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

Das menschliche Gehirn ist ein nasser, warmer und chaotischer Ort, eine Umgebung, in der sich feine Signale normalerweise fast augenblicklich in Rauschen auflösen. Jahrzehntelang haben sich Wissenschaftler gefragt, ob das Gehirn die seltsamen Regeln der Quantenmechanik nutzen könnte, um Informationen zu verarbeiten – ein Forschungsfeld, das als Quantenbiologie bekannt ist. Eine spezifische Idee besagt, dass winzige, kurzlebige Paare von Molekülen, sogenannte Radikalpaare, die in Enzymen im Gehirn vorkommen, als Speichersystem für Quanteninformationen fungieren könnten. Die Hoffnung ist, dass die Atomkerne innerhalb dieser Moleküle ein Gedächtnis lange genug festhalten können, um die Art und Weise zu beeinflussen, wie ein Neuron feuert, ein Prozess, der etwa zehn Millisekunden dauert. Die Hitze und die Bewegung des Gehirns zerstören jedoch normalerweise solche empfindlichen Quantenzustände in einem Bruchteil einer Sekunde. Um dies zu ermöglichen, stützt sich die Theorie auf einen Mechanismus namens „Motional Narrowing“ (Bewegungsverengung), bei dem die schnelle, zappelnde Bewegung der Atome innerhalb des Moleküls das Rauschen gewissermaßen ausmittelt und die Lebensdauer des Gedächtnisses verlängert.

Eine neue Studie der Forscher Hikaru Wakaura und Taiki Tanimae unterzieht diese spezifische Hoffnung einem strengen Test. Sie fragten nicht einfach, ob die Idee theoretisch möglich sei; sie bauten ein präzises mathematisches Modell, um zu sehen, ob die Zahlen für ein echliches biologisches System tatsächlich aufgehen. Ihre Arbeit konzentriert sich auf ein spezifisches Enzym namens Cryptochrom, das ein Paar von Molekülen enthält, die ein Radikalpaar bilden können. Die Forscher untersuchten, ob die interne Bewegung der Atome innerhalb dieses Enzyms die Zeit verkürzen könnte, die das Quantengedächtnis zum Verblassen benötigt, um es dadurch auf die erforderlichen zehn Millisekunden zu verlängern. Durch die Durchführung detaillierter Simulationen basierend auf etablierter Physik fanden sie heraus, dass die natürlichen Bewegungen innerhalb des Proteins nicht schnell oder chaotisch genug sind, um das Gedächtnis zu retten. Der Quantenzustand verblasst in weniger als der Hälfte der Zeit, die ein Neuron benötigt, um ein Signal zu integrieren, was die Idee effektiv ausschließt, dass dieser spezifische biologische Mechanismus die Quantenverarbeitung im Gehirn wie derzeit vorgeschlagen unterstützen kann.

Die Forscher begannen damit, genau zu definieren, was „genug“ Zeit für dieses System bedeutet. Sie verwendeten ein Standardmaß dafür, wie viel Information ein System halten und verarbeiten kann, bekannt als Gedächtniskapazität, um eine harte Grenze zu setzen. Damit das Quantengedächtnis des Gehirns nützlich ist, muss es mindestens zehn Millisekunden überdauern. Das Team berechnete, wie lange das Gedächtnis in einem Radikalpaar halten würde, das aus einem Flavin-Molekül und einem Tryptophan-Molekül besteht, welche im Gehirn bekannt vorzukommen sind. In einer ruhigen, unbewegten Umgebung würde dieses Gedächtnis in weniger als zwei Millisekunden verschwinden. Der einzige Weg, dieses Leben zu verlängern, ist die Bewegungsverengung, bei der die inneren Teile des Moleküls so schnell rotieren und vibrieren, dass sie die magnetischen Wechselwirkungen, die das Verblassen des Gedächtnisses verursachen, verschleiern. Die Forscher testeten, ob die natürliche Rotation eines kleinen Teils des Moleküls, spezifisch einer Methylgruppe, die an das Flavin gebunden ist, diesen notwendigen Schleier bieten könnte.

