大腦如何產生自由意識？源於其原子核自旋的相互糾纏

來源：環球科學ScientificAmerican

從意識的產生到長期記憶的形成，我們的大腦是如何與眾不同。我們的大腦如何產生自由意識並保存記憶的？最近幾年，一些量子物理學家提出了令人大跌眼鏡的觀點：意識產生於大腦內原子核自旋的相互糾纏。

馬修·費希爾（Matthew Fisher）擔心他同行們會如何看待他的項目。但最後他鬆了口氣，因為他的想法沒有遭到在場者的嘲笑。「他們認為我的項目符合科學，而沒有把我當成瘋子」。

當然，費希爾的簡歷看起來也不像是個瘋子。他是材料量子特性的專家，曾在IBM任職，後來轉到微軟負責開發量子計算機。現在，費希爾是加利福尼亞大學聖巴巴拉分校卡弗里理論物理研究所的教授。2015年，他獲得了美國物理學會的奧利弗·E·巴克利凝聚態物理學獎。值得一提的是，很多該獎項的獲得者都贏得了諾貝爾獎。

事實上，他的研究課題讓許多物理學家避之不及。

「大腦思維的產生是否源於量子機制？這是一個完全合理的問題。」費希爾說。從某種意義上來說，他是對的，答案很肯定。大腦由原子組成，而所有的原子都遵循量子物理的法則。但費希爾真正想問的是，量子物體的奇異特性，包括同時存在於兩個不同的位置和超距作用等，能否解釋人類認知中的一些難解之謎。而這正是一個極具爭議的問題。

最主要的反對聲來自於奧卡姆剃刀，該理論認為最簡潔的解釋往往是最好的。從這一點看來，對於大腦的工作原理，目前的不涉及量子理論的解釋已經令人滿意。加拿大安大略省滑鐵盧大學的哲學家保羅·撒加德（Paul Thagard）說：「越來越多的證據表明，我們能夠根據神經元之間的交流來解釋大腦中每一件有趣的事情。」

但是費希爾不太確定，他指出目前關於記憶的理論——比如記憶是存儲在神經元網路中或是神經連接處——還遠不夠完美。費希爾說：「我的直覺告訴我神經科學還有許多謎團有待解決」。所以我們不妨看看量子力學解釋有何高見。

馬修·費希爾

脆弱的疊加態

在此之前我們也面臨過同樣的問題。1989，牛津數學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）就提出，目前沒有標準、經典的計算模型能夠解釋大腦如何產生思維以及意識體驗。這個想法受到很多人的關注，尤其是亞利桑那州的麻醉師斯圖爾特·哈默夫（Stuart Hameroff），他曾提出一種量子效應的具體想法。

這個想法的關鍵在於，組成神經結構的微管蛋白通過量子效應來形成不同形狀的「疊加態」。處於疊加狀態的每一種形狀都代表著一個經典意義的比特信息，因此這種通過形狀變換來形成的量子比特，相對於傳統理論而言能夠存儲成倍的信息。

量子理論的另一個特性在於它允許量子態的物體在不接觸的情況下相互糾纏，這讓量子計算機的效率遠遠高於任何傳統的計算機。事實上，彭羅斯就曾指出量子計算機能夠同時處理多個問題，再通過多種途徑整合不同問題的答案，這或許是大腦非凡智慧的關鍵。

彭羅斯和哈默夫在這一問題上進行合作，在一段時間裡，他們和其他的合作者都認為這個觀點相當明智。但很快，這個理論的漏洞也隨之而來。

在物理學家看來，最根本的問題在於相干時間。疊加態和糾纏態都是極為脆弱的現象，最細微的干擾都能將其破壞。哪怕一點熱量、機械波或者其他的擾動，都能使其退相干並回到經典狀態，存儲在量子狀態中的信息也隨之消散到周圍的環境之中。

這個問題在過去的二十幾年裡限制了包括費希爾在內的一些物理學家構建量子計算機的嘗試。即使在低溫冷凍並且隔絕機械干擾的條件下，也很難讓量子網路的相干性維持足夠長的時間來超過經典的計算機。

