Fuente: Pixabay.
Las diferentes etapas de la historia de la ciencia han llenado de metáforas el mundo. Así, las matemáticas de los pitagóricos nos hicieron pensar en la “música de las esferas”, la física de Newton en un cosmos como mecanismo perfecto o la teoría del multiverso en mundos alternativos posibles.
Estas metáforas o imágenes están muy bien porque posibilitan no solo que entendamos la realidad cada vez más, sino también realizar nuevos hallazgos. Quizá al final la imagen quede superada y haya que buscar otras para completar nuestros conocimientos, pero hasta ese momento nos ha ayudado a avanzar.
Como era de esperar, desde su aparición a principios del siglo XX, la mecánica cuántica está originando nuevas imágenes para la comprensión de la realidad. Ya lo hemos visto en diversas ramas del conocimiento, como la zoología o la astronomía; y, cada vez más, lo estamos viendo en el ámbito de la neurología.
La cuestión que subyace a este enfoque es la siguiente: ¿Es posible que las leyes de la materia a nivel subatómico puedan atañer, también, a la materia a niveles “más grandes”? De ser así, tal vez debiéramos considerar que un órgano macroscópico como el cerebro no funcione como un “ordenador clásico” (una de las metáforas que a menudo se han utilizado para explicar el cerebro) sino como un “ordenador cuántico”.
Diferencias computacionales y cerebrales
La diferencia entre la computación clásica y la computación cuántica radica en que, en un ordenador tradicional, la información se guarda y procesa en bits que pueden valer 1 ó 0. En cambio, en un ordenador cuántico la información se guarda y se procesa en los llamados qubits.
Un qubit es un bit que se encuentra en una superposición de estados, de forma que puede valer 1 y 0 a la vez. Así, al tener múltiples estados simultáneamente en un instante determinado, el tiempo de ejecución de algunos algoritmos puede reducirse en una escala de miles de años a segundos.
Si considerásemos que nuestro cerebro funciona de forma similar a un ordenador cuántico, con qubits en estados superpuestos, y lo investigásemos desde esta perspectiva, ¿qué encontraríamos?
Esto es lo que se ha planteado un reconocido físico teórico de la Universidad de California en Santa Barbara (EEUU), llamado Matthew Fisher. Fisher y su equipo han puesto en marcha un proyecto, el Quantum Brain Project (QuBrain), en cuyo marco se van a realizar rigurosas pruebas experimentales para determinar si el cerebro funciona como un ordenador cuántico.
Como explica el propio Fisher en un comunicado de la UC Santa Barbara, algunas funciones que el cerebro realiza continúan eludiendo a la neurociencia. Es el caso, por ejemplo, del sustrato cerebral que "contiene" recuerdos a muy largo plazo. La mecánica cuántica podría dar pistas sobre este y otros aspectos inexplicables del cerebro, afirma el investigador.
Para tratar de demostrar su hipótesis, Fisher ha reunido a un equipo multidisciplinar de científicos. Entre todos, acumulan conocimientos de física cuántica, biología molecular, bioquímica, ciencia de los sistemas coloidales y neurociencia conductual.
Estas metáforas o imágenes están muy bien porque posibilitan no solo que entendamos la realidad cada vez más, sino también realizar nuevos hallazgos. Quizá al final la imagen quede superada y haya que buscar otras para completar nuestros conocimientos, pero hasta ese momento nos ha ayudado a avanzar.
Como era de esperar, desde su aparición a principios del siglo XX, la mecánica cuántica está originando nuevas imágenes para la comprensión de la realidad. Ya lo hemos visto en diversas ramas del conocimiento, como la zoología o la astronomía; y, cada vez más, lo estamos viendo en el ámbito de la neurología.
