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大脑使用量子力学吗？ 从某种程度上说，大脑肯定在使用量子力学，因为大脑是由原子组成的，而原子是遵循量子力学的。不过，那些怪异的量子效应——可以同时出现在两个地方，可以跨越距离瞬时彼此影响等等——是否可以用来解释意识、记忆等大脑的认知活动呢？事实上，这是一个非常有争议的问题。 许多人否认量子力学在其中发挥作用，主要的理由来自奥卡姆剃刀原理。奥卡姆剃刀原理指的是最简单的解释通常是最好的解释。当前，科学家不使用量子力学就可以很好地解释大脑如何工作，并认为大脑的认知活动都可以用神经元的相互作用来解释。 不过在1989年，英国牛津大学的数学家、物理学家罗杰·彭罗斯却认为，经典理论模型是无法解释大脑如何产生思想和意识的，要想解释清楚，就必须使用量子理论模型。彭罗斯的观点一下吸引了许多人从量子的角度来分析大脑。之后，一些科学家发现了能把量子力学带入到神经科学的切入点。 科学家发现微管——一种构成神经元支撑结构的管形蛋白质——可以利用量子力学效应。具体地说，微管可以同时处在两种不同形状之中，这种状态叫做“叠加态”。一般的分子一次只能处在一种形状之中，信息含量只是一个比特，而这种叠加态使得微管能存储更多的信息，它所存储的信息含量被称为一个量子比特。 如果把量子纠缠加入进来，还会把事情变得更加不可思议。量子纠缠会使得两个量子系统即使不相连也可以瞬时影响，这使得信息处理极为高效。于是，如果我们能基于叠加态和量子纠缠来建造一台量子计算机，那么这种计算机就可以同时进行多次计算，并把所有的计算结果综合起来。所以量子计算机比普通的计算机速度更快，效率更高。于是，彭罗斯认为，大脑可能就类似于一种量子计算机。 脆弱的量子态 尽管许多人开始很认同彭罗斯的观点，但是漏洞很快就开始浮现出来。最根本的问题是，量子态在大脑里似乎很难维持很长的时间。 叠加态和量子纠缠都是极其脆弱的现象，它们就像杂技演员在钢丝上骑独轮车，轻微的扰动就可能导致演员摔下去。如果量子态受到热、机械振动或其他的因素干扰的话，那么它们就会“垮塌”下来，“陷入”到一种经典的状态之中。 这个问题在过去的20多年里还阻碍了许多物理学家和工程师尝试建造任何大型量子计算机的可能。即使在低温冷却和隔离的条件下，也很难让量子计算机中的量子态保持很长的时间，来完成更复杂的计算任务。 而大脑却是一个温暖、潮湿的环境，里面都是拥挤在一起抖动着的分子，这种环境对于量子态来说是极为不友好的。神经元每次保持一个信息的时间大约为几微秒，处理信息的时间则比这个略多一点，而研究表明，微管的叠加态只能持续10-20到10-30秒。于是，大多数科学家都觉得大脑的认知活动并不能用量子力学来解释。 孤立中的原子核 来自美国加州大学圣芭芭拉分校的物理学家马修·费舍尔却与大家的观点不一样。他当然知道，微管的那个问题似乎很难解决，不过他还觉得，进化本身也许能找到一种利用量子力学的好办法。生命有几十亿年的时间来“发现”量子力学，并利用自己精密的分子来使用量子效应。所以费舍尔认为，量子效应可能在某种程度上左右着大脑中神经元的活动。 费舍尔对这个问题的研究，是从精神类药物如何影响人的思维开始的。事实上，没有人真正理解任何精神类药物的作用机理。例如，稳定情绪的药物大都含有锂元素，因为锂能稳定情绪，但为什么锂有这种效果还不得而知。 而费舍尔收集文献时，一篇来自1986年的研究报告吸引了他的注意。这篇报告里描述了一个给老鼠服用锂的两个同位素（锂6和锂7）的实验，实验结果显示，在筑巢、喂养和护理幼崽等活动中，服用锂6的老鼠的活跃程度远高于服用锂7的老鼠。而这篇报告使得费舍尔觉得，这背后可能就是量子力学在“搞鬼”。 费舍尔认为，量子力学能在这里发挥作用与一种称为“自旋”的量子属性是分不开的。量子力学告诉我们，所有的原子核与基本粒子一样，都具有“自旋”。