Состояние сознания может быть связано с квантовыми эффектами

Сознание, как его описывают психологи, "является одновременно самым знакомым и самым загадочным аспектом нашей жизни". Несмотря на тысячелетия исследований и объяснений философов и ученых, состояние сознания остается загадочным и противоречивым. Может ли общая анестезия, при которой сознание временно ослабляется, дать некоторые подсказки, основанные на квантовой физике?

Новое исследование, проведенное учеными Университета Калгари, показывает, что квантовые эффекты могут быть вовлечены в то, как анестетик под названием ксенон влияет на сознание. Экспериментально было доказано, что ксенон вызывает состояние общей анестезии у нескольких видов животных. Хотя анестезирующие свойства ксенона были открыты в 1939 году, точный механизм, с помощью которого он оказывает анестезирующее действие, остается неясным даже после десятилетий исследований.

Исследовательская группа разработала первую в истории вычислительную и математическую модель, которая показывает - на молекулярном уровне - что "квантовая запутанность" электронов может играть важную роль.

"Мы показали, что с помощью этой теоретической модели мы можем объяснить, как работает ксенон, через квантовую запутанность электронов в паре радикалов (молекулы с одним неспаренным электроном). Это позволяет предположить, что эти запутанные электроны каким-то образом важны для сознания", - говорит доктор Кристоф Симон, доктор философии, профессор физики на кафедре физики и астрономии факультета естественных наук.

Радикальные пары возникают при разрыве химической связи между двумя спаренными электронами. Даже если они физически разделены, два электрона все равно связаны на квантовом уровне и влияют друг на друга - это состояние известно как квантовая запутанность.

"Основываясь на нашей модели, можно предположить, что квантовые эффекты, по крайней мере, способствуют возникновению сознательного опыта", - говорит ведущий автор исследования Джордан Смит, студент магистратуры факультета физики и астрономии.

Наряду с пролитием света на сознание, углубление понимания механизмов, лежащих в основе общей анестезии, может в будущем привести к улучшению анестетиков и их доставки.

Исследование команды опубликовано в открытом доступе в журнале "Scientific Reports".

Идея исследования возникла у Саймона после предыдущих экспериментов других исследовательских групп, изучавших действие ксенона на плодовых мушках и мышах.

В эксперименте с плодовыми мушками при действии ксенонового анестетика изменялся сигнал электронного спинового "резонанса". Это указывало на то, что каким-то образом происходит перенос электронов.

В эксперименте с мышами ученые обнаружили, что эффективность ксенона зависит от того, какой изотоп анестетика был использован.

Изотопы - это варианты химического элемента, которые имеют разное количество нейтронов в ядре атома, и поэтому обладают разным "ядерным спином".

"Наша новая модель показывает, что механизм радикальных пар, который включает динамику запутанных электронных спинов и их взаимодействие с соседними спинами, может количественно объяснить изотопные эффекты, наблюдаемые для анестезирующей силы ксенона, а также качественно объяснить наблюдение сигналов электронного спинового резонанса", - говорит Саймон.

Смит, который занимался моделированием механизма образования радикальных пар, говорит, что исследование команды объединило исследования нескольких различных дисциплин, включая химию, неврологию, биологию и физику.

"Самым интересным для меня было идти по следу "крошек печенья", пытаясь соединить точки между различными областями исследований, чтобы составить точную картину происходящего", - говорит Смит.

Соавтор исследования и аспирант физики Хади Заде-Хагиги выполнил расчеты по квантовой химии, используя кластер передовых исследовательских вычислений UCalgary и современные вычислительные инструменты, предоставленные Compute Canada.

Работа Заде-Хагиги проходила под руководством соавтора и квантового химика доктора Денниса Салахуба, доктора философии, заслуженного профессора кафедры химии, который изучает взаимодействие между электронами и ядрами на протяжении нескольких десятилетий.

Салахуб и Саймон являются сотрудниками Института квантовой науки и технологии Университета Калгари. Саймон также является сотрудником Института мозга Хотчкисса при Медицинской школе Камминга.

Команда из Университета Калгари сейчас ищет партнеров для проведения экспериментальной работы, которая поможет подтвердить их новую модель и предложенный механизм анестезии на основе ксенона.

Модель команды согласуется с предыдущими моделями, созданными другими исследовательскими группами для объяснения с помощью механизма радикальных пар запутанных электронов того, как птицы чувствуют магнитное поле Земли, чтобы ориентироваться во время миграции.

Хорошо известно, что магнитные поля влияют на мозг. Например, магнитные поля используются в транскраниальной магнитной стимуляции - методе лечения для улучшения симптомов депрессии.

Новая модель команды предсказывает, что сила внешнего магнитного поля, благодаря его воздействию на электронные и ядерные спины, будет влиять на эффективность анестетика. Это можно проверить в контролируемом эксперименте с использованием различных напряженностей магнитного поля, говорит Саймон.

Эксперименты можно провести и с другими анестетиками, чтобы выяснить, проявляют ли они изотопную зависимость, основанную на ядерном спине, а также на внешних магнитных полях.

Исследовательская группа Саймона работает с нейробиологами над экспериментальными и теоретическими проектами, основанными на предыдущих исследованиях группы, которые касаются потенциальной роли фотонов в возможных оптических каналах связи в мозге.

Новое исследование финансировалось Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады и было поддержано компанией Compute Canada.