La cuestión que subyace a este enfoque es la siguiente: ¿Es posible que las leyes de la materia a nivel subatómico puedan atañer, también, a la materia a niveles “más grandes”? De ser así, tal vez debiéramos considerar que un órgano macroscópico como el cerebro no funcione como un “ordenador clásico” (una de las metáforas que a menudo se han utilizado para explicar el cerebro) sino como un “ordenador cuántico”.
Diferencias computacionales y cerebrales
La diferencia entre la computación clásica y la computación cuántica radica en que, en un ordenador tradicional, la información se guarda y procesa en bits que pueden valer 1 ó 0. En cambio, en un ordenador cuántico la información se guarda y se procesa en los llamados qubits.
Un qubit es un bit que se encuentra en una superposición de estados, de forma que puede valer 1 y 0 a la vez. Así, al tener múltiples estados simultáneamente en un instante determinado, el tiempo de ejecución de algunos algoritmos puede reducirse en una escala de miles de años a segundos.
Si considerásemos que nuestro cerebro funciona de forma similar a un ordenador cuántico, con qubits en estados superpuestos, y lo investigásemos desde esta perspectiva, ¿qué encontraríamos?
Esto es lo que se ha planteado un reconocido físico teórico de la Universidad de California en Santa Barbara (EEUU), llamado Matthew Fisher. Fisher y su equipo han puesto en marcha un proyecto, el Quantum Brain Project (QuBrain), en cuyo marco se van a realizar rigurosas pruebas experimentales para determinar si el cerebro funciona como un ordenador cuántico.
Como explica el propio Fisher en un comunicado de la UC Santa Barbara, algunas funciones que el cerebro realiza continúan eludiendo a la neurociencia. Es el caso, por ejemplo, del sustrato cerebral que "contiene" recuerdos a muy largo plazo. La mecánica cuántica podría dar pistas sobre este y otros aspectos inexplicables del cerebro, afirma el investigador.
Para tratar de demostrar su hipótesis, Fisher ha reunido a un equipo multidisciplinar de científicos. Entre todos, acumulan conocimientos de física cuántica, biología molecular, bioquímica, ciencia de los sistemas coloidales y neurociencia conductual.
Qubits bioquímicos
Fisher postula, más concretamente, que los átomos de fósforo, uno de los elementos más abundantes del cuerpo, podrían funcionar como auténticos qubits bioquímicos, gracias a una característica de su espín o estado de rotación.
Lo que se analizará en este sentido serán las propiedades cuánticas de dichos átomos, cuando sus espines se encuentran cuánticamente entrelazados con los espines de otros átomos de fósforo, dentro de moléculas sometidas a procesos bioquímicos.
El entrelazamiento supone que los átomos alcancen un estado único, de tal forma que, cuando uno de sus espines gira hacia arriba, el espín del otro átomo entrelazado se muestra girando hacia abajo. Esta “comunicación” instantánea entre los átomos, a través de sus estados de rotación, podría suponer un modo de procesamiento de información cuántica en el cerebro, teorizan los científicos.
Las moléculas a analizar serán las “moléculas de Posner”, de fosfato de calcio y con forma esférica. Estas moléculas tienen la capacidad de proteger los espines de los “qubits” de los átomos de fósforo, lo que podría promover el almacenamiento de información cuántica en ellos.
El papel de las mitocondrias
Por otra parte, Fisher y su equipo estudiarán la potencial contribución de la mitocondria al entrelazamiento cuántico entre neuronas. Quieren averiguar si estos orgánulos celulares (responsables de funciones como el metabolismo o la señalización celular) pueden transportar moléculas de Posner por el interior de las neuronas y de unas neuronas a otras.
De ser así, las mitocondrias estarían propiciando el entrelazamiento cuántico en red de las neuronas del cerebro (suponemos que a través de las moléculas de Posner que contienen átomos de fósforo con espines entrelazados).
Este proceso cuántico desencadenaría la liberación de calcio de las moléculas de Ponser, lo que a su vez supondría la liberación de los neurotransmisores que activan las conexiones sinápticas entre las neuronas.