粗略地说，自旋可以表示一个原子核可以“感受”到多少电场和磁场——自旋值越大，感受到的作用力越强。当原子核的自旋为最低值1/2时，它与电场几乎没有作用，而与磁场只有一个很微弱的作用。像大脑这样的环境里，主要充满的是电场，而自旋为1/2的原子核却感受不到周围的影响，这样它就在环境中孤立起来，它的量子态可以维持很长的时间。 大脑中的锂核和磷核 自旋为1/2的原子核在自然界中并不常见。锂6的原子核自旋为1，不过在类似大脑那种亲水性盐溶液中，水中额外质子的存在会使得锂6的原子核变为一个自旋为1/2的原子核。实验表明，锂6的原子核维持自旋为1/2的时间可以持续到5分钟左右。费舍尔认为，锂6对大脑的镇定作用，可能就是其原子核产生的量子效应所带来的。 锂6并不是天然地存在于大脑之中，但是有一种自旋为1/2的原子核却是大脑的土著居民，而且还积极地参与许多生命化学反应。它就是磷原子核。费舍尔认为如果大脑真的有量子处理过程，那么利用磷原子核的自旋可能是唯一的途径。 费舍尔对生物体内的各种磷基分子进行了详尽的计算后，找到了一种可进入量子态的候选者。这个候选者是一种磷酸钙分子，叫做波斯纳分子或分子团。1975年，科学家就在人体骨骼中发现了这种分子，而且它们被认为也存在于体液之中。费舍尔计算了波斯纳分子维持量子态的时间，结果是最多可达105秒，这已经超过了一天的时间。 费舍尔还确定了大脑中至少存在一种化学反应，能使得波斯纳分子的磷原子核之间形成量子纠缠。这个化学反应涉及到对钙的吸收和脂肪的代谢，过程中使用了一种名为焦磷酸酶的酶，而这种酶可以使得焦磷酸盐分子分解为两个磷酸离子。理论上，这两个离子内的磷原子核是处在互为纠缠状态的。把磷酸离子释放到细胞周围的液体中，它们就可以与钙离子结合，形成波斯纳分子。 如果上面这些分析都是正确的，那么大脑细胞外的液体可能充斥着处在纠缠状态的波斯纳分子。费舍尔推测，这些分子一旦进入神经元，可能会改变神经细胞的激活和响应方式，并开始形成思想和记忆。 量子神经学的开始？ 最近，费舍尔已经把他的这些想法发表了出来，但是他承认他仍然停留在讲故事的阶段。他说：“我必须完成一些实验。” 首先需要检测的是，波斯纳分子是否真的存在于细胞外的体液之中。如果的确存在的话，就可以检测它们是否真的处于纠缠状态，而费舍尔计划在实验室中对其进行检测。实验大致的步骤是，在溶液中发生化学反应来产生被怀疑是处于纠缠状态的波斯纳分子，然后把反应后的溶液分别注入两个试管中，并寻找这两份溶液产生的光子是否具有量子相关性。观察到相关性，就说明波斯纳分子里的磷原子核很有可能是处于纠缠状态的。 费舍尔还想知道，量子效应是否能解释汞对大脑的影响。他认为，一些常见的汞同位素可能会跑到波斯纳分子内，破坏磷原子核的量子态，从而引发神经功能异常。 费舍尔还认为，量子效应还能解释许多常见的神经学现象。例如，我们知道，脑震荡是人头部遭受外力打击后引发的短暂脑功能障碍，我们现在也不清楚脑震荡发生的机理。那么这是不是遭受外力打击后，干扰了大脑内的量子态呢？另外，之所以磁场可以改变大脑的状态，是不是磁场影响了原子核的自旋呢？费舍尔正与美国斯坦福大学的神经学家和分子生物学家来研究这些问题。 费舍尔的想法听起来并不是那么疯狂，但一些科学家仍对费舍尔的观点表示怀疑。他们认为，大脑内存在大量的量子系统似乎是一件不可能的事情，因为只要稍有干扰，量子系统就会分崩离析。而且当前的理论足以解释很多问题，不需要量子力学来帮忙。 不过，也有许多科学家对这个问题持开放的态度，毕竟过去20多年里积累的证据表明，其他的生物过程——例如光合作用——的确有量子效应在发挥作用。彭罗斯就对费舍尔的故事表示很兴奋，并表示他早就怀疑原子核的自旋可能在大脑的长期记忆功能中扮演十分重要的角色。 所以说，尽管量子力学十分艰深，而且常违反直觉，但是也许正是因为如此，才使得我们有了一个功能无比强大的大脑。 |
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