Reducción de objetivos orquestada

Teoría del origen cuántico de la conciencia

Los fundadores de la teoría: Roger Penrose y Stuart Hameroff , respectivamente

La reducción objetiva orquestada ( Orch OR ) es una hipótesis controvertida que postula que la conciencia se origina en el nivel cuántico dentro de las neuronas , en lugar de la visión convencional de que es un producto de conexiones entre neuronas. Se sostiene que el mecanismo es un proceso cuántico llamado reducción objetiva que está orquestado por estructuras celulares llamadas microtúbulos . Se propone que la teoría puede responder al difícil problema de la conciencia y proporcionar un mecanismo para el libre albedrío . ^[1]La hipótesis fue presentada por primera vez a principios de la década de 1990 por el premio Nobel de Física, Roger Penrose , y el anestesiólogo y psicólogo Stuart Hameroff . La hipótesis combina enfoques de la biología molecular , la neurociencia , la farmacología , la filosofía , la teoría de la información cuántica y la gravedad cuántica . ^{[2] [3]}

Si bien las teorías dominantes afirman que la conciencia surge a medida que aumenta la complejidad de los cálculos realizados por las neuronas cerebrales , ^{[4] [5]} Orch OR postula que la conciencia se basa en el procesamiento cuántico no computable realizado por qubits formados colectivamente en microtúbulos celulares, un proceso significativamente amplificado en las neuronas. Los qubits se basan en dipolos oscilantes que forman anillos de resonancia superpuestos en vías helicoidales a lo largo de las redes de microtúbulos. Las oscilaciones son eléctricas, debido a la separación de carga de las fuerzas de Londres , o magnéticas, debido a espín de electrones, y posiblemente también debido a espines nucleares (que pueden permanecer aislados por períodos más largos) que ocurren en rangos de frecuencia de gigahercios , megahercios y kilohercios . ^{[2] [6] La} orquestación se refiere al proceso hipotético por el cual las proteínas conectivas, como las proteínas asociadas a los microtúbulos (MAP), influyen u orquestan la reducción del estado del qubit modificando la separación espaciotemporal de sus estados superpuestos. ^[7] Este último se basa en la teoría del colapso objetivo de Penrose.para interpretar la mecánica cuántica, que postula la existencia de un umbral objetivo que gobierna el colapso de los estados cuánticos, relacionado con la diferencia de la curvatura del espacio-tiempo de estos estados en la estructura de escala fina del universo . ^[8]

La reducción objetiva orquestada ha sido criticada desde sus inicios por matemáticos, filósofos, ^{[9] [10] [11] [12]} y científicos. ^{[13] [14] [15]} La crítica se concentró en tres cuestiones: la interpretación de Penrose del teorema de Gödel ; El razonamiento abductivo de Penrose que vincula la no computabilidad con los eventos cuánticos; y la inadecuación del cerebro para albergar los fenómenos cuánticos requeridos por la teoría, ya que se considera demasiado "cálido, húmedo y ruidoso" para evitar la decoherencia .

Fondo

Más información: argumento de Penrose-Lucas

El lógico Kurt Gödel

En 1931, el matemático y lógico Kurt Gödel demostró que cualquier teoría generada de manera efectiva capaz de probar la aritmética básica no puede ser consistente y completa . En otras palabras, una teoría matemáticamente sólida carece de los medios para probarse a sí misma. Se ha utilizado una declaración análoga para mostrar que los humanos están sujetos a los mismos límites que las máquinas. ^[16] Sin embargo, en su primer libro sobre la conciencia, The Emperor's New Mind (1989), Roger Penrose argumentó que los resultados no probables de Gödel son demostrables por los matemáticos humanos. ^[17]Considera que esta disparidad significa que los matemáticos humanos no se pueden describir como sistemas de prueba formales y, por lo tanto, están ejecutando un algoritmo no computable .

Si es correcto, el argumento de Penrose-Lucas deja abierta la cuestión de la base física del comportamiento no computable. La mayoría de las leyes físicas son computables y, por lo tanto, algorítmicas. Sin embargo, Penrose determinó que el colapso de la función de onda era un candidato principal para un proceso no computable. En la mecánica cuántica , las partículas se tratan de manera diferente a los objetos de la mecánica clásica . Las partículas se describen mediante funciones de onda que evolucionan según la ecuación de Schrödinger . Las funciones de onda no estacionarias son combinaciones lineales de los estados propios del sistema, un fenómeno descrito por el principio de superposición. Cuando un sistema cuántico interactúa con un sistema clásico, es decir, cuando se mide un observable , el sistema parece colapsar a un estado propio aleatorio de ese observable desde un punto de vista clásico.

