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

인간의 뇌는 젖어 있고 따뜻하며 혼돈스러운 공간, 즉 섬세한 신호들이 거의 즉각적으로 소음 속으로 사라져 버리는 환경이다. 수십 년 동안 과학자들은 뇌가 정보를 처리하기 위해 양자 역학의 기묘한 법칙을 활용할 수 있는지 궁금해해 왔으며, 이는 양자 생물학이라 불리는 탐구 분야이다. 하나의 구체적인 아이디어는 뇌 속 효소에서 발견되는 라디칼 쌍(radical pairs)이라고 불리는 작고 수명이 짧은 분자 쌍이 양자 정보의 저장 시스템 역할을 할 수 있다는 것이다. 희망적인 가설은 이 분자 내 원자핵들이 뉴런이 발화하는 데 걸리는 시간인 약 10밀리초 동안 기억을 유지하여 뉴런의 발화에 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 그러나 뇌의 열기와 움직임은 보통 순식간에 이러한 섬세한 양자 상태를 파괴한다. 이 이론이 성립하기 위해서는 '운동적 좁힘(motional narrowing)'이라 불리는 메커니즘에 의존하는데, 이는 분자 내부의 빠르고 요동치는 움직임이 어떻게든 소음을 상쇄하여 기억의 수명을 연장한다는 원리이다.

연구자 와쿠라 히카루(Hikaru Wakaura)와 타니마에 타이키(Taiki Tanimae)의 새로운 연구는 이 구체적인 희망을 엄격하게 시험한다. 그들은 단순히 이 아이디어가 이론적으로 가능한지를 묻는 것이 아니라, 실제 생물학적 시스템에서도 숫자가 실제로 맞아떨어지는지를 확인하기 위해 정밀한 수학적 모델을 구축했다. 그들의 연구는 크립토크롬(cryptochrome)이라는 특정 효소에 초점을 맞추고 있는데, 이 효소는 라디칼 쌍을 형성할 수 있는 한 쌍의 분자를 포함하고 있다. 연구진은 이 효소 내 원자들의 내부 운동이 양자 기억이 사라지는 시간을 단축시켜, 이를 필요한 10밀리초까지 연장할 수 있는지 조사했다. 확립된 물리학에 기반한 상세한 시뮬레이션을 실행한 결과, 단백질 내부의 자연스러운 움직임은 기억을 구제할 만큼 빠르거나 혼돈스럽지 않다는 것을 발견했다. 양자 상태는 뉴런이 신호를 통합하는 데 필요한 시간의 절반도 채 되지 않아 사라졌으며, 이는 현재 제안된 방식대로 이 특정 생물학적 메커니즘이 양자 처리를 지원할 수 없다는 점을 사실상 입증한다.

연구진은 먼저 이 시스템에서 "충분한" 시간이 정확히 무엇을 의미하는지 정의하는 것으로 시작했다. 그들은 시스템이 보유하고 처리할 수 있는 정보의 양을 나타내는 표준 척도인 메모리 용량(memory capacity)을 사용하여 엄격한 한계치를 설정했다. 뇌의 양자 메모리가 유용하려면 최소 10밀리초 동안 생존해야 한다. 연구팀은 뇌에 존재하는 것으로 알려진 플라빈(flavin) 분자와 트립토판(tryptophan) 분자로 형성된 라디칼 쌍에서 메모리가 얼마나 오래 지속될지 계산했다. 고요하고 정지된 환경에서 이 메모리는 2밀리초 미만으로 사라질 것이다. 이 수명을 연장할 수 있는 유일한 방법은 운동적 좁힘인데, 이는 분자의 내부 구성 요소들이 너무 빠르게 회전하고 진동하여 메모리 붕괴를 일으키는 자기적 상호작용을 흐릿하게 만드는 것이다. 연구진은 플라빈에 결합된 메틸기(methyl group)라는 분자의 특정 작은 부분의 자연스러운 회전이 이 데 필요한 '흐림 효과'를 제공할 수 있는지 테스트했다.

