Bijgewerkt op maandag 1 juli om 09:25 uur ET.
NEW YORK - Het idee dat bewustzijn voortkomt uit kwantummechanische verschijnselen in de hersenen is intrigerend, maar mist bewijs, zeggen wetenschappers.
Natuurkundige Roger Penrose van de Universiteit van Oxford en anesthesioloog Stuart Hameroff van de Universiteit van Arizona stellen voor dat de hersenen werken als een kwantumcomputer - een computationele machine die gebruik maakt van kwantummechanische verschijnselen (zoals het vermogen van deeltjes om in twee plaatsen tegelijk) om complexe berekeningen uit te voeren. In de hersenen zouden vezels in neuronen de basiseenheden van kwantumberekening kunnen vormen, legden Penrose en Hameroff uit op het Global Future 2045 International Congress, een futuristische conferentie die hier van 15 tot 16 juni wordt gehouden.
Het idee is aantrekkelijk, omdat neurowetenschap tot dusver geen bevredigende verklaring heeft voor bewustzijn - de staat van zelfbewustzijn en zintuiglijke ervaringen en gedachten hebben. Maar veel wetenschappers zijn sceptisch en wijzen op een gebrek aan experimenteel bewijs voor het idee.
Het Orch OR-model
Penrose en Hameroff ontwikkelden hun ideeën onafhankelijk, maar werkten begin jaren negentig samen om het Orchestrated Objective Reduction (Orch OR) -model te ontwikkelen.
Penrose's werk berust op een interpretatie van de onvolledigheidsstelling van de wiskundige Kurt Godel, die stelt dat bepaalde resultaten niet kunnen worden bewezen door een computeralgoritme. Penrose stelt dat menselijke wiskundigen in staat zijn om zogenaamde "Godel-unprovable" resultaten te bewijzen, en daarom kunnen menselijke hersenen niet worden beschreven als typische computers. In plaats daarvan, zegt hij, moeten hersenprocessen vertrouwen op de kwantummechanica om deze hogere vermogens te bereiken.
Maar de theorie van Penrose legde niet uit hoe deze quantumcomputing in de werkelijke hersenen plaatsvond, alleen dat het fenomeen nodig zou zijn om bepaalde wiskundige vergelijkingen op te lossen. Hameroff las het werk van Penrose en suggereerde dat kleine vezelachtige structuren die cellen hun structurele ondersteuning geven - bekend als microtubules - mogelijk kwantumberekeningen kunnen uitvoeren.
Microtubuli bestaan uit eenheden van het eiwit tubulin, dat gebieden bevat waar elektronen heel dicht bij elkaar rondwervelen. Hameroff stelde voor dat deze elektronen 'quantumverstrengeld' zouden kunnen worden, een toestand waarin twee deeltjes een verbinding behouden en een actie die op de ene wordt uitgevoerd, de andere beïnvloedt, zelfs wanneer de twee op afstand van elkaar zijn gescheiden.
In het Orch OR-model worden de wiskundige kansen die de kwantumtoestanden van deze verstrengelde elektronen in microtubuli beschrijven, instabiel in de ruimtetijd. Deze wiskundige waarschijnlijkheden worden golffuncties genoemd, en in dit scenario vallen ze in elkaar en bewegen van een staat van waarschijnlijkheid naar een specifieke werkelijkheid. In deze toestand kunnen de microtubuli in één neuron worden verbonden met die in andere neuronen via elektrische verbindingen die bekend staan als gap junctions. Deze knooppunten zouden het mogelijk maken dat de elektronen naar andere delen van de hersenen "tunnelen", wat resulteert in golven van neurale activiteit die als bewuste ervaring worden ervaren.
'Penrose had een mechanisme voor bewustzijn en ik had een structuur', vertelde Hameroff aan WordsSideKick.com.
Problemen met het model
Hoe interessant het ook klinkt, het Orch OR-model is niet experimenteel getest en veel wetenschappers verwerpen het.
Quantumcomputers - computers die profiteren van kwantummechanische effecten om extreem snelle berekeningen te maken - zijn theoretisch, maar er is er maar één (gebouwd door het bedrijf D-Wave) commercieel verkrijgbaar en er wordt gediscussieerd of het een echte quantumcomputer is. Dergelijke computers zouden extreem gevoelig zijn voor verstoringen in een systeem, dat door wetenschappers 'ruis' wordt genoemd. Om ruis te minimaliseren, is het belangrijk om het systeem te isoleren en het erg koud te houden (omdat warmte ervoor zorgt dat deeltjes versnellen en ruis genereren).