而在溫熱、濕潤的大腦組織中，一團晃動不停、互相推擠的分子聚在一起，想要保持量子狀態不遭破壞幾乎不太可能。神經元在處理信息時需要將其存儲數毫秒或者更長時間，而計算的結果告訴我們微管系統的疊加狀態最多維持10-20秒~10-13秒。神經哲學家帕特里夏·丘奇蘭德（Patricia Churchland）在1996年總結道：「相信神經元內存在量子相干性，還不如假設神經突觸間有妖精塵埃。」這在隨後也成了主流看法。

來自大鼠試驗的靈感

費希爾對此持懷疑態度。「當大家開始談論微管系統的時候，我立刻意識到這沒有意義，」他說，「你無法讓微管系統處理量子信息，除非把它與周圍的環境完全隔絕開來。」

但同樣，他認為如果生物演化能夠做到這一點，那也不會讓人覺得奇怪。地球上的生命已經有數十億年的時間「探索」量子機制，其精緻的分子裝置給予它開發利用的手段。大腦中神經元的電脈衝也許是思維和記憶的直接基礎，雖然經典物理學可以很好地解釋這一點，但隱藏其下的量子層面也許能部分解釋這些神經元如何關聯和激發。

費希爾對這一課題產生的興趣出於其他原因，他對周圍人所患的精神疾病感到好奇，也想知道治療藥物能夠產生的效果。「沒人真正知道精神類藥物的作用機制。」他說。我們需要對藥物如何影響人的精神作出更好的解釋，這正是他研究這一課題的原因。

費希爾最初的關注點是鋰，一種用於多種情緒穩定藥物的材料。當他整理科學文獻的時候，碰巧看到了1986年的一篇報道：研究人員給大鼠飼餵鋰的兩種同位素：鋰6和鋰7。在大鼠梳理毛髮、照顧幼崽、築巢、餵養和其他一些行為中，鋰6組要比鋰7組和對照組活躍的多。

正是這篇論文讓費希爾認為，是時候再次考慮量子認知理論了。所有的原子核，就像組成它們的基本粒子一樣，擁有一種量子特性——自旋。粗略地說，自旋量化了原子核「感受」電場和磁場的程度。自旋越快，影響就越明顯。一個原子核可能的最小自旋為1/2，幾乎不受電場影響，在磁場中也只有微弱的相互作用。而在大腦這樣充滿電場的環境中，擁有1/2自旋的的原子核能夠不受電場干擾。

自旋為1/2的原子核在自然界中並不普遍。鋰6的自旋為1，但大腦內部的化學環境，是以水為溶劑的鹽溶液，水中的遊離氫離子讓鋰6的表現接近於一個自旋為1/2的核。早在20世紀70年代，實驗就已經記錄下鋰6的原子核能夠保持長達5分鐘的穩定自旋。費希爾認為，如果量子能控制大腦的計算過程，鋰可能正是通過將這些相干的原子核整合進大腦的化學過程中，以起到鎮定作用的。

不僅如此，鋰6無法在大腦里自然產生，但有一種自旋為1/2的原子核可以，並且它還是多種化學反應的活躍參與者，它就是磷。這一想法的種子在費希爾的思想里生根發芽。「如果量子過程在大腦里持續進行，那磷原子核的自旋就是唯一的途徑。」費希爾說。

計算了各種含磷分子的相干時間之後，費希爾公布了一種候選的量子比特裝置。它是被稱為波斯納分子（Posner molecule）或波斯納簇（Posner cluster）的鈣磷結構，於1975年在骨骼礦物中發現。而在實驗室里配製的模擬體液中（水，加上一些生物分子和無機鹽），還能觀察到它在周圍漂浮。費希爾測量了這些分子的相干時間，結果令人吃驚，有105秒，相當於差不多一整天。

大腦里存在含有六個磷原子的波斯納分子簇，這些磷的原子核自旋能夠互相糾纏，並可能影響我們的思維和記憶。

他還確定了至少一種化學反應，能夠在大腦中自然地形成波斯納分子的核自旋之間的糾纏態。這個過程涉及到鈣的吸收和脂肪代謝中所用到的焦磷酸酶。這種酶能夠打破兩個磷酸根的連接結構，併產生兩個單獨的離子。理論上，這兩個離子的核自旋應該相互糾纏。這些遊離的離子釋放到細胞周圍的體液中，並與鈣離子相結合而形成波斯納分子。

