Aggiornato lunedì 1 luglio alle 9:25 ET.
NEW YORK - L'idea che la coscienza derivi da fenomeni di meccanica quantistica nel cervello è intrigante, ma manca di prove, affermano gli scienziati.
Il fisico Roger Penrose, dell'Università di Oxford, e l'anestesista Stuart Hameroff, dell'Università dell'Arizona, propongono che il cervello agisca come un computer quantistico - una macchina computazionale che utilizza fenomeni di meccanica quantistica (come la capacità delle particelle di essere dentro due posizioni contemporaneamente) per eseguire calcoli complessi. Nel cervello, le fibre all'interno dei neuroni potrebbero formare le unità di base del calcolo quantistico, spiegano Penrose e Hameroff al Global Future 2045 International Congress, una conferenza futuristica che si tiene qui dal 15 al 16 giugno.
L'idea è allettante, perché finora la neuroscienza non ha una spiegazione soddisfacente per la coscienza: lo stato di autocoscienza e di esperienze e pensieri sensoriali. Ma molti scienziati sono scettici, citando la mancanza di prove sperimentali per l'idea.
Il modello OR OR
Penrose e Hameroff svilupparono le loro idee in modo indipendente, ma collaborarono nei primi anni '90 per sviluppare quello che chiamano il modello Orchestrated Objective Reduction (Orch OR).
Il lavoro di Penrose si basa su un'interpretazione del teorema di incompletezza del matematico Kurt Godel, che afferma che alcuni risultati non possono essere dimostrati da un algoritmo informatico. Penrose sostiene che i matematici umani sono in grado di provare i cosiddetti risultati "non dimostrabili di Godel", e quindi i cervelli umani non possono essere descritti come computer tipici. Invece, dice, per raggiungere queste abilità superiori, i processi cerebrali devono fare affidamento sulla meccanica quantistica.
Ma la teoria di Penrose non ha spiegato come questo calcolo quantico si è verificato all'interno del cervello reale, solo che il fenomeno sarebbe necessario per risolvere alcune equazioni matematiche. Hameroff ha letto il lavoro di Penrose e ha suggerito piccole strutture fibrose che forniscono alle cellule il loro supporto strutturale - noto come microtubuli - potrebbero essere in grado di eseguire calcoli quantistici.
I microtubuli sono costituiti da unità della proteina tubulina, che contiene regioni in cui gli elettroni turbinano molto vicini l'uno all'altro. Hameroff ha proposto che questi elettroni possano diventare "quantum entangled", uno stato in cui due particelle mantengono una connessione e un'azione eseguita su una influenza sull'altra, anche quando i due sono separati da una distanza.
Nel modello OR OR, le probabilità matematiche che descrivono gli stati quantistici di questi elettroni intrecciati nei microtubuli diventano instabili nello spazio-tempo. Queste probabilità matematiche sono chiamate funzioni d'onda e in questo scenario collassano, passando da uno stato di probabilità a una specifica realtà. In questo stato, i microtubuli in un neurone potrebbero essere collegati a quelli di altri neuroni tramite connessioni elettriche note come giunzioni gap. Queste giunzioni permetterebbero agli elettroni di "tunnel" verso altre regioni del cervello, risultando in ondate di attività neurale che sono percepite come esperienza cosciente.
"Penrose aveva un meccanismo per la coscienza e io avevo una struttura", ha detto Hameroff a LiveScience.
Problemi con il modello
Per quanto interessante sembri, il modello Orch OR non è stato testato sperimentalmente e molti scienziati lo rifiutano.
I computer quantistici - computer che sfruttano gli effetti della meccanica quantistica per ottenere calcoli estremamente rapidi - sono stati teorizzati, ma solo uno (costruito dalla società D-Wave) è disponibile in commercio e si discute se si tratti di un vero computer quantistico. Tali computer sarebbero estremamente sensibili alle perturbazioni in un sistema, che gli scienziati chiamano "rumore". Per ridurre al minimo il rumore, è importante isolare il sistema e mantenerlo molto freddo (poiché il calore provoca l'accelerazione delle particelle e la generazione di rumore).
