Reducción de objetivos orquestada
Reducción objetiva orquestada (Orch OR) es una teoría que postula que la conciencia se origina en el nivel cuántico dentro de las neuronas, en lugar de la visión convencional de que es un producto de conexiones entre neuronas. Se considera que el mecanismo es un proceso cuántico llamado reducción objetiva que está orquestado por estructuras celulares llamadas microtúbulos. Se propone que la teoría puede responder al difícil problema de la conciencia y proporcionar un mecanismo para el libre albedrío. La hipótesis fue propuesta por primera vez a principios de la década de 1990 por el premio Nobel de Física Roger Penrose y el anestesiólogo y psicólogo Stuart Hameroff. La hipótesis combina enfoques de la biología molecular, la neurociencia, la farmacología, la filosofía, la teoría de la información cuántica y la gravedad cuántica.
Mientras que las principales teorías afirman que la conciencia surge a medida que aumenta la complejidad de los cálculos realizados por las neuronas cerebrales, Orch OR postula que la conciencia se basa en un procesamiento cuántico no computable realizado por qubits formados colectivamente en microtúbulos celulares, un proceso significativamente amplificado en el neuronas. Los qubits se basan en dipolos oscilantes que forman anillos de resonancia superpuestos en vías helicoidales a lo largo de redes de microtúbulos. Las oscilaciones son eléctricas, debidas a la separación de cargas de las fuerzas de London, o magnéticas, debidas al espín de los electrones, y posiblemente también a espines nucleares (que pueden permanecer aislados durante períodos más largos) que se producen en rangos de frecuencia de gigahercios, megahercios y kilohercios. La orquestación se refiere al proceso hipotético mediante el cual las proteínas conectivas, como las proteínas asociadas a microtúbulos (MAP), influyen u orquestan la reducción del estado del qubit modificando la separación espacio-temporal de sus estados superpuestos. Este último se basa en la teoría del colapso objetivo de Penrose para interpretar la mecánica cuántica, que postula la existencia de un umbral objetivo que gobierna el colapso de los estados cuánticos, relacionado con la diferencia de la curvatura espacio-temporal de estos estados en el universo. 39;estructura de escala fina.
La reducción objetiva orquestada ha sido criticada desde sus inicios por matemáticos, filósofos y científicos. La crítica se concentró en tres cuestiones: la interpretación de Penrose del teorema de Gödel; el razonamiento abductivo de Penrose que vincula la no computabilidad con los eventos cuánticos; y la inadecuación del cerebro para albergar los fenómenos cuánticos requeridos por la teoría, ya que se lo considera demasiado "cálido, húmedo y ruidoso" para evitar la decoherencia.
Fondo
En 1931, el matemático y lógico Kurt Gödel demostró que cualquier teoría generada eficazmente y capaz de demostrar la aritmética básica no puede ser a la vez consistente y completa. En otras palabras, una teoría matemáticamente sólida carece de los medios para probarse a sí misma. Sin embargo, en su primer libro sobre la conciencia, La nueva mente del emperador (1989), Roger Penrose argumentó que los matemáticos humanos pueden demostrar los resultados no demostrables por Gödel. Considera que esta disparidad significa que los matemáticos humanos no pueden describirse como sistemas de prueba formales y, por lo tanto, están ejecutando un algoritmo no computable.
Si es correcto, el argumento de Penrose-Lucas deja abierta la cuestión de la base física del comportamiento no computable. La mayoría de las leyes físicas son computables y, por tanto, algorítmicas. Sin embargo, Penrose determinó que el colapso de la función de onda era el principal candidato para un proceso no computable. En la mecánica cuántica, las partículas se tratan de manera diferente a los objetos de la mecánica clásica. Las partículas se describen mediante funciones de onda que evolucionan según la ecuación de Schrödinger. Las funciones de onda no estacionarias son combinaciones lineales de los estados propios del sistema, un fenómeno descrito por el principio de superposición. Cuando un sistema cuántico interactúa con un sistema clásico, es decir. cuando se mide un observable, el sistema parece colapsar a un estado propio aleatorio de ese observable desde un punto de vista clásico.
