科学家发现大脑神经元中的量子行为

一项新的研究探索了大脑中神经元传递信息时的量子现象，可能为我们理解大脑功能提供新的见解。

在这项发表于《计算与结构生物技术杂志》的项目中，印度泰戈尔自然科学与哲学中心的理论物理学家帕尔塔·戈斯（Partha Ghose）与英国伦敦大学城市圣乔治学院和美国麻省理工学院米勒实验室的理论神经科学家迪米特里斯·皮诺齐斯（Dimitris Pinotsis）合作，证明了描述大脑反应的经典物理学方程与描述量子力学的方程在数学上是等价的。随后，戈斯和皮诺齐斯推导出了一个专门针对神经元的类薛定谔方程。

我们的大脑通过一个包含数百万神经元的庞大网络处理信息，每个神经元都可以发送和接收化学和电信号。信息的传递依赖于神经冲动，这些冲动通过离子在神经元细胞膜上的流动从一个神经元传递到下一个神经元。这会导致跨膜电位差的实验可检测变化，称为“动作电位”或“尖峰”。

当这种电位超过阈值时，脉冲就会被传递下去。但在尖峰阈值以下，神经元的动作电位会随机波动，类似于经典布朗运动——悬浮在流体中的微小粒子的连续随机运动——这是由于与周围环境的相互作用。这种波动产生了研究人员在本研究中探讨的所谓“神经元噪声”。

皮诺齐斯表示，此前，“物理学家和神经科学家大多认为标准量子力学与神经元过程无关，因为量子效应被认为在神经元的大尺度上消失了。”但戈斯解释说，一些研究量子认知的研究者持有与主流观点不同的看法。

戈斯告诉《物理世界》：“他们认为，量子概率理论比经典概率理论更好地解释了社会科学中观察到的某些认知效应。然而，该领域的大多数研究人员将量子形式（描述量子行为的数学框架）视为纯粹的数学工具，而不假设量子力学中的任何物理基础。我发现这种观点令人困惑且不满意，促使我探索量子认知的更严格基础——一个可能基于物理的基础。”

因此，戈斯和皮诺齐斯从美国数学家爱德华·尼尔森（Edward Nelson）的思想出发开始了他们的工作。尼尔森早在1966年利用经典布朗运动推导出了薛定谔方程，该方程通过称为波函数的概率波预测粒子的位置和运动。

首先，他们证明了描述大脑活动中随机神经元噪声的经典布朗运动方程中的变量也遵循量子力学方程，并推导出了单个神经元的类薛定谔方程。该方程通过揭示神经元在特定时刻具有特定膜电位值的概率来描述神经元噪声。接下来，研究人员展示了广泛用于模拟神经元动力学的FitzHugh-Nagumo方程如何可以改写为薛定谔方程。最后，他们在这些类薛定谔方程中引入了一个神经元常数，类似于普朗克常数（定义量子中的能量量）。

皮诺齐斯兴奋地说：“当数学证明显示FitzHugh-Nagumo方程与量子力学和薛定谔方程相关时，我感到非常兴奋。这表明量子现象，包括量子纠缠，可能在更大的尺度上仍然存在。”

量子纠缠可能与意识的缺失有关，因此这项研究可能有助于揭示麻醉剂的工作原理。他们的工作可能还将大脑活动记录中观察到的振荡与量子现象联系起来。这很重要，因为振荡被认为是疾病的标志：患者和对照组的大脑振荡方式不同，通过测量这些振荡，可以判断一个人是否生病。

展望未来，这项研究可以帮助他们设计关键的神经科学实验来测试他们的理论。测量这项研究中预测的神经元能级，并最终确认神经元常数以及包括纠缠在内的量子效应的存在，将代表人们对大脑功能理解的一大进步。