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

मानव मस्तिष्क एक गीला, गर्म और अराजक स्थान है, एक ऐसा वातावरण जहाँ नाजुक संकेत आमतौर पर लगभग तुरंत शोर में विलीन हो जाते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक यह जानने के लिए उत्सुक रहे हैं कि क्या मस्तिष्क सूचना को संसाधित करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी के विचित्र नियमों का लाभ उठा सकता है, जिसे क्वांटम जीव विज्ञान के रूप में जाना जाता है। एक विशिष्ट विचार यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क के एंजाइमों के भीतर पाए जाने वाले रेडिकल पेयर्स (radical pairs) नामक छोटे, अल्पकालिक आणविक जोड़े, क्वांटम सूचना के भंडारण तंत्र के रूप में कार्य कर सकते हैं। आशा यह है कि इन अणुओं के भीतर परमाणुओं के नाभिक इस स्मृति को इतनी देर तक थामे रख सकें कि वह इस बात को प्रभावित कर सके कि एक न्यूरॉन कैसे फायर करता है, जो कि लगभग दस मिलीसेकंड की प्रक्रिया है। हालाँकि, मस्तिष्क की गर्मी और हलचल आमतौर पर एक सेकंड के एक अंश में ऐसे नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को नष्ट कर देती है। इसे सफल बनाने के लिए, यह सिद्धांत 'मोशनल नैरोइंग' (motional narrowing) नामक एक तंत्र पर निर्भर करता है, जहाँ अणु के भीतर परमाणुओं की तीव्र, अस्थिर गति किसी तरह शोर को औसत (average out) कर देती है और स्मृति के जीवन को बढ़ा देती है।

शोधकर्ता हिकारू वाकुरा और ताइकी तनिमाए के एक नए अध्ययन ने इस विशिष्ट आशा का कठोर परीक्षण किया है। उन्होंने केवल यह नहीं पूछा कि क्या यह विचार सैद्धांतिक रूप से संभव है; उन्होंने एक सटीक गणितीय मॉडल बनाया ताकि यह देखा जा सके कि क्या वास्तविक जैविक प्रणाली के लिए आंकड़े वास्तव में मेल खाते हैं। उनका कार्य एक विशिष्ट एंजाइम 'क्रिप्टोक्रोम' (cryptochrome) पर केंद्रित है, जिसमें अणुओं का एक जोड़ा होता है जो एक रेडिकल पेयर बना सकता है। शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि क्या इस एंजाइम के भीतर परमाणुओं की आंतरिक गति उस समय को कम कर सकती है जिसमें क्वांटम स्मृति फीकी पड़ती है, जिससे इसे आवश्यक दस मिलीसेकंड तक बढ़ाया जा सके। स्थापित भौतिकी पर आधारित विस्तृत सिमुलेशन चलाकर, उन्होंने पाया कि प्रोटीन के भीतर की प्राकृतिक गतियाँ इतनी तेज़ या अराजक नहीं हैं कि वे स्मृति को बचा सकें। क्वांटम अवस्था उस समय से भी आधे से कम समय में लुप्त हो जाती है जो एक न्यूरॉन को संकेत को एकीकृत करने के लिए आवश्यक होता है, जिससे प्रभावी रूप से इस विचार को खारिज कर दिया गया है कि यह विशिष्ट जैविक तंत्र वर्तमान में प्रस्तावित तरीके से मस्तिष्क में क्वांटम प्रसंस्करण का समर्थन कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने शुरुआत में यह परिभाषित किया कि इस प्रणाली के लिए "पर्याप्त" समय का वास्तव में क्या अर्थ है। उन्होंने मेमोरी कैपेसिटी (स्मृति क्षमता) के रूप में ज्ञात एक मानक माप का उपयोग किया कि कोई प्रणाली कितनी जानकारी रख और संसाधित कर सकती है, ताकि एक सख्त सीमा निर्धारित की जा सके। मस्तिष्क की क्वांटम स्मृति के उपयोगी होने के लिए, इसे कम से कम दस मिलीसेकंड तक जीवित रहना चाहिए। टीम ने फ्लेविन (flavin) अणु और ट्रिप्टोफैन (tryptophan) अणु द्वारा बनाए गए रेडिकल पेयर में यह गणना की कि स्मृति कितनी देर तक रहेगी, जो मस्तिष्क में मौजूद होते हैं। एक शांत, स्थिर वातावरण में, यह स्मृति दो मिलीसेकंड से भी कम समय में गायब हो जाएगी। इस जीवन को बढ़ाने का एकमात्र तरीका मोशनल नैरोइंग है, जहाँ अणु के आंतरिक भाग इतनी तेज़ी से घूमते और कंपन करते हैं कि वे उन चुंबकीय अंतःक्रियाओं को धुंधला (blur out) देते हैं जो स्मृति के क्षय का कारण बनती हैं। शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि क्या अणु के एक छोटे हिस्से, विशेष रूप से फ्लेविन से जुड़े मिथाइल समूह (methyl group) का प्राकृतिक घूर्णन, यह आवश्यक धुंधलापन प्रदान कर सकता है।

