Uppdaterad måndag 1 juli, kl 21:25 ET.
NEW YORK - Idén att medvetande uppstår från kvantmekaniska fenomen i hjärnan är spännande, men saknar ändå bevis, säger forskare.
Fysiker Roger Penrose, University of Oxford, och anestesiolog Stuart Hameroff, University of Arizona, föreslår att hjärnan fungerar som en kvantdator - en beräkningsmaskin som använder kvantmekaniska fenomen (som förmågan hos partiklar att vara i två platser samtidigt) för att utföra komplexa beräkningar. I hjärnan kan fibrer inuti neuroner bilda de grundläggande enheterna för kvantberäkning, förklarade Penrose och Hameroff vid Global Future 2045 International Congress, en futuristisk konferens som hölls här 15-16 juni.
Idén är tilltalande, eftersom neurovetenskap hittills inte har någon tillfredsställande förklaring till medvetande - tillståndet att vara självmedveten och ha sensoriska upplevelser och tankar. Men många forskare är skeptiska och citerar bristen på experimentella bevis för idén.
Orch OR-modellen
Penrose och Hameroff utvecklade sina idéer oberoende, men samarbetade i början av 1990-talet för att utveckla det de kallar Orchestrated Objekt Reduction (Orch OR) -modellen.
Penroses arbete bygger på en tolkning av matematikern Kurt Godels ofullständighetsteorem, som säger att vissa resultat inte kan bevisas med en datoralgoritm. Penrose hävdar att mänskliga matematiker kan bevisa så kallade "Godel-otillbörliga" resultat, och därför kan inte mänskliga hjärnor beskrivas som typiska datorer. Istället, säger han, för att uppnå dessa högre förmågor, måste hjärnprocesser förlita sig på kvantmekanik.
Men Penroses teori förklarade inte hur denna kvantberäkning inträffade i faktiska hjärnor, bara att fenomenet skulle behövas för att lösa vissa matematiska ekvationer. Hameroff läste Penroses arbete och föreslog små fibrösa strukturer som ger celler deras strukturella stöd - känd som mikrotubuli - kan vara i stånd att utföra kvantberäkningar.
Mikrotubulor består av enheter av protein tubulin, som innehåller regioner där elektroner virvlar runt mycket nära varandra. Hameroff föreslog att dessa elektroner skulle kunna bli "kvanttrasslade", ett tillstånd där två partiklar behåller en anslutning, och en åtgärd som utförs på den ena påverkar den andra, även när de två är separerade med ett avstånd.
I Orch OR-modellen blir de matematiska sannolikheterna som beskriver kvanttillståndet för dessa intrasslade elektroner i mikrotubuli instabila i rymden. Dessa matematiska sannolikheter kallas vågfunktioner, och i detta scenario kollapsar de och rör sig från ett tillstånd av sannolikhet till en specifik verklighet. I detta tillstånd kan mikrotubulerna i en neuron kopplas till de i andra nervceller via elektriska anslutningar kända som gapskorsningar. Dessa korsningar skulle göra det möjligt för elektronerna att "tunnela" till andra delar av hjärnan, vilket resulterar i vågor av nervaktivitet som uppfattas som medveten upplevelse.
"Penrose hade en mekanism för medvetande, och jag hade en struktur," sade Hameroff till LiveScience.
Problem med modellen
Intressant som det låter har Orch OR-modellen inte testats experimentellt, och många forskare avvisar den.
Kvantdatorer - datorer som utnyttjar kvantmekaniska effekter för att uppnå extremt snabba beräkningar - har teoretiserats, men endast en (byggd av företaget D-Wave) är kommersiellt tillgänglig och huruvida det är en riktig kvantdator diskuteras. Sådana datorer skulle vara extremt känsliga för störningar i ett system, som forskare kallar "buller". För att minimera buller är det viktigt att isolera systemet och hålla det mycket kallt (eftersom värme får partiklar att påskynda och generera brus).
Att bygga kvantdatorer är utmanande även under noggrant kontrollerade förhållanden. "Detta målar en ödslig bild för kvantberäkning i den våta och varma hjärnan," skrev Christof Koch och Klaus Hepp, från universitetet i Zürich, Schweiz, i en uppsats som publicerades 2006 i tidskriften Nature.
Ett annat problem med modellen har att göra med de tidsskalor som är involverade i kvantberäkningen. MIT-fysiker Max Tegmark har gjort beräkningar av kvanteffekter i hjärnan och konstaterat att kvanttillstånd i hjärnan varar för kort tid för att leda till meningsfull hjärnbehandling. Tegmark kallade Orch OR-modellen vag och sa att de enda siffrorna han har sett för mer konkreta modeller är långt ifrån.
"Många tycks känna att medvetande är ett mysterium och kvantmekanik är ett mysterium, så de måste vara släkt," sa Tegmark till LiveScience.
Orch OR-modellen drar också kritik från neurovetenskapsmän. Modellen säger att kvantfluktuationer inuti mikrotubuli ger medvetande. Men mikrotubuli finns också i växtceller, säger den teoretiska neurovetenskapsmannen Bernard Baars, VD för ideella föreningen för Mind-Brain Sciences i Falls Church, VA., Som tilllade att "växter, så vitt vi vet, inte är medvetna."
Denna kritik utesluter inte i princip kvantmedvetenhet, men utan experimentella bevis förblir många forskare övertygade.
"Om någon bara kommer med ett enda experiment," för att visa kvantmedvetande, sa Baars, "jag kommer att släppa all min skepsis."
Redaktörens anmärkning: Denna artikel uppdaterades 27 juni 2013 för att ändra uttalandet om att "inga kvantdatorer ... har förverkligats." Företaget D-Wave påstår sig ha skapat en, även om vissa har ifrågasatt om det verkligen fungerar som en kvantdator.
Tillägg: (1 juli 2013)
Som svar på kritiken av Orch OR-modellen som citeras i denna artikel erbjuder Stuart Hameroff flera bevis. Som svar på invändningen om att hjärnan är för varm för kvantberäkningar citerar Hameroff en studie från 2013 ledd av Anirban Bandyopadhyay vid National Institute of Material Sciences (NIMS) i Tsukuba, Japan, som fann att ”mikrotubuli blir väsentligen kvantledande när de stimuleras vid specifika resonansfrekvenser, ”sade Hameroff.
Som svar på kritiken att mikrotubuli finns i (medvetslös) växtceller också, sade Hameroff att växter bara har ett litet antal mikrotubuli, troligen för få för att nå den tröskel som behövs för medvetandet. Men han noterade också att Gregory Engel från University of Chicago och kollegor har observerat kvanteffekter i växtfotosyntes. "Om en tomat eller rutabaga kan använda kvantkoherens vid varm temperatur, varför kan inte våra hjärnor?" Sa Hameroff.
Som svar på allmänna invändningar mot bristen på bevis för sin teori citerade Hameroff en studie från 2013 som ledde Rod Eckenhoff vid University of Pennsylvania som antyder att anestetika - som bara stoppar medveten hjärnaktivitet - agerar via mikrotubuli.
Dessa studier ger lite stöd till Orch OR-modellen. Men som med alla vetenskapliga hypoteser, måste modellen samla betydande bevis för att få en bred acceptans bland det vetenskapliga samfundet.
