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

人間の脳は、湿っており、温かく、そして混沌とした場所である。それは、繊細な信号がほとんど瞬時にノイズへと溶け込んでしまう環境である。数十年にわたり、科学者たちは、脳が情報を処理するために量子力学の奇妙な法則を利用できるのではないかという疑問を抱いてきた。これは量子生物学として知られる探究分野である。一つの具体的なアイデアは、脳内の酵素に含まれるラジカルペアと呼ばれる、小さく短命な分子のペアが、量子情報のストレージシステムとして機能する可能性を示唆している。その希望は、これらの分子内の原子核が、ニューロンが発火するのにかかる約10ミリ秒間、記憶を保持し続け、そのプロセスに影響を与えることができるというものである。しかし、脳の熱と動きは、通常、このような繊細な量子状態を一瞬のうちに破壊してしまう。この理論を実現するためには、「運動による狭窄（motional narrowing）」と呼ばれるメカニズムに依存している。これは、分子内部の素早く小刻みな動きが、ノイズを何らかの形で平均化し、記憶の寿命を延ばすというものである。

研究者である若浦啓氏と谷間民江氏による新しい研究は、この具体的な期待を厳格なテストに付した。彼らは単に、そのアイデアが理論的に可能かどうかを問うたのではない。現実の生物学的システムにおいて、数値が実際に整合するかどうかを確認するために、精密な数学的モデルを構築したのである。彼らの研究は、クリプトクロムと呼ばれる特定の酵素に焦点を当てており、これにはラジカルペアを形成できる分子のペアが含まれている。研究者たちは、この酵素内の原子の内部運動が、量子メモリが消失する時間を短縮し、それによって必要な10ミリ秒まで寿命を延ばすことができるかどうかを検証した。確立された物理学に基づいた詳細なシミュレーションを実行した結果、タンパク質内部の自然な動きは、メモリを救うほど速くも混沌としてもいないことが判明した。量子状態は、ニューロンが信号を統合するために必要な時間の半分足らずで消失してしまい、これにより、現在提案されているような特定の生物学的メカニズムが量子処理を支えることができるという考えは、事実上否定された。

研究者たちはまず、このシステムにとって「十分な」時間とは正確に何を意味するかを定義することから始めた。彼らは、システムが保持・処理できる情報の量を示す標準的な尺度である「メモリ容量」を用いて、厳格な限界を設定した。脳の量子メモリが有用であるためには、少なくとも10ミリ秒間生存しなければならない。チームは、脳内に存在することが知られているフラビン分子とトリプトファン分子によって形成されるラジカルペアにおいて、メモリがどの程度持続するかを計算した。静かで穏やかな環境では、このメモリは2ミリ秒未満で消失してしまう。この寿命を延ばす唯一の方法は、分子の内部パーツが非常に速く回転・振動することで、メモリの減衰を引き起こす磁気的な相互作用をぼかす、運動による狭窄である。研究者たちは、分子に結合しているメチル基という特定の小さな部分の回転が、この必要な「ぼかし」を提供できるかどうかをテストした。

結果は明確かつ定量的であった。このメチル基の回転は確かに起こっているが、磁気ノイズを完全に平均化できるほどには混沌としていない。研究によれば、メモリをフルに10ミリ秒間持続させるためには、内部運動によって元の磁気秩序が7パーセント未満しか残らない状態にする必要がある。しかし、実際のメチル基の回転は、その秩序の約25パーセントをそのまま残してしまう。動きが制限されすぎているため、メモリは約7ミリ秒間しか持続しない。これは、神経計算に必要な10ミリ秒のウィンドウに達していない。研究者たちは、タンパク質を取り囲む水の量や、周囲の流体の密度など、さまざまな不確実性に対して検証を行ったが、どのシナリオにおいても、メモリは依然として速すぎる速度で消失した。その差は無視できないほど僅かなものである。結果は、プロトン・プロトン対ではなく、メチルC–Hベクトル上のレジスタであれば、かろうじてバンド内に収まる可能性があるという、鋭い定量的な境界として読み取るのが最適である。

論文では、この量子メモリを救うために提案されてきた他のアイデアについても検討が行われた。一つの示唆は、「長寿命シングレット」として知られる特別な量子状態が情報を保護するというものであった。著者らは、この状態がメモリとして必要とされるものとは異なる性質を保護しているため、役には立たないことを発見した。別のアイデアは、水素を炭素やリンなどの異なる種類の原子に置き換えることで、減衰を遅らせるというものであった。シミュレーションによれば、これらの置換はメモリの寿命を28ミリ秒以上、あるいは91ミリ秒以上にまで延ばすことができることが示されたが、これらの原子は脳内のラジカルペアには自然には存在しない。したがって、これらの手法は実験室の設定では機能するものの、当該の生物学的システムには適用できない。研究は、量子メモリを十分に持続させる唯一の方法は、システムの基礎となる原子を変更することであり、それは生きている人間の脳においては不可能であると結論づけている。

自分たちの結論が正しいことを証明するために、著者らはラボで行うことができる具体的な実験を提案している。彼らは、酵素分子の動きを遅らせるために、異なる粘性を持つ一連の溶液を作成することを提案している。これらの異なる条件下で量子メモリがどの程度持続するかを測定することで、科学者たちは、メモリの寿命が彼らのモデルの予測通りに正確にスケールするかどうかを確認できる。もし、自然な、未修飾のタンパク質が10ミリ秒間のメモリを保持できることが発見されれば、彼らの結論は誤りとなる。しかし、現在のデータとシミュレーションに基づけば、証拠は決定的な限界を示している。脳内のタンパク質の内部運動は、ノイズを十分に速く取り除くには、あまりにも遅く、かつ秩序立ちすぎている。量子メモリは、ニューロンがそれを使用する機会を得る前に消失してしまう。このことは、脳がその処理能力のために、この特定の量子メカニズムに依存しているわけではないことを示唆している。