परिणाम स्पष्ट और मात्रात्मक थे। मिथाइल समूह का घूर्णन होता तो है, लेकिन यह चुंबकीय शोर को पूरी तरह से औसत करने के लिए पर्याप्त अराजक नहीं है। अध्ययन ने गणना की कि स्मृति को पूरे दस मिलीसेकंड तक बनाए रखने के लिए, आंतरिक गति को मूल चुंबकीय व्यवस्था का सात प्रतिशत से भी कम हिस्सा शेष छोड़ना होगा। हालाँकि, मिथाइल समूह का वास्तविक घूर्णन उस व्यवस्था के लगभग पच्चीस प्रतिशत को अप्रभावित छोड़ देता है। क्योंकि गति बहुत सीमित है, स्मृति केवल लगभग सात मिलीसेकंड तक ही चलती है। यह न्यूरल कंप्यूटेशन के लिए आवश्यक दस-मिलीसेकंड की खिड़की से कम है। शोधकर्ताओं ने विभिन्न अनिश्चितताओं की जाँच की, जैसे कि प्रोटीन के चारों ओर कितना पानी है या आसपास का तरल कितना घना है, और हर परिदृश्य में, स्मृति बहुत जल्दी फीकी पड़ गई। अंतर इतना सूक्ष्म है कि इसे महत्वपूर्ण माना जाए: परिणाम को एक श्रेणीगत बहिष्कार के बजाय एक तीक्ष्ण मात्रात्मक सीमा के रूप में पढ़ा जाना चाहिए, क्योंकि मिथाइल C–H वेक्टर पर एक रजिस्टर, प्रोटॉन-प्रोटॉन जोड़े के बजाय, मामूली रूप से बैंड के भीतर स्थित हो सकता है।

लेख ने अन्य विचारों की भी जांच की जो इस क्वांटम स्मृति को बचाने के लिए प्रस्तावित किए गए थे। एक सुझाव यह था कि एक विशेष क्वांटम अवस्था, जिसे 'लॉन्ग-लिव्ड सिंगलेट' (long-lived singlet) कहा जाता है, सूचना की रक्षा कर सकती है। लेखकों ने पाया कि यह अवस्था एक अलग प्रकार के गुण की रक्षा करती है जिसकी मस्तिष्क को स्मृति के लिए आवश्यकता होगी, इसलिए यह मदद नहीं करती है। एक अन्य विचार में अलग प्रकार के परमाणुओं का उपयोग करना शामिल था, जैसे कि हाइड्रोजन को कार्बन या फास्फोरस से बदलना, ताकि क्षय को धीमा किया जा सके। जबकि सिमुलेशन ने दिखाया कि ये प्रतिस्थापन स्मृति जीवन को अट्ठाईस मिलीसेकंड से अधिक या यहाँ तक कि इक्यानवे मिलीसेकंड तक बढ़ा सकते हैं, ये परमाणु मस्तिष्क के रेडिकल पेयर्स में स्वाभाविक रूप से नहीं पाए जाते हैं। इसलिए, जबकि ये विधियाँ प्रयोगशाला सेटिंग में काम करती हैं, वे विचाराधीन जैविक प्रणाली पर लागू नहीं होती हैं। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि क्वांटम स्मृति को पर्याप्त समय तक बनाए रखने का एकमात्र तरीका प्रणाली के मौलिक परमाणुओं को बदलना है, जो जीवित मानव मस्तिष्क में संभव नहीं है।

अपने निष्कर्ष को सही साबित करने के लिए, लेखक एक विशिष्ट प्रयोग का प्रस्ताव करते हैं जिसे लैब में किया जा सकता है। वे विभिन्न मोटाई, या श्यानता (viscosity) वाले समाधानों की एक श्रृंखला बनाने का सुझाव देते हैं, ताकि एंजाइम अणुओं की गति को धीमा किया जा सके। विभिन्न स्थितियों में क्वांटम स्मृति कितनी देर तक रहती है, इसे मापकर, वैज्ञानिक देख सकते हैं कि क्या स्मृति का जीवनकाल बिल्कुल वैसा ही बढ़ता है जैसा कि उनका मॉडल भविष्यवाणी करता है। यदि कभी कोई प्राकृतिक, अपरिवर्तित प्रोटीन मिलता है जो स्मृति को दस मिलीसेकंड तक थाम सकता है, तो उनका निष्कर्ष गलत होगा। हालाँकि, वर्तमान डेटा और सिमुलेशन के आधार पर, साक्ष्य एक निश्चित सीमा की ओर संकेत करते हैं। मस्तिष्क में प्रोटीन की आंतरिक गतियाँ शोर को साफ करने के लिए बहुत धीमी और बहुत व्यवस्थित हैं। क्वांटम स्मृति न्यूरॉन के उपयोग करने से पहले ही फीकी पड़ जाती है, जो यह सुझाव देती है कि मस्तिष्क अपने प्रसंस्करण शक्ति के लिए इस विशेष क्वांटम तंत्र पर निर्भर नहीं करता है।