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

人类的大脑是一个潮湿、温暖且混乱的地方，在这种环境下，微妙的信号通常会几乎瞬间消散在噪声之中。几十年来，科学家们一直在探寻大脑是否能够利用量子力学的奇特规则来处理信息，这一研究领域被称为量子生物学。一种特定的观点认为，存在于大脑酶中的被称为“自由基对”的微小、短寿命分子对，可以作为量子信息的存储系统。人们希望这些分子内的原子核能够保持记忆足够长的时间，从而影响神经元的放电过程，而这一过程大约需要十毫秒。然而，大脑的热量和运动通常会在不到一秒钟的时间内破坏这种脆弱的量子态。为了使这一机制奏效，该理论依赖于一种被称为“运动窄化”（motional narrowing）的机制，即分子内部原子快速、抖动的运动如何通过某种方式平均掉噪声，从而延长记忆的寿命。

由研究员若熊（Hikaru Wakaura）和谷岭（Taiki Tanimae）开展的一项新研究对这一特定设想进行了严格的测试。他们不仅仅是在理论上询问这种想法是否可行；他们构建了一个精确的数学模型，以观察这些数字在真实的生物系统中是否能对得上。他们的工作聚焦于一种名为隐花色素（cryptochrome）的特定酶，其中包含一对可以形成自由基对的分子。研究人员考察了该酶内部原子的运动是否能缩短量子记忆消逝的时间，从而将其延长至所需的十毫秒。通过基于既定物理定律的详细模拟，他们发现蛋白质内部的自然运动还不够快或不够混乱，无法挽救这种记忆。量子态的消逝时间甚至不足神经元整合信号所需时间的一半，这实际上排除了这种特定的生物机制能够支持大脑中量子处理过程的可能性。

研究人员首先明确了对于该系统而言，“足够”的时间究竟意味着什么。他们使用了一种衡量系统能够持有和处理多少信息的标准度量——即“记忆容量”，以此设定了一个硬性限制。为了使大脑的量子记忆发挥作用，它必须至少持续十毫秒。团队计算了由黄素（flavin）分子和色氨酸（tryptophan）分子组成的自由基对中的记忆时长，已知这些分子存在于大脑中。在一个平静、静止的环境中，这种记忆会在不到两毫秒内消失。延长其寿命的唯一方法是通过运动窄化，即分子的内部部分旋转和振动得如此之快，以至于模糊掉了导致记忆衰减的磁相互作用。研究人员测试了分子一小部分的自然旋转——具体来说是附着在黄素上的甲基——是否能提供这种必要的模糊效果。

结果是清晰且定量的。甲基的旋转确实存在，但其混乱程度不足以完全平均掉磁噪声。研究计算出，若要使记忆持续整整十毫秒，内部运动需要使原始磁序仅保留不到百分之七。然而，甲基的实际旋转保留了大约百分之二十五的原始磁序。由于运动受到过多限制，记忆只能维持约七毫秒。这未能达到神经计算所需的十毫秒窗口。研究人员针对各种不确定因素进行了校验，例如围绕蛋白质的水分量或周围流体的密度，在每种情景下，记忆消逝的速度依然过快。其中的差距足以引起关注：其结果最好被视为一个尖锐的定量边界，而非绝对的排除，因为如果以甲基 C–H 矢量而非质子–质子对作为寄存器，则可能勉强处于该区间之内。

论文还探讨了其他曾被提议用来挽救这种量子记忆的想法。有一种建议是利用一种被称为“长寿命单线态”的特殊量子态来保护信息。作者发现，这种状态保护的是一种与大脑用于记忆的不同性质，因此并无帮助。另一种想法涉及使用不同类型的原子，例如用碳或磷取代氢，以减缓衰减速度。虽然模拟显示，这些替代方案可以将记忆寿命延长到超过二十八毫秒甚至九十一毫秒，但这些原子在脑内的自由基对中并不自然存在。因此，尽管这些方法在实验室环境中有效，但并不适用于所讨论的生物系统。研究结论指出，使量子记忆持续足够长时长的唯一途径是改变系统的基本原子，而这在活体人类大脑中是不可能的。

为了证明其结论的正确性，作者提出了一个可以在实验室进行的特定实验。他们建议制备一系列具有不同厚度（或粘度）的溶液，以减慢酶分子的运动。通过测量在这些不同条件下量子记忆的持续时间，科学家可以观察记忆寿命是否完全符合其模型的预测。如果未来发现了一种天然的、未经修改的蛋白质能够保持十毫秒的记忆，那么他们的结论将被推翻。然而，基于目前的数据和模拟，证据指向了一个明确的界限。大脑中蛋白质的内部运动过于缓慢且过于有序，无法通过足够的混乱来清除噪声。量子记忆在神经元有机会利用它之前就已经消逝，这表明大脑并不依赖这种特定的量子机制来进行其处理能力。