大脑如何产生自由意识？源于其原子核自旋的相互纠缠

　　来源：环球科学ScientificAmerican

　　从意识的产生到长期记忆的形成，我们的大脑是如何与众不同。我们的大脑如何产生自由意识并保存记忆的？最近几年，一些量子物理学家提出了令人大跌眼镜的观点：意识产生于大脑内原子核自旋的相互纠缠。

　　马修?费希尔（Matthew Fisher）担心他同行们会如何看待他的项目。但最后他松了口气，因为他的想法没有遭到在场者的嘲笑。“他们认为我的项目符合科学，而没有把我当成疯子”。

　　当然，费希尔的简历看起来也不像是个疯子。他是材料量子特性的专家，曾在IBM任职，后来转到微软负责开发量子计算机。现在，费希尔是加利福尼亚大学圣巴巴拉分校卡弗里理论物理研究所的教授。2015年，他获得了美国物理学会的奥利弗?E?巴克利凝聚态物理学奖。值得一提的是，很多该奖项的获得者都赢得了诺贝尔奖。

　　事实上，他的研究课题让许多物理学家避之不及。

　　“大脑思维的产生是否源于量子机制？这是一个完全合理的问题。”费希尔说。从某种意义上来说，他是对的，答案很肯定。大脑由原子组成，而所有的原子都遵循量子物理的法则。但费希尔真正想问的是，量子物体的奇异特性，包括同时存在于两个不同的位置和超距作用等，能否解释人类认知中的一些难解之谜。而这正是一个极具争议的问题。

　　最主要的反对声来自于奥卡姆剃刀，该理论认为最简洁的解释往往是最好的。从这一点看来，对于大脑的工作原理，目前的不涉及量子理论的解释已经令人满意。加拿大安大略省滑铁卢大学的哲学家保罗?撒加德（Paul Thagard）说：“越来越多的证据表明，我们能够根据神经元之间的交流来解释大脑中每一件有趣的事情。”

　　但是费希尔不太确定，他指出目前关于记忆的理论――比如记忆是存储在神经元网络中或是神经连接处――还远不够完美。费希尔说：“我的直觉告诉我神经科学还有许多谜团有待解决”。所以我们不妨看看量子力学解释有何高见。


马修?费希尔

　　脆弱的叠加态

　　在此之前我们也面临过同样的问题。1989，牛津数学家罗杰?彭罗斯（Roger Penrose）就提出，目前没有标准、经典的计算模型能够解释大脑如何产生思维以及意识体验。这个想法受到很多人的关注，尤其是亚利桑那州的麻醉师斯图尔特?哈默夫（Stuart Hameroff），他曾提出一种量子效应的具体想法。

　　这个想法的关键在于，组成神经结构的微管蛋白通过量子效应来形成不同形状的“叠加态”。处于叠加状态的每一种形状都代表着一个经典意义的比特信息，因此这种通过形状变换来形成的量子比特，相对于传统理论而言能够存储成倍的信息。

　　量子理论的另一个特性在于它允许量子态的物体在不接触的情况下相互纠缠，这让量子计算机的效率远远高于任何传统的计算机。事实上，彭罗斯就曾指出量子计算机能够同时处理多个问题，再通过多种途径整合不同问题的答案，这或许是大脑非凡智慧的关键。

　　彭罗斯和哈默夫在这一问题上进行合作，在一段时间里，他们和其他的合作者都认为这个观点相当明智。但很快，这个理论的漏洞也随之而来。

　　在物理学家看来，最根本的问题在于相干时间。叠加态和纠缠态都是极为脆弱的现象，最细微的干扰都能将其破坏。哪怕一点热量、机械波或者其他的扰动，都能使其退相干并回到经典状态，存储在量子状态中的信息也随之消散到周围的环境之中。

　　这个问题在过去的二十几年里限制了包括费希尔在内的一些物理学家构建量子计算机的尝试。即使在低温冷冻并且隔绝机械干扰的条件下，也很难让量子网络的相干性维持足够长的时间来超过经典的计算机。

