Новое исследование открывает удивительную возможность: цилиндрические полости, формируемые миелиновой оболочкой вокруг нервных волокон (аксонов), могут выступать в роли природных квантовых генераторов. Согласно гипотезе, колебания углерод-водородных связей в составе миелина способны спонтанно излучать пары «запутанных» фотонов. Это квантовое явление, при котором состояния двух частиц становятся взаимозависимыми независимо от расстояния, потенциально может быть ключевым механизмом для глобальной синхронизации активности миллиардов нейронов в нашей центральной нервной системе.
Загадка нейронной синхронизации
Согласованная, синхронная работа нейронов — фундаментальный процесс, лежащий в основе множества функций мозга, от обработки сенсорной информации до формирования сознания. Нарушение этой тонкой координации тесно связывают с развитием неврологических расстройств, таких как болезнь Паркинсона. Однако, несмотря на долгие годы изучения, точные физические и биологические механизмы, обеспечивающие такую масштабную синхронность, оставались одной из главных загадок нейробиологии.
Квантовая биология: фотоны в живых системах
Идея о том, что квантовая запутанность может участвовать в биологических процессах, набирает обороты. Фотоны уже известны своей ролью не только в фотосинтезе растений, где поляроны (гибридные состояния света и вещества) эффективно переносят энергию, но и в деятельности животных. Например, фотоны среднего инфракрасного диапазона, рождающиеся при гидролизе молекул АТФ (универсального «топлива» клетки), влияют на репликацию ДНК и нейронную сигнализацию. Даже сверхслабые биофотоны, считавшиеся ранее просто побочным продуктом метаболизма, теперь изучаются как потенциальные участники работы нервной системы. Интересно, что явления вроде «эффекта постороннего наблюдателя» при радиационном облучении, когда эффекты проявляются в клетках, не подвергшихся прямому воздействию, некоторые ученые также объясняют через призму квантовой нелокальности и запутанности.
Всё это наводит на мысль, что фотоны, связанные квантовой запутанностью, могут быть тем самым недостающим звеном, которое объясняет ультрабыструю и точную синхронизацию нейронов.
Обратите внимание: Новое исследование может в конечном итоге подтвердить или отклонить теорию Большого взрыва.
«Хотя каждый результат требует более детального изучения, они дают важную информацию о влиянии света на активность нейронов», — отмечает международная исследовательская группа из Шанхайского университета и Сычуаньского университета. «Внутренние корреляции квантовой запутанности остаются захватывающими», — подчеркивается в их новой работе, размещенной на arXiv.Миелин: не просто изолятор
Чтобы проверить эту смелую гипотезу, ученые сосредоточили внимание на миелине — липидной оболочке, которая, подобно изоляции на электрическом проводе, окружает аксоны, ускоряя передачу нервных импульсов. Традиционно миелин рассматривался как пассивный изоляционный материал. Однако новые данные свидетельствуют о его пластичности и активной роли, выходящей далеко за рамки простой изоляции. Изменения в миелине напрямую связаны с когнитивными нарушениями при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз, что указывает на его критическую важность для высших функций мозга.
Исследователи предположили, что цилиндрическая форма миелиновой оболочки создает идеальную микроскопическую полость для света. В физике известно, что такие полости (резонаторы) способны эффективно удерживать фотоны, усиливая взаимодействие между светом и веществом. Ученые выдвинули идею, что миелиновая полость может захватывать фотоны, образующиеся при возникновении поляритонов (квантовых квазичастиц, смеси света и молекулярных колебаний), и способствовать рождению пар запутанных фотонов прямо внутри нервного волокна.
Доказательства с помощью квантовой электродинамики
Для моделирования этого процесса команда применила методы квантовой электродинамики полости (cQED) — раздела физики, изучающего поведение атомов и фотонов внутри микрорезонаторов. Расчеты были сосредоточены на колебательных спектрах углерод-водородных (CH) связей, которых особенно много в липидных «хвостах» молекул миелина. Результаты моделирования оказались поразительными: цилиндрическая полость миелина действительно создает условия для генерации значительного количества запутанных фотонных пар.
Обилие CH-связей в нейронах делает их идеальным распределенным источником для такого рода квантовых явлений по всей нервной системе. Исследователи полагают, что этот механизм может лежать в основе способности мозга к невероятно быстрой и эффективной синхронизации информации, передаваемой по обширным нейронным сетям. «Используя нелокальные корреляционные свойства квантовой запутанности, мы можем предположить, что она способна эффективно синхронизировать активность нейронов по всему мозгу», — заключают авторы работы. Это открывает новую, квантово-биологическую перспективу для понимания того, как наш мозг достигает единства восприятия и действия.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.