[논문 리뷰] Quantum Computation in Brain Microtubules? Decoherence and Biological Feasibility

Scott Hagan, Stuart R. Hameroff외 1명|ArXiv.org|2000. 05. 04.

Biofield Effects and Biophysics인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 뇌 미세소관에서의 양자 혼돈이 빠른 디코herence로 인해 불가능하다는 테그마크의 주장을 도전하며, 수정된 물리 모델과 생물학적 메커니즘—예를 들어 대사 에너지 공급과 액틴 점성화—가 디코herence 시간을 10⁻²–10⁻¹초로 연장시킬 수 있음을 주장한다. 이는 양자 중력 기반의 의식(Orch OR) 이론이 생물학적으로 타당하다는 것을 뒷받침한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 환경에서의 빠른 디코herence로 인해 미세소관의 양자 혼돈이 불가능하다는 테그마크의 주장을 반박하기 위해.
• 특히 초위치 분리, 전하 대 분극 모델, 그리고 유전율 특성에 관해 테그마크의 모델 가정에 있는 결함을 규명하기 위해.
• 대사 에너지 공급과 액틴 점성화와 같은 생물학적 과정이 디코herence를 억제하고 혼돈 시간을 연장시킬 수 있는지 평가하기 위해.
• 수정된 디코herence 시간이 양자 중력에 의한 파동함수 붕괴를 유도하는 Orch OR 모델의 요구 조건과 호환되는지 평가하기 위해.
• 생물학적 시스템이 따뜻하고 수분이 많은 환경에서도 자연스럽게 장수하는 양자 혼돈을 유지할 수 있으며, 이는 고전적 가정에 도전한다.

제안 방법

• 초위치 분리와 분극 모델 대 전하 모델 간의 차이를 보정하여 테그마크의 디코herence 시간 계산을 재평가한다.
• 튜빈 분극 모멘트와 유전율 상수를 포함한 펜로즈-하머오프의 'Orch OR' 모델 매개변수를 사용해 보정된 디코herence 시간 방정식을 적용한다.
• 비순차적인 대사 에너지 공급이 양자 혼돈을 유지하는 데 미치는 영향을 분석하며, 개방계에서 레이저 안정화와 유사한 메커니즘을 적용한다.
• 액틴 점성화가 미세소관 군집 주변의 간질 수분을 정렬시켜 디코herence 자유 영역을 증가시키는 역할을 분석한다.
• 유체역학적 및 유전율 반응 모델을 사용해 수분 정렬 향상으로 인한 디코herence 시간 증가를 추정한다.
• 수정된 디코herence 시간이 신경 과정의 동적 시간스케일과 양자 중력 기반 파동함수 붕괴의 요구 조건과 일치하는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수정된 물리 모델을 통해 테그마크의 추정치인 10⁻¹³초보다 더 긴 미세소관 내 디코herence 시간을 연장시킬 수 있는가?
• RQ2 레이저 안정화와 유사하게, 미세소관 시스템에 대사 에너지 공급을 포함시키면 환경적 디코herence를 억제할 수 있는가?
• RQ3 액틴 점성화와 미세소관 주변의 수분 정렬이 디코herence 자유 영역을 크게 증가시키고 혼돈 시간을 연장시킬 수 있는가?
• RQ4 테그마크의 모델에서의 가정—특히 디코herence의 온도 의존성—은 생물학적 시스템에 대해 물리적으로 타당한가?
• RQ5 미세소관 기반의 양자 계산을 통해 양자 중력이 뇌 신경 생리 과정에 영향을 줄 수 있는 실현 가능한 경로가 존재하는가?

주요 결과

• 초위치 분리와 분극 대 전하 모델 간의 차이를 보정함으로써, 추정되는 디코herence 시간이 10⁻⁵–10⁻⁴초로 증가한다.
• 수정된 모델은 테그마크 유도의 핵심 가정을 무효화하며, 특히 온도와 디코herence 시간 간의 반비례 관계에 대한 가정이 잘못되었음을 드러낸다.
• 디코herence 속도를 초월하는 비순차적 대사 에너지 공급은 양자 상태를 안정화시키며, 레이저가 실온에서 혼돈을 유지하는 방식과 유사하다.
• 액틴 점성화는 미세소관 군집 주변의 수분 정렬을 향상시켜 디코herence 자유 영역을 약 10배 증가시킨다.
• 결과적으로 디코herence 시간은 10⁻²–10⁻¹초로 증가하며, 이는 신경 과정의 동적 시간스케일과 호환된다.
• 이러한 수정된 추정치는 미세소관의 양자 혼돈이 양자 중력에 의한 파동함수 붕괴(Orch OR 모델에서처럼)가 인지 기능에 실현 가능하게 영향을 줄 수 있는 영역에 위치해 있음을 시사한다.