La entrelazamiento de fotones podría explicar las señales cerebrales rápidas detrás de la conciencia

16 de agosto de 2024

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por David Appell, Phys.org

Comprender la naturaleza de la conciencia es uno de los problemas más difíciles en la ciencia. Algunos científicos han sugerido que la mecánica cuántica, y en particular la entrelazamiento cuántico, es la clave para desentrañar el fenómeno.

Ahora, un grupo de investigación en China ha demostrado que se pueden generar muchos fotones entrelazados dentro de la vaina de mielina que cubre las fibras nerviosas. Esto podría explicar la comunicación rápida entre las neuronas, que hasta ahora se había pensado que estaba por debajo de la velocidad del sonido, demasiado lenta para explicar cómo se produce la sincronización neural.

El artículo se publicó en la revista Physical Review E.

'Si el poder de la evolución buscaba una acción práctica a distancia, el entrelazamiento cuántico sería un candidato ideal para este papel', dijo Yong-Cong Chen en un comunicado a Phys.org. Chen es profesor en el Centro de Shanghai para Ciencias de la Vida Cuantitativa y el Departamento de Física de la Universidad de Shanghai.

El cerebro se comunica dentro de sí mismo disparando señales eléctricas llamadas sinapsis entre las neuronas, que son los principales componentes del tejido nervioso. Es la actividad sincronizada de millones de neuronas en las que la conciencia (entre otros procesos cerebrales) se basa. Pero se desconoce la forma en que se produce esta sincronización precisa.

Las conexiones entre las neuronas se llaman axones, estructuras largas similares a cables eléctricos, y los recubre una capa ('vaina') hecha de mielina, un tejido blanco compuesto de lípidos.

Compuesta por hasta cientos de capas, la mielina aísla los axones, así como los moldea y les proporciona energía. (En realidad, una serie de estas vainas se extiende a lo largo del axón. La vaina de mielina suele tener alrededor de 100 micras de longitud, con brechas de 1 a 2 micras entre ellas.) Evidencia reciente sugiere que la mielina también juega un papel importante en la promoción de la sincronización entre las neuronas.

Pero la velocidad a la que las señales se propagan a lo largo de los axones está por debajo de la velocidad del sonido, a veces mucho más—demasiado lento para crear las millones de sincronizaciones de neuronas que son la base de todas las cosas increíbles que el cerebro puede hacer.

Para remediar este problema, Chen y sus colegas investigaron si podría haber fotones entrelazados dentro de este sistema axón-mielina que, a través de la magia del entrelazamiento cuántico, pudieran comunicarse instantáneamente a través de las distancias involucradas.

Un ciclo del ácido tricarboxílico libera la energía almacenada en los nutrientes, con una cascada de fotones infrarrojos liberados durante el proceso de ciclismo. Estos fotones se acoplan a las vibraciones de los enlaces carbono-hidrógeno (C-H) en las moléculas de lípidos y las excitan a un estado de energía vibratoria más alto. Cuando el enlace luego transita a un estado de energía vibratoria más bajo, libera una cascada de fotones.

El grupo chino aplicó la electrohidrodinámica cuántica de cavidad a un cilindro perfecto rodeado de mielina, haciendo la suposición razonable de que la pared exterior de la vaina de mielina es una pared conductora perfectamente cilíndrica.

Usando técnicas de mecánica cuántica, cuantificaron los campos electromagnéticos y el campo eléctrico dentro de la cavidad, así como a los fotones, es decir, los trataron a todos como objetos cuánticos y luego, con algunas suposiciones simplificadoras, resolvieron las ecuaciones resultantes.

Al hacerlo, obtuvieron la función de onda para el sistema de los dos fotones interactuando con la materia dentro de la cavidad. Luego calcularon el grado de entrelazamiento de los fotones al determinar su entropía cuántica, una medida de desorden, utilizando una extensión de la entropía clásica desarrollada por el polímata de la ciencia John von Neumann.

'Mostramos que los dos fotones pueden tener una tasa mayor de estar entrelazados en ciertas ocasiones', dijo Chen en su declaración.

La pared conductora limita los modos de onda electromagnética que pueden existir dentro del cilindro, convirtiendo el cilindro en una cavidad electromagnética que mantiene la mayor parte de su energía dentro de él. Estos modos son diferentes de las ondas electromagnéticas continuas ('luz') que existen en el espacio libre.

Son estos modos discretos los que resultan en la frecuente producción de fotones altamente entrelazados dentro de la cavidad de mielina, cuya tasa de producción puede ser significativamente mejorada en comparación con dos fotones no entrelazados.

El entrelazamiento significa que el estado de dos fotones no es una combinación clásica de dos estados de fotones. En cambio, medir o interactuar con uno de los fotones afecta instantáneamente la misma propiedad del segundo fotón, sin importar la distancia que los separe.

Se ha demostrado el entrelazamiento para un sistema cuyos miembros están a más de 1,000 km de distancia. Nada similar existe en la física clásica; es puramente un fenómeno cuántico. Aquí, el entrelazamiento plantea la posibilidad de una señalización mucho más rápida a lo largo de las secciones de la mielina que envuelven segmentos de la longitud del axón.

Una posibilidad, escriben los autores, es que el entrelazamiento de fotones podría transformarse en entrelazamiento a lo largo de los canales de iones de potasio en la neurona. Si es así, la apertura y cierre de un canal puede afectar el rendimiento de otro en otro lugar.

Chen le dijo a Phys.org que su resultado es una combinación de dos fenómenos que existen pero que aún son en gran medida misteriosos: la conciencia (y mucho menos la conciencia cuántica) y el entrelazamiento cuántico.

‘No diremos que hay una conexión directa. En esta etapa temprana, nuestro objetivo principal es identificar posibles mecanismos de sincronización neuronal, que afectan numerosos procesos neurobiológicos. A través de este trabajo, esperamos obtener una mejor comprensión.'

Más información: Zefei Liu et al, Generación de biphotones entrelazados en la vaina de mielina, Physical Review E (2024). DOI: 10.1103/PhysRevE.110.024402. En arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2401.11682

Información de la revista: Physical Review E , arXiv

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