[논문 리뷰] Decoherence Time of a Microtubule

Takashi Hiramatsu, Tetsuo Matsui외 1명|arXiv (Cornell University)|2006. 02. 17.

Microtubule and mitosis dynamics인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 의식 이론인 펜로즈-하머오프 이론에서 제안한 자가감소 과정을 모델링하기 위해 마이크로튜불린의 양자장 이론을 수립한다. 이는 N개의 튜불린으로 구성된 클러스터의 양자 얽힘 시간 $\au_N$이 $\au_N \sim \exp(c' N)$로 지수적으로 증가함을 도출하며, $N \gtrsim 1100$일 경우 약 $10^{-2}$초의 현실적인 의식 지속 시간을 제공하여 의식 경험의 양자 기반을 지지한다.

ABSTRACT

We formulate and study a quantum field theory of a microtubule, a basic element of living cells. Following the quantum theory of consciousness by Hameroff and Penrose, we let the system to make self-reductions, and measure the decoherence time $\ au_N$ (the mean interval between two successive reductions) of a cluster consisting of more than $N$ neighboring cells (tubulins). $\ au_N$ is interpreted as an instance of the stream of consciousness. For a sufficiently small electron hopping amplitude, $\ au_N$ obeys an exponential law, $\ au_N \\sim \\exp(c' N)$, and may take realistic values $\ au_N $ \ aisebox{-0.5ex} {$\\stackrel{>}{\\sim}$} $ 10^{-2}$ sec for $N \ aisebox{-0.5ex} {$\\stackrel{>}{\\sim}$} 1100$.

연구 동기 및 목표

• 의식 내에서의 양자 과정을 위한 기초로 작용하는 마이크로튜불린에 대한 양자장 이론 프레임워크를 개발하기 위해.
• 펜로즈-하머오프 Orch-OR 이론에 따라 마이크로튜불린 내 자가감소 사건을 모델링하기 위해.
• N개의 튜불린 클러스터에 대한 양자 얽힘 시간 $\au_N$을 계산하고 이를 의식의 흐름과 연관지기 위해.
• 그러한 양자 얽힘 시간이 의식 순간의 물리적으로 현실적인 지속 시간을 제공할 수 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• 튜불린 단백질로 구성된 마이크로튜불린 구조에 대한 양자장 이론을 수립하기 위해.
• 상호작용하는 튜불린 다체계에서의 양자 전이로 자가감소 사건을 모델링하기 위해.
• 양자 혼돈과 터널링을 기술하기 위해 작은 전자 이동 능력을 갖춘 해밀토니안을 사용하기 위해.
• 연속적인 자가감소 사이의 평균 간격인 $\au_N$을 클러스터 크기 $N$의 함수로 유도하기 위해.
• 작은 이동 능력에 대해 $\au_N \sim \exp(c' N)$임을 보이기 위해 점근적 분석을 적용하기 위해.
• Orch-OR 프레임워크에서 $\au_N$을 이산적 의식 순간의 지속 시간으로 해석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클러스터 내 튜불린 수 $N$에 따라 양자 얽힘 시간 $\au_N$이 어떻게 의존하는가?
• RQ2 지수적 스케일링 $\au_N \sim \exp(c' N)$이 의식 경험에 대해 물리적으로 타당한 값을 제공하는가?
• RQ3 마이크로튜불린의 양자장 이론이 관측된 의식 순간의 지속 시간과 일치하는 양자 얽힘 시간을 생성할 수 있는가?
• RQ4 전자 이동 능력은 마이크로튜불린 내에서 양자 혼돈의 안정성과 지속 시간에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ5 마이크로튜불린 내 자가감소 과정은 현실적인 타이밍을 갖는 이산적 의식 사건의 시퀀스를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• N개의 튜불린 클러스터에 대한 양자 얽힘 시간 $\au_N$은 작은 전자 이동 능력에 대해 $\au_N \sim \exp(c' N)$로 지수적으로 증가한다.
• $N \gtrsim 1100$일 경우, 양자 얽힘 시간 $\au_N$은 약 $10^{-2}$초에 도달하며, 이는 단일 의식 순간에 대해 현실적인 지속 시간이다.
• 지수적 스케일링은 시스템 내 작은 전자 이동 능력으로 인한 양자 얽힘의 억제로 인해 발생한다.
• 이 모델은 마이크로튜불린이 의식의 이산적 사건을 지지할 만큼 충분히 오래 양자 양상 상태를 유지할 수 있음을 지지한다.
• $N \gtrsim 1100$일 경우 유도된 $\au_N \sim 10^{-2}$ sec 값은 의식 처리 시간스케일의 경험적 추정과 일치한다.
• 결과적으로, 이론적 근거를 제공하여 펜로즈-하머오프 이론의 의식에 대해 마이크로튜불린 내 양자 과정이 측정 가능하고 생물학적으로 타당한 시간스케일을 제공할 수 있음을 보여준다.