[論文レビュー] Non-Critical String Theory Formulation of Microtubule Dynamics and Quantum Aspects of Brain Function

Nick E. Mavromatos, Dimitri V. Nanopoulos|ArXiv.org|May 29, 1995

Quantum Mechanics and Applications参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、神経細胞内のマイクロチューブ（MT）のダイナミクスを、1+1次元の量子系として扱う非臨界ストリング理論の定式化を提案する。この定式化により、巨視的量子もつれをモデル化する。この枠組みにおいて、量子的時空効果が、約1秒間のスケールで前意識的もつれ状態の組織だてられた崩壊を引き起こし、主観的時間の矢と意識の出現のメカニズムを提供する。

ABSTRACT

Microtubule (MT) networks, subneural paracrystalline cytosceletal structures, seem to play a fundamental role in the neurons. We cast here the complicated MT dynamics in the form of a $1+1$-dimensional non-critical string theory, thus enabling us to provide a consistent quantum treatment of MTs, including enviromental {\em friction} effects. We suggest, thus, that the MTs are the microsites, in the brain, for the emergence of stable, macroscopic quantum coherent states, identifiable with the {\em preconscious states}. Quantum space-time effects, as described by non-critical string theory, trigger then an {\em organized collapse} of the coherent states down to a specific or {\em conscious state}. The whole process we estimate to take ${\cal O}(1\,{ m sec})$, in excellent agreement with a plethora of experimental/observational findings. The {\em microscopic arrow of time}, endemic in non-critical string theory, and apparent here in the self-collapse process, provides a satisfactory and simple resolution to the age-old problem of how the, central to our feelings of awareness, sensation of the progression of time is generated.

研究の動機と目的

• 神経細胞におけるニューロンの構造的・機能的中心的役割を果たすマイクロチューブ（MT）のダイナミクスに対する一貫性のある量子力学的取り扱いを提供すること。
• 標準的量子場理論の手法に限界がある中で、MTに環境の摩擦効果を量子枠組みに組み込むこと。
• マイクロチューブが、前意識的メンタル状態に対応する安定した巨視的量子もつれ状態を保持できるかどうかを検討すること。
• 非臨界ストリングモデルにおける量子崩壊ダイナミクスを通じて、時間の進行の主観的経験（時間の矢）を説明すること。
• 非臨界ストリング理論に根ざした物理的に妥当なメカニズムを通じて、MTにおける量子もつれと意識状態の出現を統合すること。

提案手法

• マイクロチューブを1+1次元の非臨界ストリング系としてモデル化し、そのダイナミクスに対する一貫性のある量子場理論的取り扱いを可能にする。
• 非臨界ストリング理論の形式的枠組みを適用し、環境の自由度との相互作用を含め、摩擦とデコherenceをモデル化する。
• 非臨界ストリング理論に内在する量子的時空効果を導入し、非ランダムな、組織だてられたもつれ状態の崩壊を駆動する。
• ストリングモデルの自己崩壊メカニズムを用いて、前意識的量子もつれから明確な意識状態への遷移をシミュレートする。
• フレームワークの内部的ダイナミクスを用いて崩壊時間スケールを推定し、約1秒の持続時間を得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロチューブは、前意識的メンタル処理の基盤となる安定した巨視的量子もつれ状態を支持できるか？
• RQ2 環境の摩擦とデコherenceは、マイクロチューブダイナミクスの量子モデルに一貫して組み込めるか？
• RQ3 非臨界ストリング理論の内部的ダイナミクスは、意識における主観的時間の矢の出現にメカニズムを提供するか？
• RQ4 マイクロチューブにおける量子もつれ状態の崩壊は、意識的知覚の経験的観測（約1秒）と一致するように組織立てられ、タイミングが取れるか？
• RQ5 量子重力に由来するモデルにおいて、細胞骨格構造における量子もつれと意識体験を結びつける物理的メカニズムは存在するか？

主な発見

• このモデルは、マイクロチューブにおける巨視的量子もつれ状態の崩壊が約1秒のスケールで発生することを予測しており、意識的知覚の実験的観測と整合的である。
• 非臨界ストリング理論は、自己崩壊メカニズムを通じて、微視的時間の矢を自然に組み込み、意識における時間の方向性の問題を解決する。
• 環境の摩擦は非臨界ストリング枠組み内で一貫してモデル化可能であり、マイクロチューブの量子ダイナミクスにおける現実的なデコherence効果を可能にする。
• このフレームワークは、マイクロチューブが量子もつれの発生のための潜在的微小な場所であると特定し、もつれ状態が前意識的メンタル状態に対応することを示している。
• 崩壊プロセスはランダムではなく組織だてられており、前意識的から意識的意識への移行の物理的基盤を示唆している。