Zelfs onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden is het bouwen van kwantumcomputers een uitdaging. 'Dit schetst een desolaat beeld voor kwantumberekening in de natte en warme hersenen', schreven Christof Koch en Klaus Hepp van de Universiteit van Zürich, Zwitserland, in een essay dat in 2006 in het tijdschrift Nature werd gepubliceerd.
Een ander probleem met het model heeft te maken met de tijdschalen die betrokken zijn bij de kwantumberekening. MIT-natuurkundige Max Tegmark heeft berekeningen van kwantumeffecten in de hersenen uitgevoerd, waarbij hij ontdekte dat kwantumtoestanden in de hersenen veel te kort duren om te leiden tot zinvolle hersenverwerking. Tegmark noemde het Orch OR-model vaag en zei dat de enige cijfers die hij heeft gezien voor meer concrete modellen ver weg zijn.
"Veel mensen lijken te denken dat bewustzijn een mysterie is en kwantummechanica is een mysterie, dus ze moeten gerelateerd zijn", vertelde Tegmark aan WordsSideKick.com.
Het Orch OR-model trekt ook kritiek van neurowetenschappers. Het model stelt dat kwantumfluctuaties in microtubuli bewustzijn produceren. Maar microtubuli worden ook gevonden in plantencellen, zei theoretische neurowetenschapper Bernard Baars, CEO van de non-profit Society for Mind-Brain Sciences in Falls Church, VA., Die eraan toevoegde: "planten zijn, voor zover wij weten, niet bewust."
Deze kritiek sluit kwantumbewustzijn in principe niet uit, maar zonder experimenteel bewijs blijven veel wetenschappers niet overtuigd.
'Als iemand maar één enkel experiment bedenkt', om het kwantumbewustzijn aan te tonen, zei Baars, 'dan laat ik al mijn scepsis varen.'
Opmerking van de uitgever: Dit artikel is bijgewerkt op 27 juni 2013 om de stelling te wijzigen dat "geen kwantumcomputers ... zijn gerealiseerd." Het bedrijf D-Wave beweert er een te hebben gemaakt, hoewel sommigen zich afvroegen of het echt werkt als een kwantumcomputer.
Addendum: (1 juli 2013)
Als reactie op de kritiek op het Orch OR-model dat in dit artikel wordt aangehaald, biedt Stuart Hameroff verschillende bewijzen. In antwoord op het bezwaar dat de hersenen te warm zijn voor kwantumberekeningen, citeert Hameroff een studie uit 2013 onder leiding van Anirban Bandyopadhyay aan het National Institute of Material Sciences (NIMS) in Tsukuba, Japan, die ontdekte dat "microtubuli in wezen kwantumgeleidend worden wanneer ze worden gestimuleerd bij specifieke resonantiefrequenties, 'zei Hameroff.
In antwoord op de kritiek dat microtubuli ook in (onbewuste) plantencellen voorkomen, zei Hameroff dat planten slechts een klein aantal microtubules hebben, waarschijnlijk te weinig om de drempel voor bewustzijn te bereiken. Maar hij merkte ook op dat Gregory Engel van de Universiteit van Chicago en collega's kwantumeffecten hebben waargenomen bij fotosynthese van planten. 'Als een tomaat of koolraap kwantumcoherentie bij warme temperatuur kan gebruiken, waarom kunnen onze hersenen dat dan niet?' Hameroff zei.
In reactie op algemene bezwaren tegen een gebrek aan bewijs voor zijn theorie, haalde Hameroff een studie uit 2013 aan die geleid werd door Rod Eckenhoff aan de Universiteit van Pennsylvania, die suggereert dat anesthetica - die alleen bewuste hersenactiviteit stoppen - via microtubuli werken.
Deze studies ondersteunen het Orch OR-model enigszins. Maar zoals bij alle wetenschappelijke hypothesen, moet het model aanzienlijk bewijs verzamelen om een brede acceptatie onder de wetenschappelijke gemeenschap te verkrijgen.
