Biofisica quantistica nel cervello

Esiste una interpretazione della meccanica quantistica abbastanza recente che non è discussa spesso.

Tale interpretazione merita comunque una menzione almeno per due motivi: il primo è che il suo ideatore è uno dei più rispettabili  fisici matematici della sua generazione, Roger Penrose, il secondo invece è che tale interpretazione può chiarire un’area della scienza più misteriosa della meccanica quantistica stessa, ovvero l’origine della coscienza.

Rappresentazione della coscienza XVII secolo

Secondo Penrose, la sovrapposizione di differenti stati quantici non collassa per causa dell’atto di misura, per la presenza di un osservatore o qualsiasi altra interazione con l’ambiente. Penrose infatti ritiene che il processo di collasso della funzione d’onda avvenga a causa di diverse geometrie di spazio e tempo di ogni stato del mix.

Una volta che la differenze negli stati raggiunge un certo valore critico, tale stato di sovrapposizione diventa instabile e collassa in uno dei possibili stati.

Naturalmente né Penrose né nessun altro conosce in dettaglio questo meccanismo. Sarà necessaria una teoria della supergravità per comprenderlo appieno.

 

Questa interpretazione è stata applicata da Penrose e Stuart Hameroff per spiegare come la coscienza possa essere attivata nel cervello umano.

L’osservazione degli scienziati è che il processo pensante del cervello umano non possa essere comprensibile in termini di computazione nei termini classici ma richieda un approccio quantistico.

Penrose ritiene di avere in mano la spiegazione di tale fenomeno in chiave biologica. La struttura vascolare del cervello proteggerebbe lo stato coerente formatosi nel cervello dall’ambiente esterno.

 

I neuroni nel cervello contengono sottili microstrutture denominate microtubuli. Esse sono composte da composte da tubulina, una proteina che esiste in due conformazioni diverse. Penrose e Hameroff suppongo che i microtubuli abbiano le giuste proprietà per mantenere questa sovrapposizione quantistica che si espande alle altre tubuline circostanti.

Secondo Penrose e Hameroff è mantenuto uno stato di sovrapposizione coerente per un tempo significativo permettendo l’emergere di un processo pre-cosciente. Il collasso avviene quando è superata la soglia di Penrose. A tale processo si può associare la nascita del processo cosciente.

 

Il cervello viene visto come una macchina quantistica di primo livello.

Il suo modello di Penrose ed Hameroff richiede che 20.000 neuroni si mantengano per 1/40 di secondo in sovrapposizione quantistica a temperatura ambiente.

Il libro Shadow of Mind, pubblicato nel 1994 da Penrose sull’argomento ha molti detrattori, sembra infatti improbabile che in queste condizioni le peturbazioni dell’ambiente non danneggino la sovrapposizione, che è uno stato molto delicato.

Probabilmente l’elemento fondamentale dell’intelligenza cellulare è il microtubulo.

Stuart Hameroff, medico ricercatore dell’Università dell’Arizona,  negli anni 80 ipotizza  che i microtubuli siano capaci di calcolo. Fino ad allora erano sempre stati considerati solo componenti del citoscheletro.

 

Hameroff ipotizzò nel 1982 che i microtubuli si comportassero come automi cellulari.

In realtà  la struttura del microtubulo assomiglia esattamente ad un automa cellulare: ogni tubulo è costruito sulla base di migliaia di dimeri di tubulina sistemati in una griglia bidimensionale arrotolata su se stessa.

La griglia forma un vicinato esagonale con sei vicini e il passaggio di un elettrone cambia la conformazione del dimero.

 

Tuttavia il modello di Hameroff era sbagliato: le regole che governano le interazioni fra tubuline non sono quelle da lui predette, inoltre il suo modello per funzionare necessita dello zero assoluto.

Le reti di tubuline assomigliano ad automi cellulari ma non lo sono.

Tuttavia abbiamo visto che funzionano davvero come computer paralleli. Il modo in cui calcolano è ancora da stabilire.

Il modello di Jack Tuszynski (Università di Alberta) è più convincente.

http://www.phys.ualberta.ca/~jtus/PDF_jt_files/BIOSYS2002.pdf

Parte dal principio che le reti di microtubuli devono funzionare a temperatura ambiente e dimostra che sono trasmettitori elettromeccanici di segnali che computano in base a un modello simile ai vetri di spin.

 

Personalmente, il mio parere riguardo questi argomenti è quello del massimo scetticismo. Le verifiche sperimentali sono poche e saranno necessari ancora parecchi lavori per entrare nel dettaglio di teorie che mirano a capovolgere la conoscenza attuale.

 

Bibliografia:

Jim Al-Khalili: Quantum: a guide to perplexed

E.Schroedinger: Cos’è la vita? http://www.disf.org/CosaDevoSapere/Schroedinger.asp

Stuart Hameroff: That’s life! The geometry of pi electron resonance clouds

http://www.valdostamuseum.org/hamsmith/QuanCon.html

Link all'articolo originale: http://carlonicolini.altervista.org/index.php/Fisica-e-scienze/Meccanica-quantistica/biofisica-quantistica-nel-cervello.html