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)

Decennialang werd het menselijk brein primair begrepen als een biologische machine die wordt aangedreven door chemische reacties. Neuronen vuren elektrische signalen af langs geïsoleerde draden die axonen worden genoemd om gedachten, sensaties en commando's te communiceren. De isolatie, een vetlaag die bekend staat als myeline, werkt als de plastic coating op een elektrische kabel, waardoor deze signalen snel reizen en niet lekken. Echter, een nieuw en controversieel idee is vorm aan het krijgen: dat deze biologische isolatie meer zou kunnen doen dan alleen elektriciteit geleiden. Sommige onderzoekers suggereren nu dat myeline ook zou kunnen fungeren als een golfgeleider voor licht en andere vormen van straling, wat potentieel mogelijk maakt dat het brein informatie verwerkt op manieren die verder gaan dan eenvoudige chemie. Dit roept een moeilijke vraag op voor de natuurkunde: kan de warme, natte en chaotische omgeving van een levend brein de delicate, gesynchroniseerde toestanden handhaven die vereist zijn voor dergelijke geavanceerde verwerking? In de wereld van de kwantumfysica zijn deze gesynchroniseerde toestanden ongelooflijk fragiel en storten ze meestal onmiddellijk in wanneer ze worden blootgesteld aan warmte, een probleem dat bekend staat als decoherentie.

Een nieuwe studie door onafhankelijk onderzoeker Alfonso Mendoza Orellana pakt deze vraag direct aan door een gedetailleerd, stapsgewijs model voor te stellen van hoe een enkel segment van een gemyeliniseerde zenuwvezel zou kunnen functioneren als een beschermd informatiekanaal bij lichaamstemperatuur. Het onderzoek beweert niet een fysiek apparaat te hebben gebouwd of deze effecten in een levend mens te hebben gemeten; in plaats daarvan construeert het een massieve, transparante simulatie bestaande uit 159 afzonderlijke logische stappen. Deze keten van berekeningen koppelt de energie die door het metabolisme van de hersenen wordt geproduceerd aan het gedrag van ultra-zwakke lichtdeeltjes, of fotonen, en geluidachtige trillingen, bekend als fononen, binnen de structuur van de zenuw. Het doel was om te zien of deze componenten, onder specifieke fysische omstandigheden, samen konden werken om informatie met bijna perfecte nauwkeurigheid over te dragen zonder te vertrouwen op het meest beroemde en moeilijke kwantumfenomeen: verstrengeling, waarbij twee deeltjes onlosmakelijk met elkaar verbonden raken over de ruimte.

Het model begint bij de energiebron. De hersenen consumeren zuurstof en glucose om vermogen te genereren, en de studie berekent dat een typische hoeveelheid hersenweefsel genoeg energie produceert om een kleine maar gestage stroom lichtemissie te ondersteunen. Dit licht, dat van nature wordt uitgezonden door biologische weefsels, komt terecht in een microscopische holte gevormd door de lagen van de myelineschede. De onderzoekers beschrijven deze ruimte als een Casimir-holte, een ingesloten opening waar de regels van de kwantummechanica een specifieke druk creëren die helpt de omgeving te organiseren. Binnen deze holte interageert het licht met trillingen in de structuur. De studie simuleert hoe deze lichtdeeltjes en geluidstrillingen in elkaar worden omgezet, een proces dat met hoge efficiëntie gebeurt. Cruciaal is dat het model laat zien dat deze conversie niet willekeurig is; het wordt strikt gecontroleerd door de omringende watermoleculen, die volgens de onderzoekers geordende, coherente domeinen kunnen vormen die fungeren als een stabiel medium waar de informatie doorheen kan reizen.

Terwijl de simulatie door haar 159 stappen vordert, introduceert zij een reeks controles en evenwichten die ontworpen zijn om de informatie te beschermen. Het model bevat een mechanisme dat fungeert als een filter, dat ervoor zorgt dat alleen signalen met de juiste timing en fase worden doorgelaten. Dit filterproces wordt beschreven als een fase-vergrendelingsdraai, die het systeem gesynchroniseerd houdt. De informatie beweegt vervolgens door een laatste fase die is ontworpen om de toestand van het systeem perfect van het ene naar het andere uiteinde van het zenuwsegment over te dragen. In de resultaten van deze simulatie bereikt het systeem een globale efficiëntie van bijna 97 procent, wat betekent dat bijna alle informatie die in het kanaal wordt ingevoerd, intact aan de andere kant aankomt. De studie rapporteert dat het systeem een enorme hoeveelheid gegevens kan vasthouden, geschat op vier biljoen bits, en dat het in slechts iets meer dan negen milliseconden een miljard bits van deze capaciteit kan vullen.

Een belangrijke bevinding van dit werk is waar het systeem niet op vertrouwt. Terwijl veel theorieën over kwantumbiologie zich richten op verstrengeling, laat deze simulatie expliciet zien dat het systeem zonder deze functie werkt. In plaats daarvan ontdekten de onderzoekers dat de bron die het proces aandrijft fasecoherentie is, een toestand waarin de licht- en geluidsgolven in perfect unison bewegen. De simulatie geeft aan dat de verbinding tussen het licht en de watermoleculen zo zwak is in termen van verstrengeling dat deze effectief nul is, en toch blijft de informatieoverdracht robuust. Dit suggereert dat de hersenen wellicht een ander, misschien praktischer, kwantummechanisme gebruiken om informatie te verwerken dan voorheen werd gedacht. De studie sluit ook de mogelijkheid uit dat dit proces vereist dat de hersenen koud of geïsoleerd zijn; de gehele keten werkt succesvol bij 310,15 Kelvin, wat de standaardtemperatuur van het menselijk lichaam is.

De onderzoekers zijn voorzichtig om deze resultaten te presenteren als een theoretisch bewijs van concept in plaats van een bevestigd biologisch feit. De getallen en uitkomsten die worden gepresenteerd, zijn het resultaat van een computersimulatie die strikt de wetten van de fysica volgt zoals die momenteel worden begrepen, specifiek gebruikmakend van vergelijkingen die beschrijven hoe open systemen met hun omgeving interageren. Het model is ontworpen om volledig controleerbaar te zijn, waarbij elke constante, formule en waarde is vastgelegd in een publieke database zodat anderen deze kunnen inspecteren en testen. De studie concludeert dat het fysiek mogelijk is voor een gemyeliniseerde axon om te opereren als een thermodynamisch gefinancierd informatiekanaal bij lichaamstemperatuur, mits aan de specifieke voorwaarden van het model wordt voldaan. Om van een simulatie naar een bevestigde realiteit te gaan, stelt de auteur verschillende toetsbare voorspellingen voor, zoals het zoeken naar specifieke patronen in hersengolven bij gezonde mensen versus mensen met een beginstadium van multiple sclerose, waarbij de myelineschede beschadigd is. Als deze patronen verschijnen of verdwijnen zoals het model voorspelt, zou dat sterk bewijs leveren dat dit complexe, door kwantummechanica geïnspireerde mechanisme inderdaad aan het werk is in het levende menselijke brein.