Si el colapso es verdaderamente aleatorio, entonces ningún proceso o algoritmo puede predecir de manera determinista su resultado. Esto proporcionó a Penrose un candidato para la base física del proceso no computable que, según su hipótesis, existía en el cerebro. Sin embargo, no le gustaba la naturaleza aleatoria del colapso inducido por el medio ambiente, ya que la aleatoriedad no era una base prometedora para la comprensión matemática. Penrose propuso que los sistemas aislados aún pueden sufrir una nueva forma de colapso de la función de onda, a la que llamó reducción objetiva (OR).
Penrose trató de reconciliar la relatividad general y la teoría cuántica utilizando sus propias ideas sobre la posible estructura del tiempo espacial. Sugirió que en la escala Planck el espacio curvado no es continuo, sino discreto. Puso además que cada superposición cuántica separada tiene su propio pedazo de curvatura espacial, una ampolla en tiempo espacial. Penrose sugiere que la gravedad ejerce una fuerza sobre estas ampollas espaciales, que se vuelven inestables por encima de la escala Planck y colapsar a uno de los estados posibles. El umbral áspero para OR es dado por el principio de indeterminación de Penrose:
- Donde:
- es el tiempo hasta que O O ocurre,
- es la auto-energía gravitacional o el grado de separación espacial dado por la masa superpuesta, y
- es la constante de Planck reducido.
Por lo tanto, cuanto mayor sea la masa-energía del objeto, más rápido se someterá a OR y viceversa. Los objetos mesoscópicos podrían colapsar en una escala de tiempo relevante para el procesamiento neuronal.
Una característica esencial de la teoría de Penrose es que la elección de estados cuando se produce la reducción objetiva no se selecciona al azar (como lo son las elecciones después del colapso de la función de onda) ni algorítmicamente. Más bien, los estados son seleccionados mediante un proceso "no computable". influencia incorporada en la escala de Planck de la geometría del espacio-tiempo. Penrose afirmó que dicha información es platónica y representa verdades matemáticas puras, lo que se relaciona con las ideas de Penrose sobre los tres mundos: el físico, el mental y el mundo matemático platónico. En Shadows of the Mind (1994), Penrose indica brevemente que este mundo platónico también podría incluir valores estéticos y éticos, pero no se compromete con esta hipótesis adicional.
El argumento de Penrose-Lucas fue criticado por matemáticos, informáticos y filósofos, y el consenso entre los expertos en estos campos es que el argumento falla, con diferentes autores atacando diferentes aspectos del argumento. Minsky argumentó que debido a que los humanos pueden creer que las ideas falsas son verdaderas, la comprensión matemática humana no necesita ser consistente y la conciencia puede fácilmente tener una base determinista. Feferman argumentó que los matemáticos no progresan mediante la búsqueda mecanicista a través de pruebas, sino mediante el razonamiento, la intuición y la inspiración de prueba y error, y que las máquinas no comparten este enfoque con los humanos.
Orquesta O
Penrose describió un predecesor de Orch OR en The Emperor's New Mind, abordando el problema desde un punto de vista matemático y en particular el teorema de Gödel, pero carecía de una propuesta detallada. sobre cómo se podrían implementar procesos cuánticos en el cerebro. Stuart Hameroff trabajó por separado en la investigación del cáncer y en la anestesia, lo que le despertó su interés por los procesos cerebrales. Hameroff leyó el libro de Penrose y le sugirió que los microtúbulos dentro de las neuronas eran sitios candidatos adecuados para el procesamiento cuántico y, en última instancia, para la conciencia. A lo largo de la década de 1990, los dos colaboraron en la teoría Orch OR, que Penrose publicó en Shadows of the Mind (1994).
La contribución de Hameroff a la teoría derivó de su estudio del citoesqueleto neural, y particularmente de los microtúbulos. A medida que la neurociencia ha progresado, el papel del citoesqueleto y los microtúbulos ha adquirido mayor importancia. Además de proporcionar soporte estructural, las funciones de los microtúbulos incluyen el transporte axoplásmico y el control del movimiento, el crecimiento y la forma de las células.
