微管：大脑意识的起源地？

　　美国亚利桑那州大学意识研究中心主任斯图亚特·哈默罗夫是一位不苟言笑的人物，今年76岁。20多年来，他每年都要主持一个关于意识研究的国际会议。与会者既有心理学家、神经学家、物理学和哲学家，也有摇滚乐手、瑜伽修炼者和业余科学爱好者。整个会议也很不正规，看起来不像科学会议，倒像狂欢节。

　　不苟言笑的哈默罗夫之所以能吸引这么多三教九流的人物，是因为1994年，他提出了一个关于意识起源的石破天惊的猜想。

　　神经元的电活动不足以解释意识

　　了解意识的起源，一直是认知科学的头等课题。与认知有关的一些问题相对容易解决。大脑中大多数信息的处理，如驾驶汽车，仅仅是计算，而对于这一点，神经元放电就足够了，这也是机器人容易模仿的。难的是意识本身。譬如，我们不仅在吃苹果时能享受到乐趣，即使没苹果吃，只是想象吃苹果，也能给我们带来乐趣，而且两者似乎共用同样的大脑回路。再比如说，在物理世界，可见光只有不同波长的区别，但经过我们意识的解读，不同的波长却成了不同的颜色。这些意识(或者说主观体验)是如何产生的，目前科学还无法解释。

　　当然，神经科学上正统的观点认为，意识是由神经元的电活动产生的，只是具体机制迄今未明而已。但哈默罗夫反驳道：没错，意识的产生总伴随着神经元的电活动，但神经元的电活动并不一定导致意识。

　　作为一名曾经的麻醉师，他举了一个例子。在麻醉状态下给病人做手术，病人大脑中的神经元仍在噼啪放电，跟正常的大脑并无不同，甚至疼痛信号也正常地在大脑回路上传播，但疼痛永远不会被病人感觉到、体验到。换句话说，麻醉状态下的病人没有疼痛的意识。既允许神经元正常活动，又有选择地消除了主观体验，麻醉是如何做到这一点的，目前还没人知道。

　　微管和量子效应

　　随后，哈默罗夫提出一个离经叛道的想法：意识起源于神经元中一种叫“微管”的结构的量子行为。换句话说，意识是一种量子效应。

　　为了理解这个观点，下面我们先谈谈什么是“微管”，“量子效应”指的又是什么。

　　微管是1960年代偶然被发现的。它们被证明是自然界中用途最广泛的生物结构之一。微管是由微管蛋白组装而成的一条长链。这些直径约25纳米的管子(只有人体最小的细胞血小板直径的几千分之一)在植物和动物的每个细胞中都有。

　　在活细胞中，微管作为骨架，支撑着细胞的结构;它们还作为传送带，将化学成分从一个细胞传送到另一个细胞。在细胞分裂过程中，微管将染色体从细胞的一端牵引到另一端，然后将染色体置于新的子细胞中。微管甚至在细胞外部发挥作用，形成纤毛和鞭毛，使细胞能够运动。

　　那么，这里的“量子效应”指的又是什么呢?因为从某种意义上来说，所有的生命活动都可以说是量子效应(因为所有生物体都是由分子、原子组成的，而微观粒子的运动都要服从量子规律)。当然，这里的“量子效应”不能做这样的理解，这里指的是那些似乎违背我们直觉的量子现象，如叠加态、相干和退相干性、量子隧道效应和量子纠缠，等等。下面我们分别做个简单介绍。

　　叠加是量子世界的一个属性。在量子物理学上，一个系统(如一个原子或一个光子)是由一个包含所有信息的叠加态来描述的。它允许系统以两个或多个确定的量子态叠加的形式存在。比如，电子按自旋只有“自旋朝上”和“自旋朝下”两种确定的量子态。所以，任何一个电子，在不做测量的时候，通常都是两种自旋量子态的叠加;直到你对它进行测量，它才“坍缩”成一个确定的量子态——要么自旋朝上，要么自旋朝下——而在测量之前，我们只能说它处于模棱两可的叠加态：既有一定的概率自旋朝上，也有一定的概率自旋朝下。这种现象在薛定谔猫的思想实验中得到很好地体现：盒子里的猫，在我们打开盒子观察之前，它处于生和死的叠加态中，有一定的概率死也有一定的概率活，直到我们打开盒子观察，它的叠加态坍缩，才呈现给我们一个确定的死或活的状态。

　　量子纠缠也是一种奇特的量子现象，它描述两个或多个粒子之间存在着一种超越时空的联系。当两个量子粒子纠缠时，它们的状态是相互依存的，即使两者在空间上相隔非常遥远，对其中一个进行操作，也会瞬间影响到另一个，仿佛它们之间的作用力传播不需要时间。量子纠缠在量子密码学、量子远程传输等技术中发挥了核心作用。

