Hersens benutten kwantum-principes

‘MRI-metingen wijzen op kwantumgedrag in het brein’. Aldus Dorine Schenk in New Scientist van 12 november 2022.

Onze hersenen maken misschien gebruik van kwantumberekeningen. Dat denken onderzoekers van Trinity College in Dublin die daar in MRI-scans aanwijzingen voor menen te zien.

Het idee dat kwantumprocessen een rol spelen in ons brein is niet nieuw. De hersenen bestaan uit miljarden zenuwcellen met talrijke onderlinge verbindingen. Het is nog altijd onduidelijk hoe uit dit complexe systeem bewustzijn en menselijk redeneren voortkomen. Sommige wetenschappers denken de ongrijpbaarheid van onze hersenen te kunnen verklaren met de bijna net zo ongrijpbare kwantummechanica.

De meest genoemde theorie over het kwantumbrein is die van de natuurkundige Roger Penrose en anesthesist Stuart Hameroff. Zij ontwikkelden in de jaren tachtig de Orchestrated Objective Reduction (Orch OR) theorie. Volgens deze theorie wordt het bewustzijn veroorzaakt door kwantumgedrag in zogeheten microtubuli (kleine eiwitstructuren in de zenuwcellen in het brein). De laatste jaren groeit de interesse in deze controversiële theorie. Maar er is ook kritiek.

Verstrengeling

De onderzoekers van Trinity College beschouwen kwantumprocessen in het brein op een andere manier. ‘Mijn idee is dat de hele hersendynamiek kwantum is’, mailt natuurkundige Christian Kerskens van Trinity College. ‘Dit onderscheidt mij van andere benaderingen in het veld, waar de focus ligt op zeer specifieke mechanismen of locaties in de hersenen.’ Zoals de Orch OR theorie waarbij het kwantumgedrag zich beperkt tot de microtubuli. Maar ook bij het idee van Kerskens kunnen kwantumprocessen onderdeel zijn van bewustzijn en andere hersenfuncties.

Om de kwantumachtigheid van het brein te onderzoeken onderzochten de wetenschappers kwantumverstrengeling. Hierbij zijn twee of meer deeltjes (of andere kwantummechanische objecten) op zo’n manier met elkaar verbonden dat ze eigenschappen delen. Als je meet dat het ene deeltje rechtsom tolt, weet je bijvoorbeeld dat de ander vanaf exact dat moment linksom tolt.

Deze bijzondere verbintenis is er altijd, ongeacht hoe ver de deeltjes zich bij elkaar bevinden, en gaat altijd onmiddellijk in. Zodra je de tolling van het ene deeltje bepaalt als linksom, weet het andere deeltje onmiddellijk dat het rechtsom moet gaan tollen.

Onbekend kwantumgedrag

Om te achterhalen of er kwantumeffecten optreden in het brein, gebruikten de onderzoeker een idee dat ook gebruikt wordt om te zoeken naar quantumzwaartekracht, een theorie die de zwaartekracht en de kwantumwereld probeert te verenigen.

‘We weten niet wat voor kwantumeffecten een rol spelen in het brein. Dat betekent dat we ook niet weten hoe we meetinstrumenten moeten ontwerpen om die effecten direct te meten’, zegt Kerskens, ‘Daarom maken we er gebruik van de mogelijkheid dat de onbekende kwantumsystemen zouden kunnen wisselwerken met bekende kwantumsystemen, zoals de spin (het tollen, red.) van waterstofatomen.’

Het idee is: als er onbekende kwantumeffecten spelen in het brein, kunnen die zich met de spin van waterstofatomen bemoeien. Daardoor kunnen die spins van de waterstofatomen verstrengeld raken. En dat is meetbaar. Zie je verstrengelde spins van waterstofatomen in het brein, dan kan dat dus duiden op de aanwezigheid van onbekende kwantumeffecten.

MRI-metingen

Tijdens het experiment zochten de onderzoekers naar verstrengelde spins van waterstofatomen in het water in de hersenen. Dat deden ze door met een speciale techniek te zoeken naar verstrengelingen in MRI-metingen. Een MRI-scanner meet namelijk de spin van waterstofatomen.

Wat de onderzoekers zagen in de metingen was het elektrische signaal dat opgewekt wordt door de hartslag. Dat is het bekende signaal dat getoond wordt op hartmonitors in het ziekenhuis. Volgens de onderzoekers is dat signaal in principe niet meetbaar met een MRI-scanner. Ze denken dat de verstrengeling van de spins van waterstofatomen dit elektrische signaal toch zichtbaar maakt in MRI-metingen, wat dus weer kan duiden op het bestaan van onbekende kwantumeffecten in het brein.

Kwantumachtig

De MRI-metingen zijn intrigerend, maar het is geen hard bewijs dat er iets ‘kwantumachtigs’ aan de hand is met het brein. Het idee dat een onbekend systeem een kwantumsysteem is omdat bekende systemen die ermee wisselwerken verstrengelen, is bijvoorbeeld nog nieuw. Het zal dus nog moeten blijken of dit inderdaad een goede manier is om onbekende kwantumsystemen aan te wijzen.

Daarnaast kan het gemeten signaal, dat zou duiden op kwantum-verstrengeling, ook een andere oorsprong hebben. Het is nu de grote vraag of er een verklaring te vinden is voor het signaal waarbij kwantummechanica geen rol speelt, zegt Kerskens. ‘Mocht die verklaring niet te vinden zijn, dan zijn de hersenen kwantum.’