La cuestión parece tan compleja como fascinante. En especial, si tenemos en cuenta que el procesamiento cuántico descrito podría ser tanto local como no-local, pues una vez que los espines quedan entrelazados, permanecen entrelazados incluso una vez que los átomos se han separado espacialmente.
En este sentido, el físico norteamericano David Bohm ya había propuesto que el cerebro podría aprovecharse de una característica de la mecánica cuántica, la llamada coherencia cuántica, y cohesionarse formando un todo. Así, del mismo modo que un conjunto de partículas pierden su identidad al formar un sistema cuántico coherente, las interacciones cuánticas no-locales harían que las neuronas dejasen de comportarse como elementos individuales, en favor de una sinergia neurológica.
Más cuántica cerebral
Vista a través de la imagen que de la realidad arroja la mecánica cuántica, la complejidad del cerebro se vuelve aún más compleja si cabe. Pero tal vez solo pueda entenderse desde la unión de física, biología y neurología.
Esto ya lo anticiparon en los años 90 del siglo XX Sir Roger Penrose (Profesor Emérito de Matemáticas en la Universidad de Oxford) y Stuart Hameroff (anestesista y profesor de la Universidad de Arizona), con su hipótesis de explicación cuántica del funcionamiento del cerebro, bautizada como Reducción Objetiva Orquestada (“Orch OR”).
Esta teoría señalaba que la consciencia se derivaría de la actividad de las neuronas del cerebro en la escala más mínima, la escala cuántica o subatómica. Más concretamente, la Orch OR apuntaba a que la consciencia dependería de procesos cuánticos biológicamente orquestados que se desarrollan en (y entre) los microtúbulos del citoesqueleto de las neuronas del cerebro.
Algunas de las pruebas esgrimidas por Penrose y Hameroff para su hipótesis han sido el descubrimiento de vibraciones cuánticas a temperaturas cálidas en los microtúbulos del interior de las células cerebrales, realizado por el investigador Anirban bandyopadhyay, del Instituto Nacional de Ciencias Materiales del Tsukuba, Japón; y los hallazgos de Roderick G. Eckenhoff , de la Universidad de Pennsylvania (EEUU). Estudiando la anestesia, Eckenhoff descubrió que esta deja inconsciente gracias a que actúa –a nivel cuántico- sobre los microtúbulos de las neuronas del cerebro.
A pesar de estas pruebas y del atractivo de la mecánica cuántica para el estudio del cerebro, la neurología cuántica aún se encuentra en fase de especulación. Por eso, el Quantum Brain Project puede resultar importante: podría constatar que esta imagen “funciona” o, por el contrario, indicarnos que debemos seguir buscando otras imágenes (o ambas cosas, si la metodología del conocimiento también se viera "influida", pero esa ya es otra historia).
Fisher postula, más concretamente, que los átomos de fósforo, uno de los elementos más abundantes del cuerpo, podrían funcionar como auténticos qubits bioquímicos, gracias a una característica de su espín o estado de rotación.
Lo que se analizará en este sentido serán las propiedades cuánticas de dichos átomos, cuando sus espines se encuentran cuánticamente entrelazados con los espines de otros átomos de fósforo, dentro de moléculas sometidas a procesos bioquímicos.
El entrelazamiento supone que los átomos alcancen un estado único, de tal forma que, cuando uno de sus espines gira hacia arriba, el espín del otro átomo entrelazado se muestra girando hacia abajo. Esta “comunicación” instantánea entre los átomos, a través de sus estados de rotación, podría suponer un modo de procesamiento de información cuántica en el cerebro, teorizan los científicos.
Las moléculas a analizar serán las “moléculas de Posner”, de fosfato de calcio y con forma esférica. Estas moléculas tienen la capacidad de proteger los espines de los “qubits” de los átomos de fósforo, lo que podría promover el almacenamiento de información cuántica en ellos.