　　叠加态和量子纠缠通常是不稳定的，很容易受到干扰而丧失。譬如，我们对叠加态进行测量(实质上相当于干扰)，它就瞬间坍缩。量子相干性就是指系统面对干扰保持纠缠或叠加的能力。而我们把系统受到干扰失去叠加或纠缠，称为“退相干”。

　　量子隧道效应指的是，一个粒子运动中遇到一个高于它所具有的能量的势垒(如原子核内束缚住质子和中子的核力势垒)时，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的;但按照量子力学，粒子依然有一定的概率出现在势垒的另一边，就好像粒子穿过一条隧道出现在另一头一样。量子隧穿效应是扫描隧道显微镜的基本工作原理。

　　意识可能起源于微管的量子行为

　　介绍完了微管和量子效应，你或许会好奇地问：哈默罗夫凭什么要认定细胞中微管这个不起眼的结构作为意识的“起源地”?又凭什么把意识跟量子效应挂上勾呢?

　　他的探索思路大致是这样：首先，他注意到单细胞生物草履虫。草履虫游来游去，寻找食物和配偶，避免危险，而且似乎可以做出不同的选择。这样看来，可以肯定它们能处理信息。如果按意识的宽泛定义，可以说草履虫具有某种初级的意识。但草履虫没有大脑，没有神经元，这种意识来自身体的哪一部分呢?它们跟高级动物的神经元有什么共同之处呢?

　　哈默罗夫想来想去，想到了微管。没错，草履虫尽管没有神经元，但它们跟高级动物的神经元一样，细胞内都有微管。所以，很自然地，微管就被哈默罗夫选作了任何生物的意识“起源地”。

　　由于微管是纳米级的结构，那里发生的任何事情势必都要服从量子物理学的规律，所以哈默罗夫又自然地猜测，在意识的起源上，量子效应可能发挥了作用。

　　但在整个1980年代，他的观点并没有得到学术界的重视。然后，在1990年的一个晚上，他坐下来阅读英国大物理学家罗杰·彭罗斯的《皇帝的新脑》一书，这是一本科普畅销书，贯穿了物理学、宇宙学、数学和哲学等众多领域，最后以谈意识结束。在该书最后，彭罗斯想知道放电的神经元如何产生意识。他认为，要理解意识，可能需要借助量子物理学。

　　哈默罗夫读到这里大吃一惊，他感到彭罗斯的观点与自己的不谋而合。他立即与彭罗斯取得联系。此后几年，他们就一起合作，把哈默罗夫的猜测发展成一个量子意识理论。

　　总而言之，量子意识理论提出，意识源于神经元内部的微管及其量子效应，而不是神经元之间的连接。至于这个量子效应具体是什么，哈默罗夫和彭罗斯甚至大胆猜测，是量子叠加态的坍缩。他们说，微管是由微管蛋白质组成，这些蛋白质可以在两种磷酸化状态之间切换。假设它们可以以叠加态存在，那么每个微管蛋白分子都可以充当一个量子比特，而意识就是这些微管蛋白叠加态坍缩的结果。由于叠加态坍缩是不可预测的，所以大脑中的量子效应可能是我们自由意志(在科学上，意识、自由意志、灵魂这几个词基本上可以通用)的根源。

　　当然，这一切依然还很玄，还留下很多没有解答的疑点。再说，意识的起源固然是个谜，但懂点科学的人都知道，量子物理学本身也是个谜，而现在他们援引一个谜来解决另一个谜，未免有些牵强。但鉴于人们长期以来在意识起源的问题上几乎一筹莫展，现在总算有人抛砖引玉地提出一个科学的解释，也实属难得。

　　量子效应在生物体内广泛存在

　　如果仅仅是哈默罗夫自己坚持这个观点，在学术界根本掀不起波澜，因为他那时只是一个没有名气的麻醉师。但得到大名鼎鼎的彭罗斯支持之后，人们就不得不刮目相看了。

　　当然，仍有许多人认为他们纯属无稽之谈。批评者说，量子效应在实验室是以极难维持出了名的，需要超低温和绝对安静来防止最轻微的干扰;而在生物体内，温度和湿度都太高，干扰因素太多，根本没条件让像叠加态这样的量子效应持续存在。