　　而在温热、湿润的大脑组织中，一团晃动不停、互相推挤的分子聚在一起，想要保持量子状态不遭破坏几乎不太可能。神经元在处理信息时需要将其存储数毫秒或者更长时间，而计算的结果告诉我们微管系统的叠加状态最多维持10-20秒~10-13秒。神经哲学家帕特里夏?丘奇兰德（Patricia Churchland）在1996年总结道：“相信神经元内存在量子相干性，还不如假设神经突触间有妖精尘埃。”这在随后也成了主流看法。

　　来自大鼠试验的灵感

　　费希尔对此持怀疑态度。“当大家开始谈论微管系统的时候，我立刻意识到这没有意义，”他说，“你无法让微管系统处理量子信息，除非把它与周围的环境完全隔绝开来。”

　　但同样，他认为如果生物演化能够做到这一点，那也不会让人觉得奇怪。地球上的生命已经有数十亿年的时间“探索”量子机制，其精致的分子装置给予它开发利用的手段。大脑中神经元的电脉冲也许是思维和记忆的直接基础，虽然经典物理学可以很好地解释这一点，但隐藏其下的量子层面也许能部分解释这些神经元如何关联和激发。



　　费希尔对这一课题产生的兴趣出于其他原因，他对周围人所患的精神疾病感到好奇，也想知道治疗药物能够产生的效果。“没人真正知道精神类药物的作用机制。”他说。我们需要对药物如何影响人的精神作出更好的解释，这正是他研究这一课题的原因。

　　费希尔最初的关注点是锂，一种用于多种情绪稳定药物的材料。当他整理科学文献的时候，碰巧看到了1986年的一篇报道：研究人员给大鼠饲喂锂的两种同位素：锂6和锂7。在大鼠梳理毛发、照顾幼崽、筑巢、喂养和其他一些行为中，锂6组要比锂7组和对照组活跃的多。

　　正是这篇论文让费希尔认为，是时候再次考虑量子认知理论了。所有的原子核，就像组成它们的基本粒子一样，拥有一种量子特性――自旋。粗略地说，自旋量化了原子核“感受”电场和磁场的程度。自旋越快，影响就越明显。一个原子核可能的最小自旋为1/2，几乎不受电场影响，在磁场中也只有微弱的相互作用。而在大脑这样充满电场的环境中，拥有1/2自旋的的原子核能够不受电场干扰。

　　自旋为1/2的原子核在自然界中并不普遍。锂6的自旋为1，但大脑内部的化学环境，是以水为溶剂的盐溶液，水中的游离氢离子让锂6的表现接近于一个自旋为1/2的核。早在20世纪70年代，实验就已经记录下锂6的原子核能够保持长达5分钟的稳定自旋。费希尔认为，如果量子能控制大脑的计算过程，锂可能正是通过将这些相干的原子核整合进大脑的化学过程中，以起到镇定作用的。

　　不仅如此，锂6无法在大脑里自然产生，但有一种自旋为1/2的原子核可以，并且它还是多种化学反应的活跃参与者，它就是磷。这一想法的种子在费希尔的思想里生根发芽。“如果量子过程在大脑里持续进行，那磷原子核的自旋就是唯一的途径。”费希尔说。

　　计算了各种含磷分子的相干时间之后，费希尔公布了一种候选的量子比特装置。它是被称为波斯纳分子（Posnermolecule）或波斯纳簇（Posner cluster）的钙磷结构，于1975年在骨骼矿物中发现。而在实验室里配制的模拟体液中（水，加上一些生物分子和无机盐），还能观察到它在周围漂浮。费希尔测量了这些分子的相干时间，结果令人吃惊，有105秒，相当于差不多一整天。



　　大脑里存在含有六个磷原子的波斯纳分子簇，这些磷的原子核自旋能够互相纠缠，并可能影响我们的思维和记忆。

　　他还确定了至少一种化学反应，能够在大脑中自然地形成波斯纳分子的核自旋之间的纠缠态。这个过程涉及到钙的吸收和脂肪代谢中所用到的焦磷酸酶。这种酶能够打破两个磷酸根的连接结构，并产生两个单独的离子。理论上，这两个离子的核自旋应该相互纠缠。这些游离的离子释放到细胞周围的体液中，并与钙离子相结合而形成波斯纳分子。

