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

Le cerveau humain est un lieu humide, chaud et chaotique, un environnement où les signaux délicats se dissolvent généralement en bruit presque instantanément. Pendant des décennies, les scientifiques se sont demandé si le cerveau pouvait exploiter les règles étranges de la mécanique quantique pour traiter l'information, un domaine de recherche connu sous le nom de biologie quantique. Une idée spécifique suggère que de petites paires de molécules éphémères appelées paires de radicaux, présentes dans les enzymes du cerveau, pourraient agir comme un système de stockage d'informations quantiques. L'espoir est que les noyaux d'atomes au sein de ces molécules puissent conserver une mémoire suffisamment longtemps pour influencer la façon dont un neurone décharge, un processus qui prend environ dix millisecondes. Cependant, la chaleur et le mouvement du cerveau détruisent habituellement des états quantiques aussi délicats en une fraction de seconde. Pour que cela fonctionne, la théorie repose sur un mécanisme appelé rétrécissement de mouvement (motional narrowing), où le mouvement rapide et saccadé des atomes à l'intérieur de la molécule parvient d'une manière ou d'une autre à moyenner le bruit et à prolonger la durée de vie de la mémoire.

Une nouvelle étude menée par les chercheurs Hikaru Wakaura et Taiki Tanimae met cette espérance spécifique à l'épreuve de manière rigoureuse. Ils ne se sont pas contentés de demander si l'idée était théoriquement possible ; ils ont construit un modèle mathématique précis pour voir si les chiffres concordent réellement avec un système biologique réel. Leurs travaux se concentrent sur une enzyme spécifique appelée cryptochrome, qui contient une paire de molécules capables de former une paire de radicaux. Les chercheurs ont examiné si le mouvement interne des atomes au sein de cette enzyme pouvait raccourcir le temps nécessaire pour que la mémoire quantique s'estompe, prolongeant ainsi sa durée de vie jusqu'aux dix millisecondes requises. En effectuant des simulations détaillées basées sur la physique établie, ils ont découvert que les mouvements naturels à l'intérieur de la protéine ne sont pas assez rapides ou chaotiques pour sauver la mémoire. L'état quantique s'estompe en moins de la moitié du temps nécessaire pour qu'un neurone intègre un signal, invalidant ainsi l'idée que ce mécanisme biologique spécifique peut soutenir le traitement quantique dans le cerveau tel qu'il est actuellement proposé.

Les chercheurs ont commencé par définir précisément ce que signifie un temps « suffisant » pour ce système. Ils ont utilisé une mesure standard de la quantité d'informations qu'un système peut contenir et traiter, connue sous le nom de capacité de mémoire, pour fixer une limite stricte. Pour que la mémoire quantique du cerveau soit utile, elle doit survivre pendant au moins dix millisecondes. L'équipe a calculé combien de temps la mémoire durerait dans une paire de radicaux formée par une molécule de flavine et une molécule de tryptophane, qui sont connues pour exister dans le cerveau. Dans un environnement calme et immobile, cette mémoire disparaîtrait en moins de deux millisecondes. La seule façon de prolonger cette vie est par le biais du rétrécissement de mouvement, où les parties internes de la molécule tournent et vibrent si rapidement qu'elles brouillent les interactions magnétiques qui causent la décomposition de la mémoire. Les chercheurs ont testé si la rotation naturelle d'une petite partie de la molécule, spécifiquement un groupe méthyle attaché à la flavine, pouvait fournir ce flou nécessaire.

Les résultats étaient clairs et quantitatifs. La rotation de ce groupe méthyle a bien lieu, mais elle n'est pas assez chaotique pour moyenner complètement le bruit magnétique. L'étude a calculé que pour que la mémoire dure les dix millisecondes complètes, le mouvement interne devrait laisser moins de sept pour cent de l'ordre magnétique original intact. Cependant, la rotation réelle du groupe méthyle laisse environ vingt-cinq pour cent de cet ordre intact. Parce que le mouvement est trop restreint, la mémoire ne dure qu'environ sept millisecondes. Cela est inférieur à la fenêtre de dix millisecondes requise pour le calcul neuronal. Les chercheurs ont vérifié leur travail par rapport à diverses incertitudes, telles que la quantité d'eau entourant la protéine ou la densité du fluide environnant, et dans chaque scénario, la mémoire s'estompait trop rapidement. La marge est suffisamment étroite pour être significative : le résultat est mieux interprété comme une limite quantitative nette plutôt que comme une exclusion catégorique, car un registre sur le vecteur C–H du méthyle plutôt que sur la paire proton–proton se situerait marginalement à l'intérieur de la bande.

L'article a également examiné d'autres idées qui avaient été proposées pour sauver cette mémoire quantique. Une suggestion était qu'un état quantique spécial, connu sous le nom de singulet à longue durée de vie, pourrait protéger l'information. Les auteurs ont constaté que cet état protège une propriété différente de celle dont le cerveau aurait besoin pour la mémoire, il n'aide donc pas. Une autre idée impliquait l'utilisation de différents types d'atomes, comme le remplacement de l'hydrogène par le carbone ou le phosphore, pour ralentir la décomposition. Bien que les simulations aient montré que ces substitutions pourraient prolonger la durée de vie de la mémoire à plus de vingt-huit millisecondes ou même quatre-vingt-onze millisecondes, ces atomes ne sont pas naturellement présents dans les paires de radicaux du cerveau. Par conséquent, bien que ces méthodes fonctionnent dans un cadre de laboratoire, elles ne s'appliquent pas au système biologique en question. L'étude conclut que la seule façon de faire durer la mémoire quantique suffisamment longtemps est de changer les atomes fondamentaux du système, ce qui n'est pas possible dans un cerveau humain vivant.

Pour prouver la justesse de leur conclusion, les auteurs proposent une expérience spécifique qui pourrait être réalisée en laboratoire. Ils suggèrent de créer une série de solutions avec différentes épaisseurs, ou viscosités, pour ralentir le mouvement des molécules d'enzyme. En mesurant la durée de vie de la mémoire quantique dans ces différentes conditions, les scientifiques pourraient voir si la durée de vie de la mémoire suit exactement ce que prédit leur modèle. Si une protéine naturelle, non modifiée, est un jour découverte capable de maintenir la mémoire pendant dix millisecondes, leur conclusion sera erronée. Cependant, sur la base des données et des simulations actuelles, les preuves pointent vers une limite définitive. Les mouvements internes des protéines dans le cerveau sont simplement trop lents et trop ordonnés pour éliminer le bruit assez rapidement. La mémoire quantique s'estompe avant que le neurone ait la chance de l'utiliser, suggérant que le cerveau ne repose pas sur ce mécanisme quantique particulier pour sa puissance de traitement.