Si el colapso es verdaderamente aleatorio, ningún proceso o algoritmo puede predecir de manera determinista su resultado. Esto le proporcionó a Penrose un candidato para la base física del proceso no computable que, según él, existía en el cerebro. Sin embargo, no le gustaba la naturaleza aleatoria del colapso inducido por el medio ambiente, ya que la aleatoriedad no era una base prometedora para la comprensión matemática. Penrose propuso que los sistemas aislados aún pueden sufrir una nueva forma de colapso de la función de onda, que llamó reducción objetiva (OR). ^[7]

Penrose trató de reconciliar la relatividad general y la teoría cuántica utilizando sus propias ideas sobre la posible estructura del espacio-tiempo . ^{[17] [18]} Él sugirió que en la escala de Planck el espacio-tiempo curvo no es continuo, sino discreto. Además, postuló que cada superposición cuántica separada tiene su propia curvatura del espacio-tiempo , una ampolla en el espacio-tiempo. Penrose sugiere que la gravedad ejerce una fuerza sobre estas ampollas del espacio-tiempo, que se vuelven inestables por encima de la escala de Planck y colapsan en solo uno de los estados posibles. El umbral aproximado para OR viene dado por el principio de indeterminación de Penrose:${\displaystyle 10^{-35}{\text{m}}}$

${\displaystyle \tau \approx \hbar /E_{G}}$

donde:

• ${\displaystyle \tau }$ es el tiempo hasta que ocurre la OR,
• ${\displaystyle E_{G}}$ es la autoenergía gravitacional o el grado de separación espaciotemporal dado por la masa superpuesta, y
• ${\displaystyle \hbar }$es la constante de Planck reducida .

Por lo tanto, cuanto mayor sea la masa-energía del objeto, más rápido se someterá a OR y viceversa. Las superposiciones a nivel atómico requerirían 10 millones de años para alcanzar el umbral OR, mientras que un objeto aislado de 1 kilogramo alcanzaría el umbral OR en ^10-37 s. Los objetos en algún lugar entre estas dos escalas podrían colapsar en una escala de tiempo relevante para el procesamiento neuronal. ^{[7] [se necesitan citas adicionales ]}

Una característica esencial de la teoría de Penrose es que la elección de estados cuando se produce la reducción objetiva no se selecciona de forma aleatoria (como lo son las elecciones que siguen al colapso de la función de onda) ni de forma algorítmica. Más bien, los estados se seleccionan mediante una influencia "no computable" incrustada en la escala de Planck de la geometría del espacio-tiempo. Penrose afirmó que tal información es platónica , que representa la verdad matemática pura, los valores estéticos y éticos en la escala de Planck. Esto se relaciona con las ideas de Penrose sobre los tres mundos: el físico, el mental y el mundo matemático platónico. ^{[7] [se necesitan citas adicionales ]}

El argumento Penrose-Lucas fue criticado por matemáticos, ^{[19] [20] [21]} informáticos, ^[12] y filósofos, ^{[22] [23] [9] [10] [11]} y el consenso entre los expertos en estos campos es que el argumento falla, ^{[24] [25] [26]} con diferentes autores atacando diferentes aspectos del argumento. ^{[26] [27]} Minsky argumentó que debido a que los humanos pueden creer que las ideas falsas son verdaderas, la comprensión matemática humana no necesita ser consistente y la conciencia puede tener fácilmente una base determinista. ^[28] Fefermanargumentó que los matemáticos no progresan mediante la búsqueda mecanicista a través de pruebas, sino mediante el razonamiento de prueba y error, la intuición y la inspiración, y que las máquinas no comparten este enfoque con los humanos. ^[20]

Orch OR

Penrose describió un predecesor de Orch OR en The Emperor's New Mind , abordando el problema desde un punto de vista matemático y, en particular, desde el teorema de Gödel, pero carecía de una propuesta detallada sobre cómo se podrían implementar los procesos cuánticos en el cerebro. Stuart Hameroff trabajó por separado en investigación del cáncer y anestesia , lo que le dio interés en los procesos cerebrales. Hameroff leyó el libro de Penrose y le sugirió que los microtúbulos dentro de las neuronas eran sitios candidatos adecuados para el procesamiento cuántico y, en última instancia, para la conciencia. ^{[29] [30]} A lo largo de la década de 1990, los dos colaboraron en la teoría de Orch OR, que Penrose publicó en Shadows of the Mind (1994).^[18]

La contribución de Hameroff a la teoría se deriva de su estudio del citoesqueleto neural y, en particular, de los microtúbulos. ^[30] A medida que la neurociencia ha progresado, el papel del citoesqueleto y los microtúbulos ha adquirido mayor importancia. Además de proporcionar soporte estructural, las funciones de los microtúbulos incluyen el transporte axoplásmico y el control del movimiento, el crecimiento y la forma de la célula. ^[30]

Orch OR combina el argumento de Penrose-Lucas con la hipótesis de Hameroff sobre el procesamiento cuántico en microtúbulos. Propone que cuando los condensados ​​en el cerebro experimentan una reducción objetiva de la función de onda, su colapso conecta la toma de decisiones no computacional con experiencias incrustadas en la geometría fundamental del espacio-tiempo. La teoría propone además que los microtúbulos influyen y están influenciados por la actividad convencional en las sinapsis entre neuronas.

