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

O cérebro humano é um lugar úmido, quente e caótico, um ambiente onde sinais delicados geralmente se dissolvem em ruído quase instantaneamente. Durante décadas, cientistas se perguntaram se o céreano poderia aproveitar as estranhas regras da mecânica quântica para processar informações, um campo de investigação conhecido como biologia quântica. Uma ideia específica sugere que pares minúsculos e de vida curta de moléculas chamados pares de radicais, encontrados em enzimas no cérebro, poderiam atuar como um sistema de armazenamento de informação quântica. A esperança é que os núcleos de átomos dentro dessas moléculas possam manter uma memória tempo suficiente para influenciar como um neurônio dispara, um processo que leva cerca de dez milissegundos. No entanto, o calor e o movimento do cérebro geralmente destroem tais estados quânticos delicados em uma fração de segundo. Para que isso funcione, a teoria depende de um mecanismo chamado estreitamento motional, onde o movimento rápido e agitado dos átomos dentro da molécula de alguma forma neutraliza o ruído e estende a vida da memória.

Um novo estudo dos pesquisadores Hikaru Wakaura e Taiki Tanimae coloca essa esperança específica à prova rigorosa. Eles não apenas perguntaram se a ideia era possível em teoria; eles construíram um modelo matemático preciso para ver se os números realmente batem para um sistema biológico real. O trabalho deles foca em uma enzima específica chamada criptocromo, que contém um par de moléculas que podem formar um par de radicais. Os pesquisadores examinaram se o movimento interno de átomos dentro desta enzima poderia encurtar o tempo que a memória quântica leva para desaparecer, estendendo-o assim aos dez milissegundos necessários. Ao realizar simulações detalhadas baseadas na física estabelecida, eles descobriram que os movimentos naturais dentro da proteína não são rápidos ou caóticos o suficiente para salvar a memória. O estado quântico desaparece em menos da metade do tempo necessário para um neurônio integrar um sinal, efetivamente descartando a ideia de que este mecanismo biológico específico pode suportar o processamento quântico no cérebro conforme proposto atualmente.

Os pesquisadores começaram definindo exatamente o que significa tempo "suficiente" para este sistema. Eles usaram uma medida padrão de quanta informação um sistema pode conter e processar, conhecida como capacidade de memória, para estabelecer um limite rígido. Para que a memória quântica do cérebro seja útil, ela deve sobrev-viver por pelo menos dez milissegundos. A equipe calculou quanto tempo a memória duraria em um par de radicais formado por uma molécula de flavina e uma molécula de triptofano, que são conhecidas por existir no cérebro. Em um ambiente calmo e parado, esta memória desapareceria em menos de dois milissegundos. A única maneira de estender esta vida é através do estreitamento motional, onde as partes internas da molécula giram e vibram tão rapidamente que borram as interações magnéticas que causam o decaimento da memória. Os pesquisadores testaram se a rotação natural de uma pequena parte da molécula, especificamente um grupo metila ligado à flavina, poderia fornecer esse borrão necessário.

Os resultados foram claros e quantitativos. A rotação deste grupo metila acontece, mas não é caótica o suficiente para neutralizar totalmente o ruído magnético. O estudo calculou que, para a memória durar os dez milissegundos completos, o movimento interno precisaria deixar menos de sete por cento da ordem magnética original intacta. No entanto, a rotação real do grupo metila deixa cerca de vinte e cinco por cento dessa ordem intocada. Como o movimento é muito restrito, a memória dura apenas cerca de sete milissegundos. Isso fica abaixo da janela de dez milissegundos necessária para a computação neural. Os pesquisadores verificaram seu trabalho contra várias incertezas, como quanta água envolve a proteína ou quão denso é o fluido circundante, e em todos os cenários, a memória ainda desaparecia rápido demais. A margem é estreita o suficiente para importar: o resultado é melhor lido como um limite quantitativo agudo em vez de uma exclusão categórica, já que um registrador no vetor C–H da metila em vez do par próton-próton ficaria marginalmente dentro da faixa.

O artigo também examinou outras ideias que haviam sido propostas para salvar esta memória quântica. Uma sugestão era que um estado quântico especial, conhecido como singlete de vida longa, poderia proteger a informação. Os autores descobriram que este estado protege um tipo diferente de propriedade do que o cérebro precisaria usar para a memória, portanto, não ajuda. Outra ideia envolvia o uso de diferentes tipos de átomos, como substituir hidrogênio por carbono ou fósforo, para retardar o decaimento. Embora as simulações tenham mostrado que essas substituições poderiam estender a vida da memória para mais de vinte e oito milissegundos ou até noventa e um milissegundos, esses átomos não são encontrados naturalmente nos pares de radicais do cérebro. Portanto, embora esses métodos funcionem em um ambiente de laboratório, eles não se aplicam ao sistema biológico em questão. O estudo conclui que a única maneira de fazer a memória quântica durar o tempo necessário é mudar os átomos fundamentais do sistema, o que não é possível em um cérebro humano vivo.

Para provar que sua conclusão está correta, os autores propõem um experimento específico que poderia ser feito em um laboratório. Eles sugerem criar uma série de soluções com diferentes espessuras, ou viscosidades, para retardar o movimento das moléculas da enzima. Ao medir quanto tempo a memória quântica dura nessas diferentes condições, os cientistas poderiam ver se o tempo de vida da memória escala exatamente como o modelo deles prevê. Se uma proteína natural, não modificada, for algum dia encontrada capaz de manter a memória por dez milissegundos, sua conclusão estaria errada. No entanto, com base nos dados e simulações atuais, a evidência aponta para um limite definitivo. Os movimentos internos das proteínas no cérebro são simplesmente lentos e ordenados demais para limpar o ruído rápido o suficiente. A memória quântica desaparece antes que o neurônio tenha a chance de usá-la, sugerindo que o cérebro não depende deste mecanismo quântico específico para seu poder de processamento.