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)

द दशकों से, मानव मस्तिष्क को मुख्य रूप से रासायनिक प्रतिक्रियाओं द्वारा संचालित एक जैविक मशीन के रूप में समझा जाता रहा है। न्यूरॉन्स फायर करते हैं, विचारों, संवेदनाओं और आदेशों को संचारित करने के लिए एक्सोन (axons) नामक इंसुलेटेड तारों के माध्यम से विद्युत संकेत भेजते हैं। यह इन्सुलेशन, जिसे माइलिन (myelin) नामक वसायुक्त परत कहा जाता है, एक विद्युत केबल पर लगे प्लास्टिक कोटिंग की तरह कार्य करता है, जो यह सुनिश्चित करता है कि ये संकेत तेजी से चलें और लीक न हों। हालांकि, एक नया और अधिक विवादास्पद विचार आकार लेने लगा है: कि यह जैविक इन्सुलेशन केवल बिजली को निर्देशित करने से कहीं अधिक कार्य कर सकता है। कुछ शोधकर्ता अब यह सुझाव दे रहे हैं कि माइलिन प्रकाश और अन्य प्रकार के विकिरण के लिए एक 'वेवगाइड' (waveguide) के रूप में भी कार्य कर सकता है, जिससे मस्तिष्क सरल रसायन विज्ञान से परे सूचनाओं को संसाधित करने में सक्षम हो सकता है। यह भौतिकी के लिए एक कठिन प्रश्न खड़ा करता है: क्या जीवित मस्तिष्क का गर्म, गीला और अराजक वातावरण इस तरह के उन्नत प्रसंस्करण के लिए आवश्यक नाजुक, सिंक्रोनाइज़्ड अवस्थाओं को बनाए रख सकता है? क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, ये सिंक्रोनाइज़्ड अवस्थाएं अविश्वसनीय रूप से नाजुक होती हैं और गर्मी के संपर्क में आते ही तुरंत ढह जाती हैं, जिसे 'डिकोहेरेंस' (decoherence) की समस्या के रूप में जाना जाता है।

स्वतंत्र शोधकर्ता अल्फोंसो मेंडेज़ा ओरेलाना का एक नया अध्ययन इस प्रश्न को सीधे संबोधित करता है, जो एक विस्तृत, चरण-दर-चरण मॉडल प्रस्तावित करता है कि कैसे माइलिनेटेड तंत्रिका तंतु (nerve fiber) का एक एकल खंड शरीर के तापमान पर एक संरक्षित सूचना चैनल के रूप में कार्य कर सकता है। यह शोध यह दावा नहीं करता है कि इसने अभी तक कोई भौतिक उपकरण बनाया है या जीवित मानव में इन प्रभावों को मापा है; इसके बजाय, यह 159 विशिष्ट तार्किक चरणों से बना एक विशाल, पारदर्शी सिमुलेशन तैयार करता है। गणनाओं की यह श्रृंखला मस्तिष्क के चयापचय (metabolism) से उत्पन्न ऊर्जा को प्रकाश के अति-सूक्ष्म कणों (फोटॉन) और ध्वनि जैसी तरंगों (फोनोन) के व्यवहार से जोड़ती है, जो तंत्रिका की संरचना के भीतर मौजूद होते हैं। लक्ष्य यह देखना था कि क्या विशिष्ट भौतिक परिस्थितियों के तहत, ये घटक सबसे प्रसिद्ध और कठिन क्वांटिक घटना—'एंटैंगलमेंट' (entanglement), जहाँ दो कण अंतरिक्ष में एक-दूसरे से अटूट रूप से जुड़ जाते हैं—पर निर्भर किए बिना, पूर्ण सटीकता के साथ सूचना स्थानांतरित कर सकते हैं।

मॉडल ऊर्जा स्रोत से शुरू होता है। मस्तिष्क शक्ति उत्पन्न करने के लिए ऑक्सीजन और ग्लूकोज का उपभोग करता है, और अध्ययन की गणना बताती है कि मस्तिष्क ऊतक की एक विशिष्ट मात्रा प्रकाश उत्सर्जन की एक सूक्ष्म लेकिन स्थिर धारा का समर्थन करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा उत्पन्न करती है। यह प्रकाश, जो जैविक ऊतकों द्वारा स्वाभाविक रूप से उत्सर्जित होता है, माइलिन शीथ की परतों द्वारा निर्मित एक सूक्ष्म गुहा (cavity) में प्रवेश करता है। शोधकर्ता इस स्थान को एक 'कैसिमिर कैविटी' (Casimir cavity) के रूप में वर्णित करते हैं, जो एक सीमित अंतराल है जहाँ क्वांटम यांत्रिकी के नियम एक विशिष्ट दबाव बनाते हैं जो वातावरण को व्यवस्थित करने में मदद करता है। इस कैविटी के भीतर, प्रकाश संरचना में होने वाले कंपन के साथ परस्पर क्रिया करता है। अध्ययन सिम्युलेट करता है कि कैसे ये प्रकाश कण और ध्वनि कंपन एक-दूसरे में परिवर्तित होते हैं, जो एक उच्च दक्षता के साथ होने वाली प्रक्रिया है। महत्वपूर्ण रूप से, मॉडल दिखाता है कि यह रूपांतरण यादृच्छिक (random) नहीं है; यह आसपास के पानी के अणुओं द्वारा कड़ाई से नियंत्रित है, जिन्हें शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि व्यवस्थित, सुसंगत डोमेन (coherent domains) बना सकते हैं जो सूचना के यात्रा करने के लिए एक स्थिर माध्यम के रूप में कार्य करते हैं।