Orch OR combina el argumento de Penrose-Lucas con la hipótesis de Hameroff sobre el procesamiento cuántico en microtúbulos. Propone que cuando los condensados en el cerebro sufren una reducción objetiva de la función de onda, su colapso conecta la toma de decisiones no computacionales con experiencias integradas en la geometría fundamental del espacio-tiempo. La teoría propone además que los microtúbulos influyen y son influenciados por la actividad convencional en las sinapsis entre neuronas.
Cálculo de microtúbulos
B: Los estados del interruptor de tubulinas de microtubulas simuladas.
Hameroff propuso que los microtúbulos eran candidatos adecuados para el procesamiento cuántico. Los microtúbulos están formados por subunidades de proteína tubulina. Los dímeros de la proteína tubulina de los microtúbulos tienen bolsas hidrofóbicas que pueden contener electrones π deslocalizados. La tubulina tiene otras regiones no polares más pequeñas, por ejemplo, 8 triptófanos por tubulina, que contienen anillos de indol ricos en electrones π distribuidos por toda la tubulina con separaciones de aproximadamente 2 nm. Hameroff afirma que esto está lo suficientemente cerca como para que los electrones π de tubulina se enreden cuánticamente. Durante el entrelazamiento, los estados de las partículas se correlacionan inseparablemente. Hameroff sugirió originalmente en el Journal of Cosmology que los electrones de la subunidad de tubulina formarían un condensado de Bose-Einstein. Luego propuso un condensado de Frohlich, una hipotética oscilación coherente de moléculas dipolares. Sin embargo, esto también fue rechazado por Reimers. grupo. Hameroff respondió entonces a Reimers. “Reimers et al definitivamente NO han demostrado que una condensación de Frohlich fuerte o coherente en los microtúbulos sea inviable. El modelo de microtúbulos en el que basan su hamiltoniano no es una estructura de microtúbulos, sino una simple cadena lineal de osciladores." Hameroff razonó que tal comportamiento del condensado magnificaría los efectos cuánticos nanoscópicos para tener influencias a gran escala en el cerebro.
Hameroff luego propuso que los condensados en los microtúbulos de una neurona pueden unirse con los condensados de microtúbulos en otras neuronas y células gliales a través de las uniones comunicantes de las sinapsis eléctricas. Hameroff propuso que la brecha entre las células es lo suficientemente pequeña como para que los objetos cuánticos puedan atravesarla, permitiéndoles extenderse a través de una gran área del cerebro. Postuló además que la acción de esta actividad cuántica a gran escala es la fuente de ondas gamma de 40 Hz, basándose en la teoría mucho menos controvertida de que las uniones en hendidura están relacionadas con la oscilación gamma.
Resultados experimentales relacionados
En abril de 2022, los resultados de dos experimentos relacionados se presentaron en la conferencia La Ciencia de la Conciencia. En un estudio en el que participó Hameroff, Jack Tuszyński de la Universidad de Alberta demostró que los anestésicos aceleran la duración de un proceso llamado luminiscencia retardada, en el que los microtúbulos y tubulinas reemiten luz atrapada.. Tuszyński sospecha que el fenómeno tiene un origen cuántico y que una de las posibilidades es la superradiancia. En el segundo experimento, Gregory D. Scholes y Aarat Kalra de la Universidad de Princeton utilizaron láseres para excitar moléculas dentro de las tubulinas, provocando que una excitación prolongada se difundiera a través de los microtúbulos más lejos de lo esperado, lo que no ocurrió cuando se repitió bajo anestesia. Sin embargo, los resultados de la difusión deben interpretarse con cuidado, ya que incluso la difusión clásica puede ser muy compleja debido a la amplia gama de escalas de longitud en el espacio extracelular lleno de líquido.
