[论文解读] Theory of Brain Function, Quantum Mechanics and Superstrings

D.V. Nanopoulos|ArXiv.org|May 24, 1995

Fractal and DNA sequence analysis参考文献 7被引用 20

一句话总结

本文提出了一套统一框架，通过弦理论启发的量子坍缩机制，将大脑中基于微管的量子动力学与意识联系起来。该框架认为，微管中的相干叠加态——得益于其周期性结构和纠错编码——通过一种新颖的量子引力启发机制实现动态坍缩，将心智状态转化为神经放电，预测意识事件的时间尺度约为1秒。

ABSTRACT

Recent developments/efforts to understand aspects of the brain function at the {\em sub-neural} level are discussed. MicroTubules (MTs) participate in a wide variety of dynamical processes in the cell, especially in bioinformation processes such as learning and memory, by possessing a well-known binary error-correcting code with 64 words. In fact, MTs and DNA/RNA are unique cell structures that possess a code system. It seems that the MTs' code system is strongly related to a kind of ``Mental Code" in the following sense. The MTs' periodic paracrystalline structure make them able to support a superposition of coherent quantum states, as it has been recently conjectured by Hameroff and Penrose, representing an external or mental order, for sufficient time needed for efficient quantum computing. Then the quantum superposition collapses spontaneously/dynamically through a new, string-derived mechanism for collapse proposed recently by Ellis, Mavromatos, and myself. At the moment of collapse, organized quantum exocytosis occurs, and this is how a ``{\em mental order}" may be translated into a ``{\em physiological action}". Our equation for quantum collapse, tailored to the MT system, predicts that it takes 10,000 neurons ${\cal O}(1\,{ m sec})$ to dynamically collapse (process and imprint information). Different observations/experiments and various schools of thought are in agreement with the above numbers concerning ``{\em conscious events}". If indeed MTs, may be considered as the {\em microsites of consciousness}, then several unexplained properties of consciousness/awareness, get easily explained, including ``{\em backward masking}", ``{\em referal backwards in time}". The {\em non-locality} in the cerebral cortex of neurons related to particular missions, and the related {\em unitary sense of self} as well as

研究动机与目标

• 开发一个科学上坚实、还原论的脑动力学框架，整合量子力学与非临界弦理论。
• 将意识解释为微管中量子相干性与动态坍缩的结果，解决长期存在的问题，如结合问题与自由意志问题。
• 通过提出波函数坍缩的动态而非临时性的机制，调和量子力学与脑功能的关系。
• 基于微管量子动力学与能量守恒，提供一个可检验、可实验验证的意识理论。
• 在单一信息处理原理下统一神经科学、量子力学与弦理论，涵盖大脑与宇宙的运作。

提出的方法

• 利用微管中的K₁(13,2⁶,5)二进制纠错编码作为生物信息处理的基础。
• 应用Hameroff-Penrose的Orch-OR模型，提出微管因其准晶周期性结构而能支持相干的量子叠加态。
• 引入源自弦理论的动态坍缩机制（来自Ellis、Mavromatos与Nanopoulos），以替代标准波函数坍缩的假设。
• 将坍缩建模为非局域的、全局的离域量子态截断，通过有序胞吐作用导致神经递质同步释放。
• 预测意识事件持续约1秒，需约10,000个神经元以实现足够的相干性与坍缩动力学。
• 利用能量守恒与量子场动力学，确保与基本物理定律的一致性，同时支持非经典脑功能行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 微管能否通过量子相干性与受控坍缩，成为意识的物理基质？
• RQ2 一种动态而非临时的波函数坍缩机制，如何解释意识事件的时间与选择性？
• RQ3 K₁(13,2⁶,5)编码在微管中在实现支持信息处理与记忆的‘心智编码’中起什么作用？
• RQ4 所提出的坍缩机制如何调和量子力学与脑功能及全局信息处理的关系？
• RQ5 为何神经信号在大脑中传播最大距离？这是否可由微管中及时量子坍缩的需求来解释？

主要发现

• 本文提出，由于其周期性准晶结构，微管可支持长寿命的相干量子叠加态，实现在细胞水平的量子计算。
• 源自非临界超弦理论的量子坍缩机制，预测坍缩时间约为1秒，与意识事件的实际持续时间一致。
• 坍缩选择性地增强与初始信号相关的状态的神经递质释放概率，从而将心智状态转化为生理动作。
• 该模型将后向掩蔽与时间回溯等现象解释为微管网络中非局域量子动力学的后果。
• 大脑中神经信号的最大传播距离，可解释为激发足够微管物质以实现及时量子坍缩的必要条件。
• 该理论通过微管中全局非局域的量子过程，统一且物理上一致地解释了意识、统一的自我、自由意志与结合问题。