Costruire computer quantistici è una sfida anche in condizioni attentamente controllate. "Questo dipinge un quadro desolato per il calcolo quantistico all'interno del cervello caldo e umido", ha scritto Christof Koch e Klaus Hepp, dell'Università di Zurigo, in Svizzera, in un saggio pubblicato nel 2006 sulla rivista Nature.
Un altro problema con il modello ha a che fare con le scale temporali coinvolte nel calcolo quantistico. Il fisico del MIT Max Tegmark ha effettuato calcoli degli effetti quantistici nel cervello, scoprendo che gli stati quantici nel cervello durano un tempo troppo breve per portare a un'elaborazione significativa del cervello. Tegmark ha definito vago il modello Orch OR, dicendo che gli unici numeri che ha visto per modelli più concreti sono molto lontani.
"Molte persone sembrano ritenere che la coscienza sia un mistero e la meccanica quantistica sia un mistero, quindi devono essere correlate", ha detto Tegmark a LiveScience.
Il modello Orch OR attinge anche critiche da neuroscienziati. Il modello sostiene che le fluttuazioni quantistiche all'interno dei microtubuli producono coscienza. Ma i microtubuli si trovano anche nelle cellule vegetali, ha detto il neuroscienziato teorico Bernard Baars, CEO della non profit Society for Mind-Brain Sciences a Falls Church, Virginia, che ha aggiunto che "le piante, per quanto ne sappiamo, non sono coscienti".
Queste critiche non escludono la coscienza quantistica in linea di principio, ma senza prove sperimentali, molti scienziati non sono convinti.
"Se qualcuno esce con un solo esperimento", per dimostrare la coscienza quantistica, Baars ha detto, "lascerò cadere tutto il mio scetticismo".
Nota dell'editore: Questo articolo è stato aggiornato il 27 giugno 2013 per modificare l'affermazione secondo cui "nessun computer quantistico ... è stato realizzato". La società D-Wave afferma di averne creato uno, anche se alcuni si sono chiesti se funziona davvero come un computer quantistico.
Addendum: (1 luglio 2013)
In risposta alle critiche al modello Orch OR citate in questo articolo, Stuart Hameroff offre diverse prove. In risposta all'obiezione che il cervello è troppo caldo per i calcoli quantistici, Hameroff cita uno studio del 2013 condotto da Anirban Bandyopadhyay presso il National Institute of Material Sciences (NIMS) di Tsukuba, in Giappone, che ha scoperto che “i microtubuli diventano essenzialmente conduttivi quantici quando stimolati a frequenze di risonanza specifiche ", ha detto Hameroff.
In risposta alla critica che i microtubuli si trovano anche nelle cellule (inconsce) delle piante, Hameroff ha affermato che le piante hanno solo un piccolo numero di microtubuli, probabilmente troppo pochi per raggiungere la soglia necessaria per la coscienza. Ma ha anche notato che Gregory Engel dell'Università di Chicago e colleghi hanno osservato effetti quantistici nella fotosintesi delle piante. "Se un pomodoro o un rutabaga possono utilizzare la coerenza quantistica a temperatura calda, perché i nostri cervelli non possono?" Hameroff ha detto.
In risposta alle obiezioni generali alla mancanza di prove per la sua teoria, Hameroff ha citato uno studio del 2013 condotto Rod Eckenhoff presso l'Università della Pennsylvania che suggerisce che gli anestetici - che bloccano solo l'attività cerebrale cosciente - agiscono tramite microtubuli.
Questi studi offrono un certo supporto al modello OR OR. Ma come per tutte le ipotesi scientifiche, il modello deve accumulare prove significative per ottenere una diffusa accettazione da parte della comunità scientifica.