Computación de microtúbulos

R: Un axón terminal libera neurotransmisores a través de una sinapsis y son recibidos por microtúbulos en la columna dendrítica de una neurona.
B: estados de conmutación de tubulinas de microtúbulos simulados. ^[1]

Hameroff propuso que los microtúbulos eran candidatos adecuados para el procesamiento cuántico. ^{[30] Los} microtúbulos están formados por subunidades de proteína tubulina . Los dímeros de la proteína tubulina de los microtúbulos tienen bolsas hidrófobas que pueden contener electrones π deslocalizados . La tubulina tiene otras regiones no polares más pequeñas, por ejemplo, 8 triptófanos por tubulina, que contienen anillos de indol ricos en electrones π distribuidos por toda la tubulina con separaciones de aproximadamente 2 nm. Hameroff afirma que esto es lo suficientemente cerca como para que los electrones π de tubulina se entrelacen cuánticamente . ^[31] Durante el entrelazamiento, los estados de las partículas se correlacionan de forma inseparable.

Hameroff sugirió originalmente en el marginal Journal of Cosmology que los electrones de la subunidad de tubulina formarían un condensado de Bose-Einstein . ^[32] Luego propuso un condensado de Frohlich , una hipotética oscilación coherente de moléculas dipolares. Sin embargo, esto también fue rechazado por el grupo de Reimers. ^[33]Hameroff luego respondió a Reimers. "Reimers et al definitivamente NO han demostrado que la condensación de Frohlich fuerte o coherente en los microtúbulos sea inviable. El modelo de microtúbulo en el que basan su hamiltoniano no es una estructura de microtúbulos, sino una simple cadena lineal de osciladores". Hameroff razonó que tal comportamiento de condensado magnificaría los efectos cuánticos nanoscópicos para tener influencias a gran escala en el cerebro.

Luego, Hameroff propuso que los condensados ​​en los microtúbulos en una neurona pueden unirse con los condensados ​​en los microtúbulos en otras neuronas y células gliales a través de las uniones gap de las sinapsis eléctricas . ^{[34] [35]} Hameroff propuso que la brecha entre las células es suficientemente pequeño para que cuántico objetos pueden túnel a través de ella, lo que les permite extienden a través de una gran área del cerebro. Además, postuló que la acción de esta actividad cuántica a gran escala es la fuente de ondas gamma de 40 Hz , basándose en la teoría mucho menos controvertida de que las uniones gap están relacionadas con la oscilación gamma. ^[36]

Crítica

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Orch OR ha sido criticado tanto por físicos ^{[13] [37] [33] [38] [39]} como por neurocientíficos ^{[40] [41] [42]} que lo consideran un modelo deficiente de fisiología cerebral. Orch OR también ha sido criticado por su falta de poder explicativo; la filósofa Patricia Churchland escribió: "El polvo de duende en las sinapsis es tan explicativamente poderoso como la coherencia cuántica en los microtúbulos". ^[43]

Decoherencia en organismos vivos

En 2000, Max Tegmark afirmó que cualquier sistema coherente cuántico en el cerebro sufriría un colapso efectivo de la función de onda debido a la interacción ambiental mucho antes de que pudiera influir en los procesos neuronales (el argumento "cálido, húmedo y ruidoso", como se conoció más tarde) . ^[13] Determinó que la escala de tiempo de decoherencia del entrelazamiento de microtúbulos a temperaturas cerebrales era del orden de femtosegundos , demasiado breve para el procesamiento neuronal. Christof Koch y Klaus Hepp también estuvieron de acuerdo en que la coherencia cuántica no juega, o no necesita jugar, ningún papel importante en la neurofisiología . ^{[14] [15]}Koch y Hepp llegaron a la conclusión de que "la demostración empírica de bits cuánticos lentamente decoherentes y controlables en neuronas conectadas por sinapsis eléctricas o químicas, o el descubrimiento de un algoritmo cuántico eficiente para los cálculos realizados por el cerebro, haría mucho para sacar estas especulaciones del ' lejos 'a lo meramente' muy improbable '". ^[14]

