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大脑中可能进行着量子处理

为了理解智慧的基础是什么,科学家从解剖、神经生化甚至量子物理学的角度进行深入研究。最近,美国加州大学圣芭芭拉分校的马修·费希尔提出,大脑中可能在利用核自旋进行着量子处理,他在Arxiv文库(一个专门收录科学文献预印本的在线数据库)中发表论文对这一观点进行了解释。

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马修·费希尔说,小分子和离子会迅速与周围的液体环境纠缠,因此不能在宏观时间尺度保持量子相干;而核自旋与环境的连接很弱,有可能延长其相干时间。相干持续时间取决于元素种类及其自旋量子值,这样看来,具有最佳相干时间的元素是一种理想的“神经量子比特”,应该有清晰的1/2核自旋,在生化环境中,这种1/2自旋核是弱退相干的。


据物理学家组织网27日报道,磷是唯一较常见的核自旋为1/2的生化元素,因此磷酸盐很适合充当神经量子比特的载体。在费希尔的理论中,提出了一种叫做“波斯纳”(Posner)的磷酸盐分子Ca9(PO4)6,很适合充当量子比特存储器,其能维持的相干时间可能达到几天。


量子处理的核心是量子纠缠,酶催化反应会破坏焦磷酸盐离子,产生两个磷酸盐离子,形成量子纠缠对,可作为量子比特。这种磷酸盐对和细胞外的钙离子结合形成波斯纳分子后,仍会保留核自旋纠缠。


对于某个问题而言,把所有想法集中在一起,真正进行量子处理,需要实现某种量子纠缠和后续测量。


费希尔还提出一种叫做“吻过就跑”(kiss and run)的胞外分泌机制:神经突触把成对的纠缠磷酸盐释放到细胞外液体中,在此它们与钙离子结合成多重波斯纳分子,实际上就将纠缠态的磷核自旋保存下来。当波斯纳分子被传输到两个分离的突触前端,在相互融合时,就会发生量子测量,释放一阵胞内钙离子“雨”,引发下一步的神经递质释放,提高突触后神经元放电的可能性。这种多重纠缠的波斯纳分子引发神经元放电率的非局部量子相干,为神经量子处理提供了关键机制。


费希尔还指出,突触前端发现了转运体VGLUTs(葡萄糖转运蛋白)可作为假定的波斯纳分子。VGLUTs本身有不同形式,今后的研究或有助于识别它们各自的角色。


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