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

Il cervello umano è un luogo umido, caldo e caotico, un ambiente in cui segnali delicati solitamente si dissolvono in rumore quasi istantaneamente. Per decenni, gli scienziati si sono chiesti se il cervello potesse sfruttare le strane regole della meccanica quantistica per elaborare informazioni, un campo di indagine noto come biologia quantistica. Un'idea specifica suggerisce che coppie di molecole minuscole e a vita breve, chiamate coppie radicaliche, presenti negli enzimi del cervello, potrebbero agire come un sistema di archiviazione per l'informazione quantistica. La speranza è che i nuclei degli atomi all'interno di queste molecole possano conservare una memoria abbastanza a lungo da influenzare il modo in cui un neurone si attiva, un processo che richiede circa dieci millisecondi. Tuttavia, il calore e il movimento del cervello solitamente distruggono tali stati quantistici delicati in una frazione di secondo. Per far sì che ciò funzioni, la teoria si affida a un meccanismo chiamato restringimento per moto (motional narrowing), in cui il movimento rapido e frenetico degli atomi all'interno della molecola riesce in qualche modo a mediare il rumore ed estendere la durata della memoria.

Un nuovo studio condotto dai ricercatori Hikaru Wakaura e Taiki Tanimae mette alla prova rigorosa proprio questa specifica speranza. Non si sono limitati a chiedere se l'idea fosse possibile in teoria; hanno costruito un modello matematico preciso per vedere se i numeri tornano effettivamente per un sistema biologico reale. Il loro lavoro si concentra su un enzima specifico chiamato criptocromo, che contiene una coppia di molecole che possono formare una coppia radicalica. I ricercatori hanno esaminato se il movimento interno degli atomi all'interno di questo enzima potesse accorciare il tempo necessario affinché la memoria quantistica svanisca, estendendolo così ai dieci millisecondi richiesti. Eseguendo simulazioni dettagliate basate sulla fisica consolidata, hanno scoperto che i movimenti naturali all'interno della proteina non sono abbastanza veloci o caotici da salvare la memoria. Lo stato quantistico svanisce in meno della metà del tempo necessario a un neurone per integrare un segnale, escludendo efficacemente l'idea che questo specifico meccanismo biologico possa supportare l'elaborazione quantistica nel cervello così come attualmente proposto.

I ricercatori hanno iniziato definendo esattamente cosa significhi un tempo "sufficiente" per questo sistema. Hanno utilizzato una misura standard di quanta informazione un sistema può contenere ed elaborare, nota come capacità di memoria, per stabilire un limite rigido. Affinché la memoria quantistica del cervello sia utile, deve sopravvivere per almeno dieci millisecondi. Il team ha calcolato quanto durerebbe la memoria in una coppia radicalica formata da una molecola di flavina e una di triptofano, che sono note per esistere nel cervello. In un ambiente calmo e immobile, questa memoria svanirebbe in meno di due millisecondi. L'unico modo per estendere questa vita è attraverso il restringimento per moto, dove le parti interne della molecola ruotano e vibrano così rapidamente da sfocare le interazioni magnetiche che causano il decadimento della memoria. I ricercatori hanno testato se la rotazione naturale di una piccola parte della molecola, specificamente un gruppo metilico attaccato alla flavina, potesse fornire questa necessaria sfocatura.

I risultati sono stati chiari e quantitativi. La rotazione di questo gruppo metilico avviene, ma non è abbastanza caotica da mediare completamente il rumore magnetico. Lo studio ha calcolato che, affinché la memoria duri i dieci millisecondi completi, il moto interno dovrebbe lasciare meno del sette per cento dell'ordine magnetico originale intatto. Tuttavia, la rotazione effettiva del gruppo metilico lascia circa il venticinque per cento di quell'ordine intatto. Poiché il movimento è troppo limitato, la memoria dura solo circa sette millisecondi. Questo scende al di sotto della finestra di dieci millisecondi richiesta per la computazione neurale. I ricercatori hanno verificato il proprio lavoro rispetto a varie incertezze, come quanta acqua circonda la proteina o quanto sia denso il fluido circostante, e in ogni scenario, la memoria svaniva troppo velocemente. Il margine è abbastanza stretto da essere rilevante: il risultato è meglio interpretato come un confine quantitativo netto piuttosto che come un'esclusione categorica, poiché un registro sul vettore C–H del metile piuttosto che sulla coppia protone-protone si collocherebbe marginalmente all'interno della banda.

Il documento ha anche esaminato altre idee che erano state proposte per salvare questa memoria quantistica. Una suggestione era che uno stato quantistico speciale, noto come singoletto a lunga durata, potesse proteggere l'informazione. Gli autori hanno scoperto che questo stato protegge una proprietà diversa da quella che il cervello avrebbe bisogno di usare per la memoria, quindi non aiuta. Un'altra idea prevedeva l'uso di diversi tipi di atomi, come sostituire l'idrogeno con carbonio o fosforo, per rallentare il decadimento. Sebbene le simulazioni abbiano mostrato che queste sostituzioni potessero estendere la durata della memoria a oltre ventotto millisecondi o persino novantuno millisecondi, questi atomi non si trovano naturalmente nelle coppie radicaliche del cervello. Pertanto, sebbene questi metodi funzionino in un ambiente di laboratorio, non si applicano al sistema biologico in questione. Lo studio conclude che l'unico modo per far durare la memoria quantistica abbastanza a lungo è cambiare gli atomi fondamentali del sistema, il che non è possibile in un cervello umano vivente.

Per dimostrare la correttezza della loro conclusione, gli autori propongono un esperimento specifico che potrebbe essere eseguito in laboratorio. Suggeriscono di creare una serie di soluzioni con diversi spessori, o viscosità, per rallentare il movimento delle molecole enzimatiche. Misurando quanto dura la memoria quantistica in queste diverse condizioni, gli scienziati potrebbero vedere se la durata della memoria scala esattamente come prevede il loro modello. Se venisse mai trovata una proteina naturale, non modificata, capace di mantenere la memoria per dieci millisecondi, la loro conclusione sarebbe errata. Tuttavia, basandosi sui dati e sulle simulazioni attuali, l'evidenza punta a un limite definitivo. I movimenti interni delle proteine nel cervello sono semplicemente troppo lenti e troppo ordinati per eliminare il rumore abbastanza velocemente. La memoria quantistica svanisce prima che il neurone abbia la possibilità di utilizzarla, suggerendo che il cervello non si affidi a questo particolare meccanismo quantistico per la sua potenza di elaborazione.