En respuesta a las afirmaciones de Tegmark, Hagan, Tuszynski y Hameroff afirmaron que Tegmark no abordó el modelo Orch OR, sino un modelo de su propia construcción. Esto implicó superposiciones de cuantos separados por 24 nm en lugar de las separaciones mucho más pequeñas estipuladas para Orch OR. Como resultado, el grupo de Hameroff reclamó un tiempo de decoherencia siete órdenes de magnitud mayor que el de Tegmark, aunque todavía muy por debajo de los 25 ms. El grupo de Hameroff también sugirió que la capa Debye de contraiones podría filtrar las fluctuaciones térmicas y que el gel de actina circundantepodría mejorar el orden del agua, filtrando aún más el ruido. También sugirieron que la energía metabólica incoherente podría ordenar aún más el agua y, finalmente, que la configuración de la red de microtúbulos podría ser adecuada para la corrección de errores cuánticos , un medio para resistir la decoherencia cuántica. ^{[44] [45]}

En 2009, Reimers et al. y McKemmish et al., publicaron evaluaciones críticas. Las versiones anteriores de la teoría habían requerido tubulina-electrones para formar condensados ​​de Bose-Einsteins o Frohlich , y el grupo de Reimers notó la falta de evidencia empírica de que esto pudiera ocurrir. Además, calcularon que los microtúbulos solo podían soportar una coherencia débil de 8 MHz. McKemmish y col. argumentó que las moléculas aromáticas no pueden cambiar de estado porque están deslocalizadas; y que los cambios en la conformación de la proteína tubulina impulsados ​​por la conversión de GTP darían como resultado un requerimiento de energía prohibitivo. ^{[37] [33] [38]}

Neurociencia

Más información: Neurociencia

Hameroff frecuentemente escribe: "Una neurona cerebral típico tiene aproximadamente 10 ⁷ tubulinas (Yu y Baas, 1994)", sin embargo, este es propia invención de Hameroff, que no debe ser atribuido a Yu y Baas. ^[46] Hameroff aparentemente entendió mal que Yu y Baas en realidad "reconstruyeron las matrices de microtúbulos (MT) de un axón de 56 μm de una célula que había sufrido diferenciación de axones" y este axón reconstruido "contenía 1430 MT ... y la longitud total de MT era 5750 µm ". ^[46] Un cálculo directo muestra que 10 ⁷ tubulins (para ser preciso 9.3 × 10 ⁶ tubulins) corresponden a esta longitud MT de 5750 m en el interior del axón 56 m.

La hipótesis de Hameroff de 1998 requería que las dendritas corticales contengan principalmente microtúbulos reticulares "A", ^[47] pero en 1994 Kikkawa et al. mostró que todos los microtúbulos in vivo tienen una red "B" y una costura. ^{[48] [49]}

Orch OR también requirió uniones gap entre neuronas y células gliales, ^[47] sin embargo, Binmöller et. Alabama. demostró en 1992 que estos no existen en el cerebro adulto. ^{[50] La} investigación in vitro con cultivos neuronales primarios muestra evidencia de acoplamiento electrotónico (unión gap) entre neuronas inmaduras y astrocitos obtenidos de embriones de rata extraídos prematuramente por cesárea ; ^[51] sin embargo, la afirmación de Orch OR es que las neuronas maduras están acopladas electrotónicamente a los astrocitos en el cerebro adulto. Por lo tanto, Orch OR contradice lo bien documentadodesacoplamiento electrotónico de las neuronas de los astrocitos en el proceso de maduración neuronal , como lo afirman Fróes et al. de la siguiente manera: "la comunicación de unión puede proporcionar interconexiones metabólicas y electrotónicas entre las redes neuronales y astrocíticas en las primeras etapas del desarrollo neuronal y tales interacciones se debilitan a medida que avanza la diferenciación". ^[51]

Se han ofrecido otras críticas basadas en la biología, incluida la falta de explicación de la liberación probabilística de neurotransmisores desde terminales axónicos presinápticos ^{[52] [53] [54]} y un error en el número calculado de dímeros de tubulina por neurona cortical. ^[46]

En 2014, Penrose y Hameroff publicaron respuestas a algunas críticas y revisiones de muchos de los supuestos periféricos de la teoría, al tiempo que retuvieron la hipótesis central. ^{[2] [6]}

Ver también

• Interpretación de Copenhague
• Teorías electromagnéticas de la conciencia
• Teoría holonómica del cerebro
• Interpretación de muchas mentes
• Interpretación de Penrose
• Aspectos cuánticos de la vida (libro)
• Mente cuántica
• Cognición cuántica

Referencias

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enlaces externos

• Página de inicio del Centro de Estudios de la Conciencia
• Mente cuántica
• Sitio de "Conciencia cuántica" de Hameroff
• Roger Penrose (1999) La ciencia y la mente. Conferencias públicas del Instituto Kavli de Física Teórica, 12 de mayo de 1999.