Teoría de la vibración cuántica de microtúbulos de la acción anestésica
En concentraciones altas (~5 MAC), el gas anestésico halotano provoca una despolimerización reversible de los microtúbulos. Sin embargo, este no puede ser el mecanismo de acción anestésica, porque la anestesia humana se realiza a 1 MAC. (Es importante señalar que ni Penrose ni Hameroff afirman jamás que la despolimerización sea el mecanismo de acción de ORCH OR). A ~1 CAM de halotano, los cambios menores informados en la expresión de la proteína tubulina (~1,3 veces) en las neuronas corticales primarias después de la exposición al halotano y al isoflurano no son evidencia de que la tubulina interactúe directamente con los anestésicos generales, sino que muestran que las proteínas que controlan la producción de tubulina son Posibles objetivos anestésicos. Un estudio proteómico adicional informa que el [14C]halotano 0,5 mM se une a los monómeros de tubulina junto con tres docenas de otras proteínas. Además, se ha informado de la modulación de la estabilidad de los microtúbulos durante la anestesia general de renacuajos con antraceno.
¿Qué podrían hacer los anestésicos a los microtúbulos para causar pérdida del conocimiento? Una teoría muy controvertida presentada a mediados de la década de 1990 por Stuart Hameroff y Sir Roger Penrose postula que la conciencia se basa en vibraciones cuánticas en la tubulina/microtúbulos dentro de las neuronas cerebrales. El modelado por computadora de la estructura atómica de la tubulina encontró que las moléculas de gas anestésico se unen adyacentes a los anillos aromáticos de aminoácidos de los electrones π no polares y que las oscilaciones dipolares cuánticas colectivas entre todos los anillos de resonancia de electrones π en cada tubulina mostraron un espectro con una pico de modo común a 613 THz. La presencia simulada de 8 gases anestésicos diferentes abolió el pico de 613 THz, mientras que la presencia de 2 gases no anestésicos diferentes no afectó el pico de 613 THz, por lo que se especuló que este pico de 613 THz en los microtúbulos podría estar relacionado con la conciencia y la acción anestésica.
La 'Teoría de la vibración cuántica de microtúbulos' de la acción anestésica es controvertida debido a varios defectos críticos en la premisa de Orch OR y la falsificación de los datos utilizados en apoyo de la teoría.
Crítica
Orch OR ha sido criticado tanto por físicos como por neurocientíficos que lo consideran un modelo pobre de fisiología cerebral. Orch OR también ha sido criticado por carecer de poder explicativo; La filósofa Patricia Churchland escribió: "El polvo de hadas en las sinapsis tiene un poder explicativo tan poderoso como la coherencia cuántica en los microtúbulos".
David Chalmers argumenta en contra de la conciencia cuántica. En cambio, analiza cómo la mecánica cuántica puede relacionarse con la conciencia dualista. Chalmers se muestra escéptico en cuanto a que cualquier nueva física pueda resolver el difícil problema de la conciencia. Sostiene que las teorías cuánticas de la conciencia adolecen de la misma debilidad que las teorías más convencionales. Así como sostiene que no hay ninguna razón particular por la que determinadas características físicas macroscópicas del cerebro deban dar lugar a la conciencia, también piensa que no hay ninguna razón particular por la que una característica cuántica concreta, como el campo electromagnético del cerebro, deba dar lugar a la conciencia. subir a la conciencia tampoco.
Decoherencia en organismos vivos
En 2000, Max Tegmark afirmó que cualquier sistema cuántico coherente en el cerebro sufriría un colapso efectivo de la función de onda debido a la interacción ambiental mucho antes de que pudiera influir en los procesos neuronales (el argumento "cálido, húmedo y ruidoso", como después se supo). Determinó que la escala de tiempo de decoherencia del entrelazamiento de microtúbulos a temperaturas cerebrales era del orden de femtosegundos, demasiado breve para el procesamiento neuronal. Christof Koch y Klaus Hepp también coincidieron en que la coherencia cuántica no desempeña, o no necesita desempeñar, ningún papel importante en la neurofisiología. Koch y Hepp concluyeron que "la demostración empírica de bits cuánticos lentamente decoherentes y controlables en neuronas conectadas por sinapsis eléctricas o químicas, o el descubrimiento de un algoritmo cuántico eficiente para los cálculos realizados por el cerebro, contribuirían mucho a aclarar estas especulaciones". desde el 'lejano' al mero 'muy improbable'."
