[論文レビュー] Quantum Computation in Brain Microtubules? Decoherence and Biological Feasibility

Scott Hagan, Stuart R. Hameroff+1 more|ArXiv.org|May 4, 2000

Biofield Effects and Biophysics被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、Tegmarkが脳のマイクロチューブにおける量子コヒーレンスが急速なデコherenceによって不可能であると主張するのを挑戦し、修正された物理的モデルと生物学的メカニズム——代謝エネルギーの供給やアクチンのゲル化——が、デコherence時間を10⁻²–10⁻¹秒にまで延長できることを主張している。これにより、量子重力に基づく意識（Orch OR）は生物学的に現実可能となる。

ABSTRACT

The Penrose-Hameroff (`Orch OR') model of quantum computation in brain microtubules has been criticized as regards the issue of environmental decoherence. A recent report by Tegmark finds that microtubules can maintain quantum coherence for only $10^{-13}$ s, far too short to be neurophysiologically relevant. Here, we critically examine the assumptions behind Tegmark's calculation and find that: 1) Tegmark's commentary is not aimed at an existing model in the literature but rather at a hybrid that replaces the superposed protein conformations of the `Orch OR' theory with a soliton in superposition along the microtubule, 2) Tegmark predicts decreasing decoherence times at lower temperature, in direct contradiction of the observed behavior of quantum states, 3) recalculation after correcting Tegmark's equation for differences between his model and the `Orch OR' model (superposition separation, charge vs. dipole, dielectric constant) lengthens the decoherence time to $10^{-5} - 10^{-4}$ s and invalidates a critical assumption of Tegmark's derivation, 4) incoherent metabolic energy supplied to the collective dynamics ordering water in the vicinity of microtubules at a rate exceeding that of decoherence can counter decoherence effects (in the same way that lasers avoid decoherence at room temperature), and 5) phases of actin gelation may enhance the ordering of water around microtubule bundles, further increasing the decoherence-free zone by an order of magnitude and the decoherence time to $10^{-2} - 10^{-1}$ s. These revisions bring microtubule decoherence into a regime in which quantum gravity can interact with neurophysiology.

研究の動機と目的

• Tegmarkの主張、すなわち生物学的環境下での急速なデコherenceによりマイクロチューブにおける量子コヒーレンスが不可能であるという主張に反論すること。
• 特に重ね合わせ状態の分離、電荷対比双極子、誘電率に関する仮定の欠陥を特定すること。
• 代謝エネルギー供給やアクチンゲル化といった生物学的プロセスがデコherenceを抑制し、コヒーレンス時間を延長できるかどうかを評価すること。
• 修正されたデコherence時間が、量子重力誘発波動関数崩壊を伴うOrch ORモデルの要件と整合するかどうかを評価すること。
• 生物学的系が温かく湿った環境下でも自然に長寿命な量子コヒーレンスを維持可能である可能性を示し、古典的仮定に対する挑戦をすること。

提案手法

• 重ね合わせ状態の分離や双極子対電荷モデルの違いを補正することで、Tegmarkのデコherence時間の計算を再評価する。
• チュービン双極子モーメントや誘電率定数を含むPenrose-Hameroffの「Orch OR」モデルパラメータを用いて、補正されたデコherence時間式を適用する。
• 非一様な代謝エネルギー供給が量子コヒーレンスを維持する効果をモデル化し、オープン系におけるレーザー安定化と類似したメカニズムを想定する。
• アクチンゲル化がマイクロチューブ束周囲の細胞間隙水を秩序化する役割を分析する。
• 流体力学的および誘電率応答モデルを用いて、水の秩序化がもたらすデコherence時間の増加を推定する。
• 修正されたデコherence時間が神経活動の動的時間スケールおよび量子重力に基づく波動関数崩壊の要件と整合するかどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 補正された物理的モデルを用いることで、Tegmarkの推定値10⁻¹³ sを超えて脳のマイクロチューブにおけるデコherence時間を延長できるか？
• RQ2 マイクロチューブ系に代謝エネルギー供給を組み込むことで、レーザー安定化と同様に環境的デコherenceを抑制できるか？
• RQ3 アクチンゲル化とマイクロチューブ周囲の水の秩序化が、デコherenceフリー領域を著しく拡大し、コヒーレンスを延長できるか？
• RQ4 Tegmarkのモデルにおける仮定——特にデコherenceの温度依存性——が生物学的系において物理的に妥当であるか？
• RQ5 量子重力がマイクロチューブを介した量子計算を通じて神経生理的プロセスに影響を与える可能性のある道筋が存在するか？

主な発見

• 重ね合わせ状態の分離や双極子対電荷モデルの違いを補正することで、推定デコherence時間が10⁻⁵–10⁻⁴秒にまで延長される。
• 修正されたモデルは、Tegmarkの導出における重要な仮定を無効にし、特に温度とデコherence時間の逆関係に関する仮定を覆す。
• デコherence速度を超える割合で非一様な代謝エネルギー供給がなされれば、量子状態は安定化され、室温下でのレーザーによるコヒーレンス維持と類似したメカニズムが成立する。
• アクチンゲル化はマイクロチューブ束周囲の水の秩序化を促進し、デコherenceフリー領域を10倍に拡大できる。
• その結果、デコherence時間が10⁻²–10⁻¹秒にまで延長され、神経活動の動的時間スケールと整合的である。
• これらの修正推定値により、マイクロチューブにおける量子コヒーレンスは、量子重力誘発波動関数崩壊（Orch ORモデルに従う）が認知に実際に影響を与える可能性がある領域に位置づけられる。