Photonenverschränkung könnte die schnellen Hirnsignale hinter dem Bewusstsein erklären.

16. August 2024

Merkmal

Dieser Artikel wurde gemäß dem redaktionellen Prozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Herausgeber haben die folgenden Merkmale hervorgehoben und dabei die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

• Faktencheck
• peer-reviewed Veröffentlichung
• vertrauenswürdige Quelle
• lektoriert

von David Appell, Phys.org

Die Natur des Bewusstseins zu verstehen, ist eine der schwierigsten Probleme in der Wissenschaft. Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass die Quantenmechanik, insbesondere die Quantenverschränkung, der Schlüssel zur Entwirrung des Phänomens sein könnte.

Jetzt hat eine Forschungsgruppe in China gezeigt, dass viele verschränkte Photonen innerhalb der Myelinscheide erzeugt werden können, die die Nervenfasern umhüllt. Dies könnte die schnelle Kommunikation zwischen Neuronen erklären, die bisher als langsamer als Schallgeschwindigkeit angesehen wurde und daher zu langsam ist, um zu erklären, wie die neuronale Synchronisation stattfindet.

Der Artikel wurde im Journal Physical Review E veröffentlicht.

'Wenn die Evolution nach einer geeigneten Fernwirkung gesucht hätte, dann wäre die Quantenverschränkung ein idealer Kandidat für diese Rolle', sagte Yong-Cong Chen in einer Erklärung gegenüber Phys.org. Chen ist Professor am Shanghai Center for Quantitative Life Sciences und am Physikdepartement der Universität Shanghai.

Das Gehirn kommuniziert intern, indem es elektrische Signale, sogenannte Synapsen, zwischen Neuronen abfeuert, die die Hauptbestandteile des Nervengewebes sind. Es ist die synchronisierte Aktivität von Millionen von Neuronen, auf der das Bewusstsein (unter anderem) beruht. Doch wie diese präzise Synchronisation stattfindet, ist unbekannt.

Die Verbindungen zwischen den Neuronen werden Axone genannt - lange Strukturen ähnlich elektrischen Drähten - und sie sind von einer Schicht ('Scheide') aus Myelin umgeben, einem weißen Gewebe aus Lipiden.

Myelin besteht aus bis zu mehreren hundert Schichten, isoliert die Axone, formt sie und liefert Energie an die Axone. (Tatsächlich erstreckt sich eine Reihe solcher Scheiden über die Länge des Axons. Die Myelinscheide ist in der Regel etwa 100 Mikrometer lang, mit Abständen von 1 bis 2 Mikrometern zwischen ihnen.) Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Myelin auch eine wichtige Rolle bei der Förderung der Synchronisation zwischen den Neuronen spielt.

Doch die Geschwindigkeit, mit der Signale entlang der Axone propagieren, liegt unterhalb der Schallgeschwindigkeit, manchmal weit darunter - zu langsam, um die Millionen von Neuronsynchronisationen zu erzeugen, auf denen all die erstaunlichen Dinge beruhen, die das Gehirn vollbringen kann.

Um dieses Problem zu beheben, untersuchten Chen und seine Kollegen, ob es im Axon-Myelin-System verschränkte Photonen geben könnte, die durch die Magie der Quantenverschränkung instantan über die beteiligten Entfernungen kommunizieren könnten.

Ein Trikarbonsäurezyklus gibt die in Nährstoffen gespeicherte Energie frei, wobei im Verlauf des Zyklus eine Kaskade von Infrarotphotonen freigesetzt wird. Diese Photonen koppeln mit Schwingungen von Kohlenstoff-Wasserstoff (C-H)-Bindungen in Lipidmolekülen und regen sie zu einem höheren Schwingungszustand an. Wenn die Bindung dann zu einem niedrigeren Schwingungszustand übergeht, werden eine Reihe von Photonen freigesetzt.

Die chinesische Gruppe wandte Quanten-Elektrohydrodynamik in einer perfekten Zylinderumgebung, umgeben von Myelin, an, wobei die vernünftige Annahme getroffen wurde, dass die äußere Wand der Myelinscheide eine perfekt zylindrische leitende Wand ist.

Unter Verwendung quantenmechanischer Techniken quantisierten sie die elektromagnetischen Felder und das elektrische Feld innerhalb der Höhle, sowie die Photonen - das heißt, sie behandelten sie alle als Quantenobjekte - und lösten dann mit einigen vereinfachenden Annahmen die resultierenden Gleichungen.

Das gab die Wellenfunktion für das System der beiden Photonen, die mit der Materie innerhalb der Höhle interagieren. Dann berechneten sie den Grad der Verschränkung der Photonen, indem sie ihre quantenmechanische Entropie bestimmten, ein Maß für Unordnung, unter Verwendung einer Erweiterung der von dem Wissenschaftspolymath John von Neumann entwickelten klassischen Entropie.

'Wir haben gezeigt, dass die beiden Photonen unter bestimmten Umständen tatsächlich häufiger verschränkt werden können', sagte Chen in seiner Erklärung.

Die leitende Wand begrenzt die elektromagnetischen Wellenmoden, die innerhalb des Zylinders existieren können, und macht den Zylinder zu einer elektromagnetischen Höhle, die die meiste Energie in sich behält. Diese Moden unterscheiden sich von den kontinuierlichen elektromagnetischen Wellen ('Licht'), die im freien Raum existieren.

Es sind diese diskreten Modi, die eine häufige Produktion von stark verschränkten Photonen innerhalb der Myelinhöhle zur Folge haben, deren Produktionsrate im Vergleich zu zwei unverschränkten Photonen erheblich erhöht werden kann.

Verschränkung bedeutet, dass der Zustand der beiden Photonen nicht eine klassische Kombination von zwei Photonenzuständen ist. Stattdessen beeinflusst das Messen oder Interagieren mit einem der Photonen sofort die gleiche Eigenschaft des zweiten Photons, unabhängig von der Entfernung.

Verwicklung wurde für ein System nachgewiesen, dessen Mitglieder über 1.000 km voneinander entfernt sind. So etwas existiert nicht in der klassischen Physik; es handelt sich rein um ein quantenphänomen. Hier könnte Verwicklung die Möglichkeit schnellerer Signalübertragung entlang der Abschnitte des Myelins eröffnen, die Segmente der Axonlänge umgeben.

Die Autoren schreiben, eine Möglichkeit sei, dass die Verwicklung von Photonen sich in Verwicklung entlang von Kaliumionenkanälen im Neuron umwandeln könnte. Wenn dies der Fall wäre, könnte das Öffnen und Schließen eines Kanals die Leistung eines anderen an anderer Stelle beeinflussen.

Chen sagte Phys.org, dass ihr Ergebnis eine Kombination zweier Phänomene darstellt, die existieren, aber immer noch weitgehend mysteriös sind: Bewusstsein (ganz zu schweigen von quantenbewusstsein) und quantenverwicklung.

"Wir werden nicht sagen, dass es eine direkte Verbindung gibt. In diesem frühen Stadium ist unser Hauptziel, mögliche Mechanismen der neuronalen Synchronisation zu identifizieren, die zahlreiche neurobiologische Prozesse beeinflussen. Durch diese Arbeit hoffen wir, ein besseres Verständnis zu erlangen."

Weitere Informationen: Zefei Liu et al, Verwicklung von Biphotonenerzeugung in der Myelinscheide, Physical Review E (2024). DOI: 10.1103/PhysRevE.110.024402. Auf arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2401.11682

Journalinformation: Physical Review E , arXiv

© 2024 Science X Network