرة الكمومية تستمر لفترة كافية هي تغيير الذرات الأساسية للنظام، وهو أمر غير ممكن في دماغ بشري حي.

ولإثبات صحة استنتاجهم، يقترح المؤلفون تجربة محددة يمكن إجراؤها في المختبر. يقترحون إنشاء سلسلة من المحاليل ذات سماكات، أو لزوجات، مختلفة لإبطاء حركة جزيئات الإنزيم. ومن خلال قياس المدة التي تستغرقها الذاكرة الكمومية في هذه الظروف المختلفة، يمكن للعلماء معرفة ما إذا كان عمر الذاكرة يتناسب تمامًا كما يتنبأ نموذجهم. إذا تم العثور على بروتين طبيعي غير معدل يمكنه الاحتفاظ بالذاكرة لمدة عشرة مللي ثوانٍ، فسيكون استنتاجهم خاطئًا. ومع ذلك، بناءً على البيانات والمحاكاة الحالية، تشير الأدلة إلى حد نهائي. الحركات الداخلية للبروتينات في الدماغ بطيئة ومنظمة للغاية بحيث لا يمكنها إزالة الضجيج بالسرعة الكافية. تتلاشى الذاكرة الكمومية قبل أن تتاح للعصبون فرصة لاستخدامها، مما يشير إلى أن الدماغ لا يعتمد على هذه الآلية الكمومية المحددة لقدرته على المعالجة.