जैसे-जैसे सिमुलेशन अपने 159 चरणों में आगे बढ़ता है, यह सूचना को सुरक्षित रखने के लिए डिज़ाइन किए गए नियंत्रणों और संतुलन की एक श्रृंखला पेश करता है। मॉडल में एक तंत्र शामिल है जो एक फिल्टर की तरह कार्य करता है, यह सुनिश्चित करता है कि केवल सही समय और चरण (phase) वाले संकेतों को ही गुजरने दिया जाए। इस फ़िल्टरिंग प्रक्रिया को एक 'फेज़-लॉकिंग डायल' (phase-locking dial) के रूप में वर्णित किया गया है, जो सिस्टम को सिंक्रोनाइज़ रखता है। सूचना फिर एक अंतिम चरण के माध्यम से चलती है जिसे तंत्रिका खंड के एक छोर से दूसरे छोर तक सिस्टम की अवस्था को पूरी तरह से स्थानांतरित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस सिमुलेशन के परिणामों में, सिस्टम लगभग 97 प्रतिशत की वैश्विक दक्षता प्राप्त करता है, जिसका अर्थ है कि चैनल में डाली गई लगभग सभी सूचना बिना किसी बाधा के दूसरे छोर पर पहुँच जाती है। अध्ययन रिपोर्ट करता है कि सिस्टम डेटा की एक विशाल मात्रा धारण कर सकता है, जिसका अनुमान चार ट्रिलियन बिट्स है, और यह नौ मिलीसेकंड के कुछ ही समय में एक अरब बिट्स की क्षमता को भर सकता है।

इस कार्य का एक प्रमुख निष्कर्ष वह है जिस पर सिस्टम निर्भर नहीं करता है। जबकि क्वांटम जीव विज्ञान के बारे में कई सिद्धांत एंटैंगलमेंट पर ध्यान केंद्रित करते हैं, यह सिमुलेशन स्पष्ट रूप से दिखाता है कि सिस्टम इसके बिना कार्य करता है। इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने पाया कि इस प्रक्रिया को चलाने वाला संसाधन 'फेज़ कोहेरेंस' (phase coherence) है, एक ऐसी अवस्था जहाँ प्रकाश और ध्वनि की तरंगें पूर्ण सामंजस्य में चलती हैं। सिमुलेशन इंगिकाता है कि प्रकाश और पानी के अणुओं के बीच का संबंध एंटैंगलमेंट के मामले में इतना कमजोर है कि वह प्रभावी रूप से शून्य है, फिर भी सूचना का हस्तांतरण सुदृढ़ बना रहता है। यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क सूचना को संसाधित करने के लिए पहले की तुलना में एक अलग, शायद अधिक व्यावहारिक, क्वांटम तंत्र का उपयोग कर सकता है। अध्ययन इस विचार को भी खारिज करता है कि इस प्रक्रिया के लिए मस्तिष्क के ठंडे या अलग होने की आवश्यकता है; पूरी श्रृंखला 310.15 केल्विन पर सफलतापूर्वक संचालित होती है, जो मानव शरीर का मानक तापमान है।

शोधकर्ता इन परिणामों को एक पुष्ट जैविक तथ्य के बजाय एक सैद्धांतिक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' (proof of concept) के रूप में फ्रेम करने में सावधान हैं। प्रस्तुत संख्याएं और परिणाम एक कंप्यूटर सिमुलेशन का परिणाम हैं जो भौतिकी के वर्तमान नियमों का सख्ती से पालन करता है, विशेष रूप से उन समीकरणों का उपयोग करता है जो वर्णन करते हैं कि खुले सिस्टम (open systems) अपने वातावरण के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। मॉडल पूरी तरह से ऑडिट योग्य बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिसमें प्रत्येक स्थिरांक (constant), सूत्र और मान को निरीक्षण और परीक्षण के लिए एक सार्वजनिक डेटाबेस में दर्ज किया गया है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह भौतिक रूप से संभव है कि एक माइलिनेटेड एक्सोन शरीर के तापमान पर एक थर्मोडायनामिक रूप से वित्तपोषित सूचना चैनल के रूप में कार्य करे, बशर्ते मॉडल की विशिष्ट शर्तें पूरी हों। सिमुलेशन से एक पुष्ट वास्तविकता तक जाने के लिए, लेखक कई परीक्षण योग्य भविष्यवाणियां प्रस्तावित करता है, जैसे कि स्वस्थ लोगों बनाम शुरुआती चरण के मल्टीपल स्केलेरोसिस (multiple sclerosis) वाले लोगों में ब्रेन वेव्स के विशिष्ट पैटर्न की तलाश करना, जहाँ माइलिन शीथ क्षतिग्रस्त हो जाती है। यदि ये पैटर्न मॉडल के अनुसार प्रकट या लुप्त होते हैं, तो यह प्रमाण होगा कि यह जटिल, क्वांटम-प्रेरित तंत्र वास्तव में जीवित मानव मस्तिष्क में काम कर रहा है।