[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种非临界弦理论框架，用于描述神经元中微管（MT）动力学，将微管视为1+1维量子系统，以建模宏观量子相干性。该框架表明，量子时空效应可触发前意识相干态在约1秒内有序坍缩为意识状态，从而为时间的主观箭头及意识的涌现提供机制。

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.

研究动机与目标

• 为神经元中微管（MT）动力学提供一致的量子力学处理，微管在神经元结构与功能中具有核心作用。
• 将环境摩擦效应纳入微管的量子框架中，克服标准量子场论方法的局限性。
• 探讨微管是否能容纳稳定、宏观尺度的量子相干态，这些态可对应于前意识心理状态。
• 通过非临界弦模型中的量子坍缩动力学，解释时间流逝的主观体验（即时间的箭头）。
• 通过根植于非临界弦理论的物理机制，统一微管中的量子相干性与意识状态的涌现。

提出的方法

• 将微管建模为1+1维非临界弦系统，从而实现其动力学的一致性量子场论处理。
• 应用非临界弦理论的形式体系，纳入与环境自由度的相互作用，以模拟摩擦与退相干。
• 引入非临界弦理论中固有的量子时空效应，以驱动相干态的有序、非随机坍缩。
• 利用弦模型的自坍缩机制，模拟从前意识量子相干性到确定意识状态的转变。
• 利用框架的内在动力学估算坍缩 timescale，得出约1秒的持续时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 微管能否支持稳定、宏观尺度的量子相干态，这些态可能构成前意识心理处理的基础？
• RQ2 环境摩擦与退相干如何能一致地纳入微管动力学的量子模型中？
• RQ3 非临界弦理论的内在动力学是否能为意识中主观时间箭头的出现提供机制？
• RQ4 微管中量子相干态的坍缩是否可被组织化并精确校准，以匹配意识感知的实证观察（约1秒）？
• RQ5 在量子引力启发的模型中，是否存在一种物理机制，可将细胞骨架结构中的量子相干性与意识体验联系起来？

主要发现

• 该模型预测，微管中宏观量子相干态的坍缩发生在约1秒的时间尺度，与意识感知的实验观察一致。
• 非临界弦理论通过其自坍缩机制自然地引入了微观时间箭头，解决了意识中时间方向性问题。
• 环境摩擦在非临界弦框架中被一致地建模，从而允许在微管的量子动力学中实现真实的退相干效应。
• 该框架将微管识别为量子相干性出现的潜在微尺度位点，相干态对应于前意识心理状态。
• 坍缩过程并非随机，而是有序的，表明从前意识到意识觉知的转变具有物理基础。