　　

寻找实验证据

　　如果这些假设正确，那大脑的细胞外液中将充斥着由互相纠缠的波斯纳分子所形成的复杂的分子簇。一旦进入神经元，这些分子就能改变细胞信号传导的方式，形成思维或记忆。

　　费希尔将他的理论细节发表在《物理学年鉴》上（362期593页）。但他承认，这大部分都还只是推测。“我还只停留在讲故事的阶段，”他说，“我还需要更多实验证据”。

　　第一步要确定波斯纳分子是否真的存在于细胞外液之中，并且它们能否纠缠。费希尔设想在实验室通过化学反应来诱导磷原子核自旋之间的纠缠，并将得到的溶液分别注入两个试管，再通过两个溶液所发出的光之间的量子关联性来进行测试。只有观察到这一现象，我们才能首次获得量子认知的论据。

　　可以想见，彭罗斯对这个故事目前的进展感到兴奋。他说：“哈默夫和我都在很长一段时间里相信核自旋可能是长期记忆形成的关键因素。马修?费希尔的想法能为这一图景做出相当积极的贡献”。

　　然而，彭罗斯还在描绘他的微管假说，他仅仅把马修的新提议作为维持长期记忆所需要的一种附加物。他说：“意识现象更可能与相联的微管中的量子作用有关”。

　　对于彭罗斯来说，意识与重力作用在量子状态并导致它们退相干；相比于原子核，微管具有更大的质量，因此更可能形成这种相互作用。而费希尔宁愿不走这条路，并坦言他在论文里极力避免这个以c开头的词―consciousness（意识），而使用像memory（记忆）这样定义准确的概念。

　　他的提议也许并不疯狂，但是否有足够的说服力，让质疑者重新考虑大脑中的量子效应？撒伽德也打开了他的脑洞，他指出过去近30年积累的证据表明，其他生物过程也涉及到长期的量子相干态，比如光合作用。牛津大学的弗拉特科?费德拉（Vlatko Vedral）也看到了费舍尔工作的一些价值。他说，温热、湿润的大脑太乱而无法产生有用的相干性，有这种想法的人“想得太简单”。除此之外，他还不确定费希尔的原理所能发挥的确切作用。“但至少他所提出的实验可以让这个问题的探索继续下去。”他说。

　　如果出现了任何成功的迹象，费希尔还有许多想法想要测试：包括关于锂的问题，以及相关的自旋效应能否解释汞对大脑的影响。一些常见的汞同位素具有非零的核自旋，这可能让波斯纳分子内的磷核自旋退相干。

　　问题不断出现。是否头部的撞击会因为引起退相干而导致失忆？经过大脑的磁场刺激是否会因为核自旋而改变大脑的状态，并激发大脑中的磁场？费希尔也承认，这些观点都很有说服力。

　　约翰乔?麦克法登（Johnjoe McFadden）是英国萨里大学的分子生物学家，他是一位还未被说服的研究者。 他再次援引奥卡姆剃刀。 “想要形成一个连贯的故事还需要太多的比特信息，”他说，“如果其中之一无法成立，那一切都会崩溃。”

　　撒伽德也想知道这个系统会如何崩溃。他说：“我不认为需要更多的解释来描述有趣的心理现象”。但我们没有理由不去认真评估这些提议，他补充道：“进行科学研究的有效力量之一就是人们尝试不同的方法，你会得到相互竞争的解释。这一切都很好，我只是把我的钱花在不同的方法上了。”

　　而与此同时，费希尔则把钱投资在自己的观点上：他自己花了2万美元现金来申请专利，用富含锂6的化合物来治疗抑郁和其他类似的精神疾病。然而，他自己也不清楚这个技术是否领先。“量子认知能否理解我们的神经科学还无法解答的东西？”他自己的答案： “也许真的可以。”