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

Het menselijk brein is een natte, warme en chaotische plek, een omgeving waar delicate signalen meestal bijna onmiddellijk oplossen in ruis. Decennialang hebben wetenschappers zich afgevraagd of het brein de vreemde regels van de kwantummechanica zou kunnen aanwenden om informatie te verwerken, een onderzoeksveld dat bekend staat als kwantumbiologie. Een specifieke idee suggereert dat kleine, kortlevende paren moleculen, radicalenparen genoemd, die worden gevonden in enzymen in het brein, zouden kunnen fungeren als een opslagsysteem voor kwantuminformatie. De hoop is dat de kernen van atomen binnen deze moleculen de herinnering lang genoeg kunnen vasthouden om te beïnvloeden hoe een neuron vuurt, een proces dat ongeveer tien milliseconden duurt. Echter, de hitte en beweging van het brein vernietigen dergelijke delicate kwantumtoestanden meestal in een fractie van een seconde. Om dit te laten werken, vertrouwt de theorie op een mechanisme genaamd motionele verbreding (motional narrowing), waarbij de snelle, schokkerige beweging van atomen binnen het molecuul de ruis op de een of andere manier middelt en de levensduur van de herinnering verlengt.

Een nieuwe studie door onderzoekers Hikaru Wakaura en Taiki Tanimae onderwerpt deze specifieke hoop aan een rigoureuze test. Ze vroegen niet simpelweg of het idee in theorie mogelijk was; ze bouwden een precies wiskundig model om te zien of de getallen daadwerkelijk kloppen voor een echt biologisch systeem. Hun werk richt zich op een specifiek enzym genaamd cryptochroom, dat een paar moleculen bevat die een radicalenpaar kunnen vormen. De onderzoekers onderzochten of de interne beweging van atomen binnen dit enzym de tijd zou kunnen verkorten die nodig is voor het vervagen van de kwantumherinnering, waardoor deze wordt verlengd tot de vereiste tien milliseconden. Door gedetailleerde simulaties uit te voeren op basis van gevestigde fysica, kwamen zij tot de conclusie dat de natuurlijke bewegingen binnen het eiwit niet snel of chaotisch genoeg zijn om de herinnering te redden. De kwantumtoestand vervaagt in minder dan de helft van de tijd die nodig is voor een neuron om een signaal te integreren, wat effectief de mogelijkheid uitsluit dat dit specifieke biologische mechanisme kwantumverwerking in het brein kan ondersteunen zoals momenteel voorgesteld.

De onderzoekers begonnen met het definiend van wat "genoeg" tijd precies betekent voor dit systeem. Ze gebruikten een standaardmaatstaf voor hoeveel informatie een systeem kan vasthouden en verwerken, bekend als geheugencapaciteit, om een harde limiet vast te stellen. Voor de kwantumherinnering van het brein moet deze ten minste tien milliseconden overleven om nuttig te zijn. Het team berekende hoe lang de herinnering zou duren in een radicalenpaar gevormd door een flavinmolecuul en een tryptofaanmolecuul, die bekend zijn om hun aanwezigheid in het brein. In een rustige, stille omgeving zou deze herinnering in minder dan twee milliseconden verdwijnen. De enige manier om dit leven te verlengen is door motionele verbreding, waarbij de interne delen van het molecuul zo snel draaien en trillen dat ze de magnetische interacties die de herinnering doen vervagen, wegwissen. De onderzoekers testten of de natuurlijke rotatie van een klein deel van het molecuul, specifiek een methylgroep die aan het flavine is bevestigd, deze noodzakelijke vervaging kon bieden.

De resultaten waren duidelijk en kwantitatief. De rotatie van deze methylgroep vindt wel degelijk plaats, maar is niet chaotisch genoeg om de magnetische ruis volledig uit te middelen. De studie berekende dat voor de herinnering om de volledige tien milliseconden te duren, de interne beweging minder dan zeven procent van de oorspronkelijke magnetische orde intact zou moeten laten. De werkelijke rotatie van de methylgroep laat echter ongeveer vijfentwintig procent van die orde onaangetast. Omdat de beweging te beperkt is, duurt de herinnering slechts ongeveer zeven milliseconden. Dit valt tekort aan het venster van tien milliseconden dat vereist is voor neurale computatie. De onderzoekers controleerden hun werk tegen diverse onzekerheden, zoals hoeveel water het eiwit omringt of hoe dicht de omringende vloeistof is, en in elk scenario vervaagde de herinnering nog steeds te snel. De marge is nauw genoeg om ertoe te doen: het resultaat moet het beste gelezen worden als een scherpe kwantitatieve grens, aangezien een register op de methyl C–H vector in plaats van het proton–proton paar marginaal binnen de band zou liggen.

Het artikel onderzocht ook andere ideeën die waren voorgesteld om deze kwantumherinnering te redden. Eén suggestie was dat een speciale kwantumtoestand, bekend als een langdurige singlet, de informatie zou kunnen beschermen. De auteurs vonden dat deze toestand een ander soort eigenschap beschermt dan de eigenschap die het brein voor het geheugen zou moeten gebruiken, waardoor het niet helpt. Een ander idee betrof het gebruik van verschillende soorten atomen, zoals het vervangen van waterstof door koolstof of fosfor, om het verval te vertragen. Hoewel de simulaties lieten zien dat deze substituties de levensduur van de herinnering konden verlengen naar meer dan achtentwintig milliseconden of zelfs negenennegentig milliseconden, komen deze atomen niet van nature voor in de radicalenparen in het brein. Daarom werken deze methoden weliswaar in een laboratoriumsetting, maar zijn ze niet van toepassing op het betreffende biologische systeem. De studie concludeert dat de enige manier om de kwantumherinnering lang genoeg te laten duren, het veranderen van de fundamentele atomen van het systeem is, wat niet mogelijk is in een levend menselijk brein.

Om te bewijzen dat hun conclusie juist is, stellen de auteurs een specifiek experiment voor dat in een laboratorium uitgevoerd kan worden. Ze suggereren het maken van een reeks oplossingen met verschillende diktes, of viscositeiten, om de beweging van de enzymmoleculen te vertragen. Door te meten hoe lang de kwantumherinnering duurt in deze verschillende condities, kunnen wetenschappers zien of de levensduur van het geheugen exact volgens hun model schaalt. Als er ooit een natuurlijk, ongewijzigd eiwit wordt gevonden dat de herinnering tien milliseconden lang kan vasthouden, dan is hun conclusie onjuist. Echter, op basis van de huidige gegevens en simulaties wijst het bewijs op een definitieve limiet. De interne bewegingen van de eiwitten in het brein zijn simpelweg te traag en te geordend om de ruis snel genoeg te klaren. De kwantumherinnering vervaagt voordat het neuron de kans krijgt om het te gebruiken, wat suggereert dat het brein niet vertrouwt op dit specifieke kwantummechanisme voor zijn rekenkracht.