결과는 명확하고 정량적이었다. 이 메틸기의 회전은 실제로 일어나지만, 자기적 소음을 완전히 상쇄할 만큼 혼돈스럽지는 않다. 연구에 따르면 메모리가 10밀리초 동안 지속되려면 내부 운동이 원래의 자기적 질서 중 7% 미만만을 남겨두어야 한다. 그러나 메틸기의 실제 회전은 그 질서의 약 25%를 그대로 남겨둔다. 움직임이 너무 제한적이기 때문에 메모리는 약 7밀리초 동안만 지속된다. 이는 뉴런의 계산에 필요한 10밀리초의 창(window)에 미치지 못하는 수치이다. 연구진은 단백질을 둘러싼 물의 양이나 주변 유체의 밀도와 같은 다양한 불확실성을 검토하며 검증 작업을 수행했으나, 모든 시나리오에서 메모리는 여전히 너무 빨리 사라졌다. 이 차이는 매우 미세하지만 중요한 의미를 갖는다. 즉, 이 결과는 범주적인 배제라기보다는 정량적인 경계선으로 읽혀야 하며, 프로톤-프로톤 쌍 대신 메틸 C-H 벡터를 레지스터로 사용한다면 간신히 범위 안에 들어올 수도 있다.

논문은 또한 이 양자 메모리를 구제하기 위해 제안되었던 다른 아이디어들도 검토했다. 한 가지 제안은 '장수명 싱글렛(long-lived singlet)'이라 불리는 특수한 양자 상태가 정보를 보호할 수 있다는 것이었다. 저자들은 이 상태가 메모리에 사용하기 위해 필요한 것과는 다른 종류의 특성을 보호한다는 점을 발견했으며, 따라서 도움이 되지 않는다고 결론지었다. 또 다른 아이디어는 수소를 탄소나 인과 같은 다른 종류의 원자로 교체하여 붕괴를 늦추는 것이었다. 시뮬레이션 결과 이러한 치환이 메모리 수명을 28밀리초 또는 91밀리초 이상으로 연장할 수 있음을 보여주었지만, 이러한 원자들은 뇌의 라디칼 쌍에서 자연적으로 발견되지 않는다. 따라서 이러한 방법들은 실험실 환경에서는 작동할 수 있으나, 문제의 생물학적 시스템에는 적용되지 않는다. 연구는 양자 메모리를 충분히 지속시키는 유일한 방법은 시스템의 근본적인 원자를 바꾸는 것이며, 이는 살아있는 인간의 뇌에서는 불가능하다고 결론짓는다.

자신들의 결론이 옳다는 것을 증명하기 위해, 저자들은 실험실에서 수행할 수 있는 구체적인 실험을 제안한다. 그들은 효소 분자의 움직임을 늦추기 위해 다양한 점도(viscosity)를 가진 일련의 용액들을 만드는 방식을 제안한다. 다양한 조건에서 양자 메모리가 얼마나 오래 지속되는지 측정함으로써, 과학자들은 메모리 수명이 그들의 모델이 예측하는 대로 정확히 비례하는지 확인할 수 있을 것이다. 만약 자연 상태의 수정되지 않은 단백질이 10밀리초 동안 메모리를 유지할 수 있는 것이 발견된다면 그들의 결론은 틀린 것이 된다. 그러나 현재의 데이터와 시뮬레이션에 기반할 때, 증거는 결정적인 한계를 가리키고 있다. 뇌 속 단백질의 내부 운동은 소음을 충분히 빠르게 제거할 만큼 빠르거나 혼돈스럽지 않다. 양자 메모리는 뉴런이 그것을 사용할 기회를 갖기도 전에 사라지며, 이는 뇌가 자신의 처리 능력을 위해 이 특정한 양자 메커니즘에 의존하지 않음을 시사한다.