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)

何十年もの間、人間の脳は主に化学反応によって駆動される生物学的な機械として理解されてきました。ニューロンは発火し、思考、感覚、指令を伝えるために、軸索と呼ばれる絶縁されたワイヤーに沿って電気信号を送り出します。ミエリンとして知られる脂肪層であるこの絶縁体は、電気ケーブルのプラスチック被覆のような役割を果たし、これらの信号が高速で伝わり、漏れ出すことがないようにしています。しかし、より新しく、かつ議論を呼ぶアイデアが形を成し始めています。それは、この生物学的な絶縁体が単に電気を導くだけではないかもしれないという考えです。一部の研究者は、ミエリンが光やその他の放射線の導波路（ウェーブガイド）としても機能し、単純な化学反応を超えた方法で情報を処理できる可能性を示唆しています。これは物理学に難しい問いを投げかけます。すなわち、温かく、湿っており、混沌とした生身の脳という環境において、このような高度な処理に必要な、繊細で同期した状態を維持できるのだろうか、という問いです。量子物理学の世界では、これらの同期した状態は非常に脆弱であり、熱にさらされると即座に崩壊してしまうことが一般的です。これはデコヒーレンス（量子デコヒーレンス）として知られる問題です。

独立した研究者であるアルフォンソ・メンドーサ・オレアナによる新しい研究は、この問いに直接取り組み、単一の髄鞘化された神経線維のセグメントが、体温においてどのように保護された情報チャネルとして機能し得るかについて、詳細なステップ・バイ・ステップのモデルを提案しています。この研究は、物理的なデバイスを構築したり、生身の人間でこれらの効果を測定したりしたと主張しているのではなく、159の明確な論理的ステップからなる、巨大で透明なシミュレーションを構築しています。この計算の連鎖は、脳の代謝によって生み出されるエネルギーと、神経構造内における超微弱光粒子（フォトロン）および音のような振動（フォノン）の挙動を結びつけています。その目的は、特定の物理的条件下において、これらの構成要素が、最も有名で困難な量子現象である「量子もつれ（エンタングルメント）」――二つの粒子が空間を越えて不可分に結びつく現象――に頼ることなく、極めて高い精度で情報を伝達できるかどうかを確認することでした。

モデルはエネルギー源から始まります。脳は酸素とグルコースを消費して電力を生成しますが、研究では、典型的な脳組織の量が、微量ながらも安定した光の放出を支えるのに十分なエネルギーを生み出すことを算出しています。この光は、生物学的組織から自然に放出されるものであり、ミエリン鞘の層によって形成された微小な空洞に入ります。研究者らは、この空間を「カシミール空洞」と表現しています。これは、量子力学の法則によって特定の圧力が生じ、環境を組織化する助けとなる閉じ込められた隙間です。この空洞内で、光は構造内の振動と相互作用します。研究では、これらの光粒子と音の振動が互いに変換されるプロセスが、いかに高い効率で行われるかをシミュレートしています。決定的なのは、この変換がランダムではなく、周囲の水分子によって厳密に制御されているという点です。研究者らは、水分子が秩序だった「コヒーレントなドメイン（領域）」を形成し、それが情報が通過するための安定した媒体として機能することを示唆しています。

シミュレーションが159のステップを進むにつれ、情報は保護されるための一連のチェック・アンド・バランスが導入されます。モデルには、正しいタイミングと位相を持つ信号のみを通過させるフィルターのようなメカニメントが含まれています。このフィルタリング・プロセスは「フェーズ・ロッキング・ダイヤル（位相同期ダイヤル）」として記述されており、システムを同期させ続けます。その後、情報は、神経セグメントの一端から他端へとその状態を完璧に転送するために設計された最終段階へと移動します。このシミュレーションの結果において、システムは97パーセント近い全体効率を達成しました。これは、入力された情報のほぼすべてが、損なわれることなく反対側に到達することを意味します。研究によれば、システムは4兆ビットという膨大なデータを保持でき、わずか9ミリ秒強で10億ビットの容量を充填できるとされています。

この研究の主要な発見は、システムが「何に依存していないか」という点にあります。量子生物学に関する多くの理論は量子もつれに焦点を当てていますが、このシミュレーションは、システムがそれなしでも機能することを明示的に示しています。代わりに、研究者たちは、プロセスを駆動するリソースは「位相コヒーレンス（位相コヒーレンス）」、つまり光と音の波が完璧に一致して動く状態であることを発見しました。シミュレーションによれば、光と水分子の間の結合は、量子もつれの観点からは実質的にゼロと言えるほど弱いものの、情報伝達は堅牢に保たれます。これは、脳がこれまで考えられていたよりも、おそらくより実用的な量子メカニズムを用いて情報を処理している可能性を示唆しています。また、本研究は、このプロセスが脳を低温に保ったり、隔離したりする必要はないという考えも否定しています。一連のプロセス全体が、標準的な人体温度である310.15ケルビンで正常に動作しています。

研究者たちは、これらの結果を、確認された生物学的事実としてではなく、あくまで理論的な概念実証（プルーフ・オブ・コンセプト）として提示することに慎重な姿勢を見せています。提示された数値や結果は、現在の物理学の法則、特に「開いた系（オープンシステム）」が環境とどのように相互作用するかを記述する方程式に厳格に従った、コンピュータ・シミュレーションの結果です。モデルは完全に監査可能であり、すべての定数、公式、値は、他者が検査・テストできるように公開データベースに記録されています。研究は、特定の条件が満たされる限り、髄鞘化した軸索が熱力学的に裏付けられた情報チャネルとして機能することが物理的に可能であると結論付けています。シミュレーションから確認された現実へと移行するために、著者は、健康な人と初期段階の多発性硬化症（ミエリン鞘が損傷している状態）の人との間で、脳波に特定のパターンが見られるかどうかを探るなど、検証可能な予測をいくつか提案しています。もしこれらのパターンがモデルの予測通りに出現または消失すれば、この複雑な量子に着想を得たメカニズムが、実際に生身のヒトの脳内で働いているという強力な証拠となるでしょう。