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

El cerebro humano es un lugar húmedo, cálido y caótico, un entorno donde las señales delicadas suelen disolverse en ruido casi instantáneamente. Durante décadas, los científicos se han preguntado si el cerebro podría aprovechar las extrañas reglas de la mecánica cuántica para procesar información, un campo de investigación conocido como biología cuántica. Una idea específica sugiere que pares diminutos y de vida corta de moléculas llamadas pares de radicales, que se encuentran en las enzimas dentro del cerebro, podrían actuar como un sistema de almacenamiento de información cuántica. La esperanza es que los núcleos de los átomos dentro de estas moléculas puedan retener una memoria lo suficiente como para influir en cómo se dispara una neurona, un proceso que toma unos diez milisegundos. Sin embargo, el calor y el movimiento del cerebro suelen destruir tales estados cuánticos tan delicados en una fracción de segundo. Para que esto funcione, la teoría se apoya en un mecanismo llamado estrechamiento motional (motional narrowing), donde el movimiento rápido y errático de los átomos dentro de la molécula de alguna manera promedia el ruido y extiende la vida de la memoria.

Un nuevo estudio de los investigadores Hikaru Wakaura y Taiki Tanimae pone esta esperanza específica a una prueba rigurosa. No se limitaron a preguntar si la idea era posible en teoría; construyeron un modelo matemático preciso para ver si los números realmente cuadran para un sistema biológico real. Su trabajo se centra en una enzima específica llamada criptocromo, que contiene un par de moléculas que pueden formar un par de radicales. Los investigadores examinaron si el movimiento interno de los átomos dentro de esta enzima podría acortar el tiempo que tarda la memoria cuántica en desvanecerse, extendiéndola así a los diez milisegundos requeridos. Al realizar simulaciones detalladas basadas en la física establecida, descubrieron que los movimientos naturales dentro de la proteína no son lo suficientemente rápidos o caóticos como para salvar la memoria. El estado cuántico se desvanece en menos de la mitad del tiempo necesario para que una neurona integre una señal, descartando efectivamente la idea de que este mecanismo biológico específico puede soportar el procesamiento cuántico en el cerebro tal como se propone actualmente.

Los investigadores comenzaron definiendo exactamente qué significa "suficiente" tiempo para este sistema. Utilizaron una medida estándar de cuánta información puede contener y procesar un sistema, conocida como capacidad de memoria, para establecer un límite estricto. Para que la memoria cuántica del cerebro sea útil, debe sobrevivir al menos diez milisegundos. El equipo calculó cuánto duraría la memoria en un par de radicales formado por una molécula de flavina y una molécula de triptófano, que se sabe que existen en el cerebro. En un entorno tranquilo y quieto, esta memoria desaparecería en menos de dos milisegundos. La única forma de extender esta vida es mediante el estrechamiento motional, donde las partes internas de la molécula giran y vibran tan rápidamente que difuminan las interacciones magnéticas que causan la degradación de la memoria. Los investigadores probaron si la rotación natural de una pequeña parte de la molécula, específicamente un grupo metilo unido a la flavina, podría proporcionar este difuminado necesario.

Los resultados fueron claros y cuantitativos. La rotación de este grupo metilo ocurre, pero no es lo suficientemente caótica como para promediar completamente el ruido magnético. El estudio calculó que, para que la memoria durara los diez milisegios completos, el movimiento interno tendría que dejar intactas menos del siete por ciento de la orden magnética original. Sin embargo, la rotación real del grupo metilo deja aproximadamente el veinticinco por ciento de esa orden intacta. Debido a que el movimiento es demasiado restringido, la memoria solo dura unos siete milisegundos. Esto queda por debajo de la ventana de diez milisegundos requerida para la computación neuronal. Los investigadores verificaron su trabajo frente a diversas incertidumbres, como cuánta agua rodea a la proteína o qué tan denso es el fluido circundante, y en cada escenario, la memoria se desvanecía demasiado rápido. El margen es lo suficientemente estrecho como para importar: el resultado se lee mejor como un límite cuantitativo agudo más que como una exclusión categórica, ya que un registro en el vector C–H del metilo en lugar del par protón-protón se situaría marginalmente dentro de la banda.

El artículo también examinó otras ideas que se habían propuesto para salvar esta memoria cuántica. Una sugerencia fue que un estado cuántico especial, conocido como singlete de larga duración, podría proteger la información. Los autores encontraron que este estado protege una propiedad diferente a la que el cerebro necesitaría usar para la memoria, por lo que no ayuda. Otra idea involucraba el uso de diferentes tipos de átomos, como reemplazar el hidrógeno con carbono o fósforo, para ralentizar la degradación. Si bien las simulaciones mostraron que estas sustituciones podrían extender la vida de la memoria a más de veintiocho milisegundos o incluso noventa y un milisegundos, estos átomos no se encuentran naturalmente en los pares de radicales del cerebro. Por lo tanto, aunque estos métodos funcionan en un entorno de laboratorio, no se aplican al sistema biológico en cuestión. El estudio concluye que la única forma de hacer que la memoria cuántica dure lo suficiente es cambiar los átomos fundamentales del sistema, lo cual no es posible en un cerebro humano vivo.

Para demostrar que su conclusión es correcta, los autores proponen un experimento específico que podría realizarse en un laboratorio. Sugieren crear una serie de soluciones con diferentes espesores, o viscosidades, para ralentizar el movimiento de las moléculas de la enzima. Al medir cuánto dura la memoria cuántica en estas diferentes condiciones, los científicos podrían ver si la vida de la memoria escala exactamente como predice su modelo. Si alguna vez se encuentra una proteína natural y no modificada que pueda mantener la memoria durante diez milisegundos, su conclusión sería errónea. Sin embargo, basándose en los datos y simulaciones actuales, la evidencia apunta a un límite definitivo. Los movimientos internos de las proteínas en el cerebro son simplemente demasiado lentos y ordenados para limpiar el ruido lo suficientemente rápido. La memoria cuántica se desvanece antes de que la neurona tenga la oportunidad de usarla, lo que sugiere que el cerebro no depende de este mecanismo cuántico particular para su potencia de procesamiento.