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)

Per decenni, il cervello umano è stato compreso principalmente come una macchina biologica alimentata da reazioni chimiche. I neuroni sparano, inviando segnali elettrici lungo fili isolati chiamati assoni per comunicare pensieri, sensazioni e comandi. L'isolamento, uno strato grasso noto come mielina, agisce come il rivestimento in plastica su un cavo elettrico, assicurando che questi segnali viaggino velocemente e non perdano energia. Tuttavia, un'idea più recente e controversa ha iniziato a prendere forma: che questo isolamento biologico possa fare molto di più del semplice guidare l'elettricità. Alcuni ricercatori suggeriscono ora che la mielina potrebbe anche agire come una guida d'onda per la luce e altre forme di radiazione, permettendo potenzialmente al cervello di elaborare informazioni in modi che vanno oltre la semplice chimica. Ciò pone una domanda difficile per la fisica: può l'ambiente caldo, umido e caotico di un cervello vivente sostenere gli stati delicati e sincronizzati necessari per un'elaborazione così avanzata? Nel mondo della fisica quantistica, questi stati sincronizzati sono incredibilmente fragili e solitamente collassano istantaneamente quando esposti al calore, un problema noto come decoerenza.

Un nuovo studio del ricercatore indipendente Alfonso Mendoza Orellana affronta direttamente questa questione, proponendo un modello dettagliato, passo dopo passo, di come un singolo segmento di una fibra nervosa mielinizzata possa funzionare come un canale di informazione protetto alla temperatura corporea. La ricerca non sostiene di aver costruito un dispositivo fisico o di aver misurato questi effetti in un essere umano vivente, bensì costruisce una massiccia simulazione trasparente composta da 159 distinti passaggi logici. Questa catena di calcoli collega l'energia prodotta dal metabolismo cerebrale al comportamento di particelle di luce ultra-deboli, o fotoni, e vibrazioni simili al suono, note come fononi, all'interno della struttura del nervo. L'obiettivo era vedere se, sotto specifiche condizioni fisiche, questi componenti potessero lavorare insieme per trasferire informazioni con un'accuratezza quasi perfetta senza fare affidamento sul fenomeno quantistico più famoso e difficile: l'entanglement, dove due particelle diventano inestricabilmente legate attraverso lo spazio.

Il modello inizia con la fonte di energia. Il cervello consuma ossigeno e glucosio per generare potenza, e lo studio calcola che una tipica quantità di tessuto cerebrale produce energia sufficiente a sostenere un flusso piccolo ma costante di emissione luminosa. Questa luce, che viene emessa naturalmente dai tessuti biologici, entra in una cavità microscopica formata dagli strati della guaina mielinica. I ricercatori descrivono questo spazio come una cavità di Casimir, un gap confinato dove le regole della meccanica quantistica creano una pressione specifica che aiuta a organizzare l'ambiente. All'interno di questa cavità, la luce interagisce con le vibrazioni nella struttura. Lo studio simula come queste particelle di luce e le vibrazioni sonore si convertano l'una nell'altra, un processo che avviene con alta efficienza. Fondamentalmente, il modello mostra che questa conversione non è casuale; è strettamente controllata dalle molecole d'acqua circostanti, che i ricercatori suggeriscono possano formare domini coerenti ordinati che agiscono come un mezzo stabile attraverso cui l'informazione può viaggiare.

Mentre la simulazione procede attraverso i suoi 159 passaggi, introduce una serie di controlli e bilanciamenti progettati per proteggere l'informazione. Il modello include un meccanismo che agisce come un filtro, assicurando che solo i segnali con la corretta temporizzazione e fase siano autorizzati a passare. Questo processo di filtraggio è descritto come un quadrante di blocco della fase, che mantiene il sistema sincronizzato. L'informazione si muove quindi attraverso uno stadio finale progettato per trasferire perfettamente lo stato del sistema da un'estremità del segmento nervoso all'altra. Nei risultati di questa simulazione, il sistema raggiunge un'efficienza globale di quasi il 97 percento, il che significa che quasi tutte le informazioni immesse nel canale arrivano intatte all'altro capo. Lo studio riferisce che il sistema può contenere una vasta quantità di dati, stimata in quattro trilioni di bit, e può riempire un miliardo di bit di questa capacità in poco più di nove millisecondi.

Una scoperta chiave di questo lavoro è ciò di cui il sistema non si affida. Mentre molte teorie sulla biologia quantistica si concentrano sull'entanglement, questa simulazione mostra esplicitamente che il sistema funziona senza di esso. Invece, i ricercatori hanno scoperto che la risorsa che guida il processo è la coerenza di fase, uno stato in cui le onde di luce e di suono si muovono in perfetta unisonanza. La simulazione indica che la connessione tra la luce e le molecole d'acqua è così debole in termini di entanglement che è effettivamente nulla, eppure il trasferimento di informazioni rimane robusto. Ciò suggerisce che il cervello possa utilizzare un meccanismo quantistico diverso, forse più pratico, per elaborare le informazioni rispetto a quanto precedentemente pensato. Lo studio esclude anche l'idea che questo processo richieda che il cervello sia freddo o isolato; l'intera catena opera con successo a 310,15 Kelvin, che è la temperatura standard del corpo umano.

I ricercatori sono cauti nel presentare questi risultati come una prova di concetto teorica piuttosto che come un fatto biologico confermato. I numeri e i risultati presentati sono il risultato di una simulazione al computer che segue rigorosamente le leggi della fisica così come sono attualmente intese, utilizzando specificamente equazioni che descrivono come i sistemi aperti interagiscono con il loro ambiente. Il modello è progettato per essere completamente verificabile, con ogni costante, formula e valore registrato in un database pubblico affinché altri possano ispezionarli e testarli. Lo studio conclude che è fisicamente possibile per un assone mielinizzato operare come un canale informativo termodinamicamente finanziato alla temperatura corporea, a condizione che vengano soddisfatte le specifiche condizioni del modello. Per passare da una simulazione a una realtà confermata, l'autore propone diverse previsioni testabili, come la ricerca di pattern specifici nelle onde cerebrali in persone sane rispetto a quelle con una fase iniziale di sclerosi multipla, dove la guaina mielinica è danneggiata. Se questi pattern appaiono o scompaiono come previsto dal modello, ciò fornirebbe una forte evidenza che questo complesso meccanismo di ispirazione quantistica è effettivamente all'opera nel cervello umano vivente.