Die Ergebnisse waren klar und quantitativ. Die Rotation dieser Methylgruppe findet zwar statt, ist aber nicht chaotisch genug, um das magnetische Rauschen vollständig auszumitteln. Die Studie berechnete, dass für die Dauer des Gedächtnisses von vollen zehn Millisekunden die interne Bewegung so stark sein müsste, dass weniger als sieben Prozent der ursprünglichen magnetischen Ordnung intakt bleiben. Die tatsächliche Rotation der Methylgruppe lässt jedoch etwa 25 Prozent dieser Ordnung unberührt. Da die Bewegung zu eingeschränkt ist, hält das Gedächtnis nur etwa sieben Millisekunden durch. Dies liegt unter dem zehn-Millisekunden-Fenster, das für die neuronale Berechnung erforderlich ist. Die Forscher überprüften ihre Arbeit gegen verschiedene Unsicherheiten, wie etwa wie viel Wasser das Protein umgibt oder wie dicht die umgebende Flüssigkeit ist, und in jedem Szenario verblasste das Gedächsten zu schnell. Die Spanne ist eng genug, um von Bedeutung zu sein: Das Ergebnis wird am besten als eine scharfe quantitative Grenze gelesen, da ein Register auf dem Methyl-C–H-Vektor anstelle des Proton–Proton-Paares gerade noch innerhalb des Bandes liegen würde.

Das Paper untersuchte auch andere Ideen, die vorgeschlagen worden waren, um dieses Quantengedächtnis zu retten. Ein Vorschlag war, dass ein spezieller Quantenzustand, bekannt als langlebiges Singulett, die Information schützen könnte. Die Autoren fanden heraus, dass dieser Zustand eine andere Eigenschaft schützt als diejenige, die das Gehirn für das Gedächtnis nutzen müsste, weshalb er nicht hilft. Eine andere Idee beinhaltete die Verwendung anderer Arten von Atomen, wie etwa den Ersatz von Wasserstoff durch Kohlenstoff oder Phosphor, um den Zerfall zu verlangsamen. Während die Simulationen zeigten, dass diese Substitutionen die Lebensdauer des Gedächtnisses auf über 28 Millisekunden oder sogar 91 Millisekunden verlängern könnten, sind diese Atome in den Radikalpaaren des Gehirns nicht natürlich vorhanden. Daher funktionieren diese Methoden zwar in einer Laborumgebung, treffen aber nicht auf das betreffende biologische System zu. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass der einzige Weg, das Quantengedächtnis lang genug bestehen zu lassen, darin besteht, die fundamentalen Atome des Systems zu ändern, was in einem lebenden menschlichen Gehirn nicht möglich ist.

Um ihr Fazit zu beweisen, schlagen die Autoren ein spezifisches Experiment vor, das im Labor durchgeführt werden könnte. Sie schlagen vor, eine Reihe von Lösungen mit unterschiedlichen Dicken, oder Viskositäten, zu erstellen, um die Bewegung der Enzymmoleküle zu verlangsamen. Indem Wissenschaftler messen, wie lange das Quantengedächtnis unter diesen verschiedenen Bedingungen anhält, könnten sie sehen, ob die Lebensdauer des Gedächtnisses exakt so skaliert, wie ihr Modell es vorhersagt. Sollte jemals ein natürliches, unverändertes Protein gefunden werden, das das Gedächtnis für zehn Millisekunden halten kann, wäre ihre Schlussfolgerung falsch. Basierend auf den aktuellen Daten und Simulationen deutet die Evidenz jedoch auf eine definitive Grenze hin. Die internen Bewegungen der Proteine im Gehirn sind schlichtweg zu langsam und zu geordnet, um das Rauschen schnell genug zu beseitigen. Das Quantengedächtnis verblasst, bevor das Neuron die Chance hat, es zu nutzen, was darauf hindeutet, dass das Gehirn sich nicht auf diesen speziellen Quantenmechanismus für seine Rechenleistung verlässt.