El papel de las mitocondrias
Por otra parte, Fisher y su equipo estudiarán la potencial contribución de la mitocondria al entrelazamiento cuántico entre neuronas. Quieren averiguar si estos orgánulos celulares (responsables de funciones como el metabolismo o la señalización celular) pueden transportar moléculas de Posner por el interior de las neuronas y de unas neuronas a otras.
De ser así, las mitocondrias estarían propiciando el entrelazamiento cuántico en red de las neuronas del cerebro (suponemos que a través de las moléculas de Posner que contienen átomos de fósforo con espines entrelazados).
Este proceso cuántico desencadenaría la liberación de calcio de las moléculas de Ponser, lo que a su vez supondría la liberación de los neurotransmisores que activan las conexiones sinápticas entre las neuronas.
La cuestión parece tan compleja como fascinante. En especial, si tenemos en cuenta que el procesamiento cuántico descrito podría ser tanto local como no-local, pues una vez que los espines quedan entrelazados, permanecen entrelazados incluso una vez que los átomos se han separado espacialmente.
En este sentido, el físico norteamericano David Bohm ya había propuesto que el cerebro podría aprovecharse de una característica de la mecánica cuántica, la llamada coherencia cuántica, y cohesionarse formando un todo. Así, del mismo modo que un conjunto de partículas pierden su identidad al formar un sistema cuántico coherente, las interacciones cuánticas no-locales harían que las neuronas dejasen de comportarse como elementos individuales, en favor de una sinergia neurológica.
Más cuántica cerebral
Vista a través de la imagen que de la realidad arroja la mecánica cuántica, la complejidad del cerebro se vuelve aún más compleja si cabe. Pero tal vez solo pueda entenderse desde la unión de física, biología y neurología.
Esto ya lo anticiparon en los años 90 del siglo XX Sir Roger Penrose (Profesor Emérito de Matemáticas en la Universidad de Oxford) y Stuart Hameroff (anestesista y profesor de la Universidad de Arizona), con su hipótesis de explicación cuántica del funcionamiento del cerebro, bautizada como Reducción Objetiva Orquestada (“Orch OR”).
Esta teoría señalaba que la consciencia se derivaría de la actividad de las neuronas del cerebro en la escala más mínima, la escala cuántica o subatómica. Más concretamente, la Orch OR apuntaba a que la consciencia dependería de procesos cuánticos biológicamente orquestados que se desarrollan en (y entre) los microtúbulos del citoesqueleto de las neuronas del cerebro.
Algunas de las pruebas esgrimidas por Penrose y Hameroff para su hipótesis han sido el descubrimiento de vibraciones cuánticas a temperaturas cálidas en los microtúbulos del interior de las células cerebrales, realizado por el investigador Anirban bandyopadhyay, del Instituto Nacional de Ciencias Materiales del Tsukuba, Japón; y los hallazgos de Roderick G. Eckenhoff , de la Universidad de Pennsylvania (EEUU). Estudiando la anestesia, Eckenhoff descubrió que esta deja inconsciente gracias a que actúa –a nivel cuántico- sobre los microtúbulos de las neuronas del cerebro.
A pesar de estas pruebas y del atractivo de la mecánica cuántica para el estudio del cerebro, la neurología cuántica aún se encuentra en fase de especulación. Por eso, el Quantum Brain Project puede resultar importante: podría constatar que esta imagen “funciona” o, por el contrario, indicarnos que debemos seguir buscando otras imágenes (o ambas cosas, si la metodología del conocimiento también se viera "influida", pero esa ya es otra historia).
Referencia bibliográfica
Posner molecules: from atomic structure to nuclear spins. Physical Chemistry Chemical Physics. DOI:10.1039/C7CP07720C
Posner molecules: from atomic structure to nuclear spins. Physical Chemistry Chemical Physics. DOI:10.1039/C7CP07720C