　　然而，这种反对意见在某种程度上已被一系列新的研究所反驳。研究人员近年来发现，量子效应可能更普遍地牵涉到生物体的各种功能，比如鸟类导航、光合作用、嗅觉的形成等。

　　鸟类的导航利用了鸟类视网膜中一种叫“隐花色素”的蛋白质分子叠加态在地磁场作用下的退相干。这种量子效应使得鸟类眼睛对地磁场的变化非常敏感。

　　在光合作用中，当一个光子击中叶绿素中的一个电子时，该电子将其传递给另一个被称为“反应中心”的分子;该反应中心将光能转化为化学能，为植物提供能量。这个过程太高效了，很少有能量损失，科学家一直怀疑背后可能涉及量子物理学。譬如电子可以利用叠加态，即一个电子同时出现在两个地方，来测试通往反应中心的几条路径，并采取最有效的一条路径。

　　关于嗅觉的最新研究表明，嗅觉的形成可能利用了量子隧道效应。过去人们认为，当气味分子的形状刚好跟嗅觉受体相合(就像钥匙刚好跟锁孔吻合)时，嗅神经上就会产生电脉冲，从而形成嗅觉。但研究人员注意到，当他们在气味分子中用更重的同位素替换时，尽管气味分子的形状不变，嗅觉却不会产生。所以，他们提出一种新观点，认为嗅觉的形成不依赖于分子的形状，而是利用了分子的振动，即特定频率的振动(振动频率与分子质量有关)可以被特定的嗅觉受体识别，而其背后的机制是量子隧道效应。也许更令人惊讶的是，不同的同位素已被证明对大鼠的母性行为有不同的影响。

　　虽然这些新发现还不足以证实量子意识理论，但都表明，哈默罗夫和彭罗斯的主张并不像有人说的那么荒谬。

　　不同寻常的微管

　　哈默罗夫的猜想还将微管研究推向了一个新的水平。科学家发现，微管这种东西确实不同寻常。

　　传统的观点是，当神经元放电的时候，一个电信号会沿着轴突传播，然后导致下一个神经元放电。

　　每个轴突内部都有一束微管。现在科学家发现，在电信号沿着轴突传播时，轴突内的微管也会产生共振，而且共振传播的速度比电信号的速度快几千倍。所以，我们的思维活动或许不仅仅与神经元的电活动有关，很有可能也与微管的共振有关。神经科学家需要更深入地研究微管。

　　一条微管是由许多微管蛋白串联而成的，每个微管蛋白都有电阻。如果以经典的方式运作，整条微管的电阻应该与微管蛋白的数量成正比。在直流电的情况下，的确如此。但是科学家发现，当施加特定频率的交流电时，微管的电阻会一下子跃升10亿倍。微管的作用类似于一个半导体。

　　另一项研究结果更富有戏剧性。科学家发现，微管可能是所谓的“记忆体”。记忆体的电阻，不是恒定的，而是动态的，由流经它们的电流历史所决定，它们能记住以前通过它们的电流，即使关闭后也能保留信息。

　　在电脑的晶体管中，电流的任何中断都会导致数据丢失，因为晶体管没有记忆的功能。然而，如果用记忆体代替晶体管，储存信息的硬盘就不再需要了。更诱人的是，记忆体芯片所需要的能量可能只是标准芯片的百分之一。标准芯片仅限于0和1的二进制代码，而记忆体则以分数的信息单位处理——这一发展被认为是建造像人脑一样行为的计算机的关键。

　　麻醉状态下的微管确实表现不一样

　　既然量子意识理论提出，微管是意识的产生之地，而众所周知，在麻醉状态下，意识被关闭了，那么另一个很自然的猜测是：麻醉药也许能直接作用于微管。最新的两项研究表明，情况确乎如此。

　　2022年，加拿大阿尔伯塔大学的一个研究小组用蓝光分别照射微管和微管蛋白。在几分钟内，他们观察到光都被微管和微管蛋白所捕获，然后在一个被称为“延迟发光”的过程中重新发射出来。微管蛋白只需要数百毫秒就能发射光，而微管则需要一秒多的时间才能发射出光——这与人类大脑处理信息所需的时间相当。这意味着不管是什么原因导致了延迟发光，都可以被用来解释大脑的基本工作原理。

　　研究小组随后在用麻醉药和抗惊厥药物的情况下重复了这个实验。他们发现，用抗惊厥药物，对微管和微管蛋白的延迟发光毫无影响，而用了麻醉药，延迟发光所需的时间减少了大约五分之一。科学家怀疑，这可能是关闭大脑中的意识所致。

　　在第二项研究中，美国普林斯顿大学的一个研究小组使用激光激发了微管中的一个微管蛋白。他们发现，激发态通过微管扩散的距离远远超过预期。当他们对微管用了麻醉剂之后，发现这种行为被抑制了。

　　这两项研究表明，麻醉剂确实能与微管相互作用，并能改变微管的行为。这为量子意识理论提供了支持。不过，要证明微管、量子效应与意识起源的联系，道路依然漫长。