Photonenverstrengeling kan de snelle hersensignalen achter bewustzijn verklaren

16 augustus 2024 kenmerk

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleidsregels van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

• feiten gecontroleerd
• peer-reviewed publicatie
• betrouwbare bron
• gecorrigeerd

door David Appell, Phys.org

Het begrijpen van de aard van het bewustzijn is een van de moeilijkste problemen in de wetenschap. Sommige wetenschappers hebben gesuggereerd dat de kwantummechanica, en met name kwantumentanglement, de sleutel kan zijn om dit fenomeen te ontrafelen.

Nu heeft een onderzoeksgroep in China aangetoond dat er veel verstrengelde fotonen kunnen worden gegenereerd in de meyline schede die zenuwvezels bedekt. Dit zou de snelle communicatie tussen neuronen kunnen verklaren, die tot nu toe werd gedacht onder de geluidssnelheid te liggen, te traag om te verklaren hoe neurale synchronisatie plaatsvindt.

Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review E.

'Als de kracht van de evolutie op zoek was naar handige actie over een afstand, zou kwantumentanglement een ideale kandidaat zijn voor deze rol,' zei Yong-Cong Chen in een verklaring aan Phys.org. Chen is hoogleraar aan het Shanghai Center for Quantitatieve Levenswetenschappen en de Natuurkundeafdeling van de Universiteit van Shanghai.

De hersenen communiceren binnen zichzelf door elektrische signalen, genaamd synapsen, tussen neuronen af te vuren, die de belangrijkste componenten van het zenuwweefsel zijn. Het is de gesynchroniseerde activiteit van miljoenen neuronen waarop het bewustzijn (naast andere hersenactiviteiten) berust. Maar hoe deze precieze synchronisatie plaatsvindt, is onbekend.

Verbindingen tussen neuronen worden axonen genoemd - lange structuren vergelijkbaar met elektrische draden - en deze worden bedekt met een coating ('schede') gemaakt van myeline, een wit weefsel gemaakt van lipiden.

Bestaande uit honderden lagen, isoleert myeline de axonen, vormt deze en levert energie aan de axonen. (In werkelijkheid strekt een serie van dergelijke schedes zich uit over de lengte van het axon. De myeline schede is typisch ongeveer 100 micron lang, met 1 tot 2 micron tussenruimte tussen hen.) Recente bewijzen suggereren dat myeline ook een belangrijke rol speelt bij het bevorderen van synchronisatie tussen neuronen.

Maar de snelheid waarmee signalen langs de axonen voortplanten is onder de geluidssnelheid, soms veel lager - te traag om de miljoenen neuronsynchronisaties te creëren die de basis vormen voor alle verbazingwekkende dingen die de hersenen kunnen doen.

Om dit probleem op te lossen, onderzochten Chen en zijn collega's of er verstrengelde fotonen konden zijn binnen dit axon-myeline systeem die, via de magie van kwantumentanglement, direct over de betrokken afstanden konden communiceren.

Een tricarbonzuurcyclus geeft energie vrij die is opgeslagen in voedingsstoffen, met een cascade van infrarode fotonen die worden vrijgegeven tijdens het cycleringsproces. Deze fotonen koppelen aan vibraties van koolstof-waterstof (C-H) bindingen in lipide moleculen en brengen ze naar een hogere vibratie-energiestaat. Als de binding dan overgaat naar een lagere vibratie-energiestaat, worden er een cascade van fotonen vrijgegeven.

De Chinese groep paste caviteit kwantumelektrohydrodynamica toe op een perfecte cilinder omringd door de myeline, waarbij de redelijke aanname werd gedaan dat de buitenwand van de myeline schede een perfect cilindrische geleidende wand is.

Met behulp van kwantummechanische technieken kwantificeerden ze de elektromagnetische velden en het elektrische veld binnen de holte, evenals de fotonen - dat wil zeggen, ze behandelden ze allemaal als kwantumobjecten - en losten vervolgens met enkele vereenvoudigende aannames de resulterende vergelijkingen op.

Hierdoor kregen ze de golffunctie voor het systeem van de twee fotonen die interageren met de materie binnen de holte. Vervolgens berekenden ze de mate van verstrengeling van de fotonen door de kwantumentropie te bepalen, een maat voor wanorde, met behulp van een uitbreiding van de klassieke entropie ontwikkeld door de wetenschappelijke veelvraat John von Neumann.

'We hebben aangetoond dat de twee fotonen inderdaad een hogere mate van verstrengeling kunnen hebben bij gelegenheden,' zei Chen in zijn verklaring.

De geleidende wand beperkt de elektromagnetische golfmodi die binnen de cilinder kunnen bestaan, waardoor de cilinder een elektromagnetische holte wordt die de meeste energie binnenin houdt. Deze modi verschillen van de continue elektromagnetische golven ('licht') die in de vrije ruimte bestaan.

Het zijn deze discrete modi die leiden tot de frequente productie van zeer verstrengelde fotonen binnen de myeline-holte, waarvan de productiesnelheid aanzienlijk kan worden verbeterd in vergelijking met twee niet-verstrengelde fotonen.

Verstrengeling betekent dat de twee-fotonstaat geen klassieke combinatie is van twee fotonstaten. In plaats daarvan beïnvloedt het meten of interageren met een van de fotonen onmiddellijk dezelfde eigenschap van het tweede foton, ongeacht hoe ver het weg is.

Verstrengeling is aangetoond voor een systeem waarvan de leden meer dan 1.000 km uit elkaar zijn. Niets dergelijks bestaat in de klassieke fysica; het is puur een kwantumfenomeen. Hier zou verstrengeling de mogelijkheid van veel snellere signalering langs de delen van myeline die segmenten van de lengte van de axon omhullen, kunnen verhogen.

Een mogelijkheid, schrijven de auteurs, is dat de verstrengeling van fotonen kan transformeren in verstrengeling langs kaliumionkanalen in de neuron. Als dat zo is, kan het openen en sluiten van een kanaal de prestaties van een ander ergens anders beïnvloeden.

Chen vertelde aan Phys.org dat hun resultaat een combinatie is van twee fenomenen die bestaan maar nog grotendeels mysterieus zijn: bewustzijn (laat staan kwantumbewustzijn) en kwantumverstrengeling.

'We zullen niet zeggen dat er een directe verbinding is. In dit vroege stadium is ons belangrijkste doel het identificeren van mogelijke mechanismen van neurale synchronisatie, die talrijke neurobiologische processen beïnvloeden. Met dit werk hopen we een beter begrip te krijgen.'

Meer informatie: Zefei Liu et al, Verstrengeld biphoton generatie in de myelineschede, Physical Review E (2024). DOI: 10.1103/PhysRevE.110.024402. Op arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2401.11682

Journal informatie: Physical Review E , arXiv

© 2024 Science X Network