En respuesta a las afirmaciones de Tegmark, Hagan, Tuszynski y Hameroff afirmaron que Tegmark no abordó el modelo OR de Orch, sino un modelo de su propia construcción. Esto implicó superposiciones de cuantos separados por 24 nm en lugar de las separaciones mucho más pequeñas estipuladas para Orch OR. Como resultado, el grupo de Hameroff afirmó un tiempo de decoherencia siete órdenes de magnitud mayor que el de Tegmark, aunque todavía muy por debajo de los 25 ms. El grupo de Hameroff también sugirió que la capa de contraiones de Debye podría filtrar las fluctuaciones térmicas, y que el gel de actina circundante podría mejorar la ordenación del agua, filtrando aún más el ruido. También sugirieron que la energía metabólica incoherente podría ordenar aún más el agua y, finalmente, que la configuración de la red de microtúbulos podría ser adecuada para la corrección de errores cuánticos, un medio para resistir la decoherencia cuántica.
En 2009, Reimers et al. y McKemmish et al. publicaron evaluaciones críticas. Las versiones anteriores de la teoría habían requerido que los electrones de tubulina formaran condensados de Bose-Einstein o de Frohlich, y el grupo de Reimers notó la falta de evidencia empírica de que esto pudiera ocurrir. Además, calcularon que los microtúbulos solo podían soportar una coherencia débil de 8 MHz. McKemmish et al. argumentaron que las moléculas aromáticas no pueden cambiar de estado porque están deslocalizadas; y que los cambios en la conformación de la proteína tubulina impulsados por la conversión de GTP darían como resultado un requerimiento energético prohibitivo.
En 2022, un grupo de investigadores italianos realizó varios experimentos que refutaron una hipótesis relacionada del físico Lajos Diósi.
Neurociencia
Hameroff escribe con frecuencia: "Una neurona cerebral típica tiene aproximadamente 107 tubulinas (Yu y Baas, 1994)", pero esto es una invención del propio Hameroff. lo cual no debe atribuirse a Yu y Baas. Hameroff aparentemente entendió mal que Yu y Baas en realidad "reconstruyeron los conjuntos de microtúbulos (MT) de un axón de 56 μm a partir de una célula que había experimentado una diferenciación axónica". y este axón reconstruido "contenía 1430 MT... y la longitud total del MT era de 5750 μm". Un cálculo directo muestra que 107 tubulinas (concretamente 9,3 × 106 tubulinas) corresponden a esta longitud de MT de 5750 μm dentro del axón de 56 μm.
La hipótesis de Hameroff de 1998 requería que las dendritas corticales contienen principalmente células 'A' microtúbulos reticulares, pero en 1994 Kikkawa et al. demostraron que todos los microtúbulos in vivo tienen una estructura 'B' celosía y una costura.
Orch OR también requería uniones entre neuronas y células gliales, pero Binmöller et al. demostraron en 1992 que éstas no existen en el cerebro adulto. La investigación in vitro con cultivos neuronales primarios muestra evidencia de acoplamiento electrotónico (unión en hendidura) entre neuronas inmaduras y astrocitos obtenidos de embriones de rata extraídos prematuramente mediante cesárea; sin embargo, la afirmación de Orch OR es que las neuronas maduras están acopladas electrotónicamente a los astrocitos en el cerebro adulto. Por lo tanto, Orch OR contradice el bien documentado desacoplamiento electrotónico de las neuronas de los astrocitos en el proceso de maduración neuronal, que es afirmado por Fróes et al. de la siguiente manera: " "La comunicación de unión puede proporcionar interconexiones metabólicas y electrotónicas entre redes neuronales y astrocíticas en las primeras etapas del desarrollo neuronal y dichas interacciones se debilitan a medida que avanza la diferenciación".
Se han ofrecido otras críticas basadas en la biología, incluida la falta de explicación para la liberación probabilística de neurotransmisores desde las terminales de los axones presinápticos y un error en el número calculado de dímeros de tubulina por neurona cortical.
En 2014, Penrose y Hameroff publicaron respuestas a algunas críticas y revisiones de muchos de los supuestos periféricos de la teoría, manteniendo la hipótesis central.