尋找實驗證據

如果這些假設正確，那大腦的細胞外液中將充斥著由互相糾纏的波斯納分子所形成的複雜的分子簇。一旦進入神經元，這些分子就能改變細胞信號傳導的方式，形成思維或記憶。

費希爾將他的理論細節發表在《物理學年鑒》上（362期593頁）。但他承認，這大部分都還只是推測。「我還只停留在講故事的階段，」他說，「我還需要更多實驗證據」。

第一步要確定波斯納分子是否真的存在於細胞外液之中，並且它們能否糾纏。費希爾設想在實驗室通過化學反應來誘導磷原子核自旋之間的糾纏，並將得到的溶液分別注入兩個試管，再通過兩個溶液所發出的光之間的量子關聯性來進行測試。只有觀察到這一現象，我們才能首次獲得量子認知的論據。

可以想見，彭羅斯對這個故事目前的進展感到興奮。他說：「哈默夫和我都在很長一段時間裡相信核自旋可能是長期記憶形成的關鍵因素。馬修·費希爾的想法能為這一圖景做出相當積極的貢獻」。

然而，彭羅斯還在描繪他的微管假說，他僅僅把馬修的新提議作為維持長期記憶所需要的一種附加物。他說：「意識現象更可能與相聯的微管中的量子作用有關」。

對於彭羅斯來說，意識與重力作用在量子狀態並導致它們退相干；相比於原子核，微管具有更大的質量，因此更可能形成這種相互作用。而費希爾寧願不走這條路，並坦言他在論文里極力避免這個以c開頭的詞—consciousness（意識），而使用像memory（記憶）這樣定義準確的概念。

他的提議也許並不瘋狂，但是否有足夠的說服力，讓質疑者重新考慮大腦中的量子效應？撒伽德也打開了他的腦洞，他指出過去近30年積累的證據表明，其他生物過程也涉及到長期的量子相干態，比如光合作用。牛津大學的弗拉特科·費德拉（Vlatko Vedral）也看到了費舍爾工作的一些價值。他說，溫熱、濕潤的大腦太亂而無法產生有用的相干性，有這種想法的人「想得太簡單」。除此之外，他還不確定費希爾的原理所能發揮的確切作用。「但至少他所提出的實驗可以讓這個問題的探索繼續下去。」他說。

如果出現了任何成功的跡象，費希爾還有許多想法想要測試：包括關於鋰的問題，以及相關的自旋效應能否解釋汞對大腦的影響。一些常見的汞同位素具有非零的核自旋，這可能讓波斯納分子內的磷核自旋退相干。

問題不斷出現。是否頭部的撞擊會因為引起退相干而導致失憶？經過大腦的磁場刺激是否會因為核自旋而改變大腦的狀態，並激發大腦中的磁場？費希爾也承認，這些觀點都很有說服力。

約翰喬·麥克法登（Johnjoe McFadden）是英國薩里大學的分子生物學家，他是一位還未被說服的研究者。 他再次援引奧卡姆剃刀。 「想要形成一個連貫的故事還需要太多的比特信息，」他說，「如果其中之一無法成立，那一切都會崩潰。」

撒伽德也想知道這個系統會如何崩潰。他說：「我不認為需要更多的解釋來描述有趣的心理現象」。但我們沒有理由不去認真評估這些提議，他補充道：「進行科學研究的有效力量之一就是人們嘗試不同的方法，你會得到相互競爭的解釋。這一切都很好，我只是把我的錢花在不同的方法上了。」

而與此同時，費希爾則把錢投資在自己的觀點上：他自己花了2萬美元現金來申請專利，用富含鋰6的化合物來治療抑鬱和其他類似的精神疾病。然而，他自己也不清楚這個技術是否領先。「量子認知能否理解我們的神經科學還無法解答的東西？」他自己的答案： 「也許真的可以。」

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