L'intreccio di fotoni potrebbe spiegare i rapidi segnali cerebrali alla base della coscienza.

16 agosto 2024

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corretta da David Appell, Phys.org

Comprendere la natura della coscienza è uno dei problemi più difficili in ambito scientifico. Alcuni scienziati hanno suggerito che la meccanica quantistica, e in particolare l'entanglement quantistico, sia la chiave per svelare il fenomeno.

Ora, un gruppo di ricerca in Cina ha dimostrato che molti fotoni entangled possono essere generati all'interno della guaina di mielina che ricopre le fibre nervose. Questo potrebbe spiegare la rapida comunicazione tra i neuroni, che finora si pensava avvenisse a velocità inferiore a quella del suono, troppo lenta per spiegare come avvenga la sincronizzazione neuronale.

Il paper è stato pubblicato sulla rivista Physical Review E.

"Se il potere dell'evoluzione fosse alla ricerca di un'azione pratica a distanza, l'entanglement quantistico sarebbe il candidato ideale per questo ruolo", ha affermato Yong-Cong Chen in una dichiarazione a Phys.org. Chen è un professore presso il Centro di Shanghai per le Scienze della Vita Quantitativa e il Dipartimento di Fisica dell'Università di Shanghai.

Il cervello comunica con se stesso attraverso segnali elettrici chiamati sinapsi tra i neuroni, che sono i principali componenti del tessuto nervoso. È l'attività sincronizzata di milioni di neuroni su cui si basa la coscienza (tra le altre funzioni cerebrali). Ma il modo in cui avviene questa precisa sincronizzazione è sconosciuto.

Le connessioni tra i neuroni sono chiamate assoni - strutture lunghe simili a fili elettrici - e li ricopre una guaina ("sheath") fatta di mielina, un tessuto bianco composto da lipidi.

Composta da centinaia di strati, la mielina isola gli assoni, oltre a modellarli e fornire energia agli assoni. (In realtà, una serie di queste guaine si estende per tutta la lunghezza dell'assone. La guaina di mielina è tipicamente lunga circa 100 micron, con spazi di 1-2 micron tra di esse.) Recenti evidenze suggeriscono che la mielina svolga anche un ruolo importante nel promuovere la sincronizzazione tra i neuroni.

Ma la velocità con cui i segnali si propagano lungo gli assoni è inferiore alla velocità del suono, a volte molto inferiore - troppo lenta per creare le sincronizzazioni di milioni di neuroni su cui si basano tutte le incredibili funzioni del cervello.

Per ovviare a questo problema, Chen e i suoi colleghi hanno investigato se potessero esserci fotoni entangled all'interno di questo sistema assoni-mielina che, attraverso la magia dell'entanglement quantistico, potessero comunicare istantaneamente lungo distanze coinvolte.

Un ciclo dell'acido tricarbossilico rilascia l'energia immagazzinata nei nutrienti, con una cascata di fotoni infrarossi rilasciati durante il processo di ciclizzazione. Questi fotoni si accoppiano alle vibrazioni dei legami carbonio-idrogeno (C-H) nelle molecole lipidiche ed eccitano al più alto stato energetico vibrazionale. Quando il legame passa poi a uno stato energetico vibrazionale più basso, rilascia una cascata di fotoni.

Il gruppo cinese ha applicato elettroidrodinamica quantistica in cavità a un cilindro perfetto circondato da mielina, facendo un'assunzione ragionevole che la parete esterna della guaina di mielina sia una parete conduttiva perfettamente cilindrica.

Utilizzando tecniche meccanico-quantistiche, hanno quantizzato i campi elettromagnetici e il campo elettrico all'interno della cavità, nonché i fotoni - cioè, li hanno trattati tutti come oggetti quantistici - e poi, con alcune semplificazioni, hanno risolto le equazioni risultanti.

Fare ciò ha fornito la funzione d'onda per il sistema dei due fotoni che interagiscono con la materia all'interno della cavità. Hanno quindi calcolato il grado di entanglement dei fotoni determinando la loro entropia quantistica, una misura del disordine, utilizzando un'estensione dell'entropia classica sviluppata dal polimata della scienza John von Neumann.

"Abbiamo dimostrato che i due fotoni possono effettivamente avere un'alta probabilità di essere entangled in determinate occasioni", ha detto Chen nella sua dichiarazione.

La parete conduttiva limita le modalità di onde elettromagnetiche che possono esistere all'interno del cilindro, rendendo il cilindro una cavità elettromagnetica che conserva la maggior parte della sua energia al suo interno. Queste modalità sono diverse dalle onde elettromagnetiche continue ("luce") che esistono nello spazio libero.

Sono queste modalità discrete che portano alla frequente produzione di fotoni altamente entangled all'interno della cavità di mielina, il cui tasso di produzione può essere significativamente migliorato rispetto a due fotoni non entangled.

L'entanglement significa che lo stato dei due fotoni non è una combinazione classica di due stati del fotone. Invece, misurare o interagire con uno dei fotoni influisce istantaneamente sulla stessa proprietà del secondo fotone, indipendentemente da quanto lontano possa trovarsi.

L'Intreccio è stato dimostrato per un sistema i cui membri sono distanti più di 1.000 km. Niente di simile esiste nella fisica classica; è puramente un fenomeno quantistico. Qui, l’intreccio solleverebbe la possibilità di trasmissioni molto più veloci lungo le sezioni di mielina che circondano segmenti della lunghezza dell'assone.

Una possibilità, scrivono gli autori, è che l’intreccio dei fotoni potrebbe trasformarsi in un'intreccio lungo i canali di ioni di potassio nel neurone. Se così fosse, l'apertura e la chiusura di un canale potrebbero influenzare le prestazioni di un altro in un'altra parte.

Chen ha detto a Phys.org che il loro risultato è una combinazione di due fenomeni che esistono ma sono ancora largamente misteriosi: la coscienza (per non parlare della coscienza quantistica) e l’intreccio quantistico.

"Non diremo che c'è una connessione diretta. In questa fase iniziale, il nostro obiettivo principale è identificare possibili meccanismi di sincronizzazione neurale, che influenzano numerosi processi neurobiologici. Attraverso questo lavoro, speriamo di acquisire una migliore comprensione."

Ulteriori informazioni: Zefei Liu et al, Generazione biphoton intrecciata nella guaina mielinica, Physical Review E (2024). DOI: 10.1103/PhysRevE.110.024402. Su arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2401.11682

Informazioni sulla rivista: Physical Review E, arXiv

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