Dikemaskini pada hari Isnin, 1 Julai, pukul 9:25 pagi ET.
NEW YORK - Idea bahawa kesedaran timbul daripada fenomena mekanik kuantum di dalam otak sangat menarik, tetapi tidak mempunyai bukti, kata para saintis.
Ahli fizikal Roger Penrose, dari University of Oxford, dan ahli biologi anestesi Stuart Hameroff, dari University of Arizona, mencadangkan bahawa otak bertindak sebagai komputer kuantum - sebuah mesin pengiraan yang menggunakan fenomena mekanik kuantum (seperti keupayaan zarah untuk berada di dalam dua tempat sekaligus) untuk melakukan pengiraan yang kompleks. Di dalam otak, serat di dalam neuron boleh membentuk unit asas pengiraan kuantum, Penrose dan Hameroff dijelaskan pada Kongres Global Future 2045, persidangan futuristik yang diadakan di sini 15-16 Jun.
Idea ini menarik, kerana neurosains, setakat ini, tidak mempunyai penjelasan yang memuaskan untuk kesedaran - keadaan menjadi diri sendiri dan mempunyai pengalaman dan pemikiran deria. Tetapi ramai saintis yang ragu-ragu, memetik ketiadaan bukti eksperimen untuk idea itu.
The Orch OR model
Penrose dan Hameroff mengembangkan ide mereka secara bebas, tetapi berkolaborasi pada awal 1990-an untuk membangunkan apa yang mereka panggil model Pengurangan Objektif Dirancang (Orch OR).
Kerja Penrose terletak pada tafsiran teorem ketidaksempurnaan Kurt Godel yang matematikawan, yang menyatakan bahawa keputusan tertentu tidak dapat dibuktikan oleh algoritma komputer. Penrose berhujah bahawa ahli matematik manusia mampu membuktikan keputusan "Godel-unprovable", dan oleh itu otak manusia tidak dapat digambarkan sebagai komputer tipikal. Sebaliknya, katanya, untuk mencapai kebolehan yang lebih tinggi, proses otak mesti bergantung pada mekanik kuantum.
Tetapi teori Penrose tidak menerangkan bagaimana komputasi kuantum ini berlaku di dalam otak sebenar, hanya fenomena yang diperlukan untuk menyelesaikan persamaan matematik tertentu. Hameroff membaca karya Penrose dan mencadangkan struktur berserabut kecil yang memberikan sel-sel sokongan struktur mereka - dikenali sebagai microtubules - mungkin mampu melakukan pengiraan kuantum.
Microtubules terdiri daripada unit-unit tubulin protein, yang mengandungi kawasan di mana elektron berpusing-kerong di sekitar satu sama lain. Hameroff mencadangkan bahawa elektron-elektron ini boleh menjadi "terikat kuantum," suatu keadaan di mana dua zarah mengekalkan sambungan, dan tindakan yang dilakukan pada satu mempengaruhi kedua-dua pihak, walaupun kedua-duanya dipisahkan oleh jarak.
Dalam model ATAU ATAU, kebarangkalian matematik yang menggambarkan keadaan kuantum elektron terikat dalam microtubules menjadi tidak stabil dalam ruang masa. Kebarangkalian matematik ini dipanggil fungsi gelombang, dan dalam senario ini mereka runtuh, bergerak dari keadaan kebarangkalian ke kenyataan tertentu. Dalam keadaan ini, microtubules dalam satu neuron boleh dikaitkan dengan mereka di neuron lain melalui sambungan elektrik yang dikenali sebagai persimpangan jurang. Persimpangan ini akan membolehkan elektron menjadi "terowong" ke kawasan otak yang lain, mengakibatkan gelombang aktiviti neural yang dianggap sebagai pengalaman sedar.
"Penrose mempunyai mekanisme kesedaran, dan saya mempunyai struktur," kata Hameroff kepada LiveScience.
Masalah dengan model
Menarik kerana kedengarannya, ORI ATAU model belum diuji secara eksperimen, dan ramai saintis menolaknya.
Komputer kuantum - komputer yang memanfaatkan kesan kuantum mekanikal untuk mencapai pengiraan yang sangat cepat - telah berteori, tetapi hanya satu (dibina oleh syarikat D-Wave) yang tersedia secara komersial, dan sama ada komputer kuantum benar dibahaskan. Komputer sedemikian akan sangat sensitif terhadap gangguan dalam sistem, yang para saintis merujuk sebagai "kebisingan." Untuk mengurangkan bunyi bising, penting untuk mengasingkan sistem dan menjadikannya sangat sejuk (kerana haba menyebabkan zarah-zarah untuk mempercepatkan dan menghasilkan bunyi).
Membina komputer kuantum mencabar walaupun di bawah keadaan yang dikawal dengan teliti. "Ini menggambarkan gambaran sepi bagi pengiraan kuantum di dalam otak basah dan hangat," kata Christof Koch dan Klaus Hepp, dari University of Zurich, Switzerland, menulis dalam sebuah esei yang diterbitkan pada tahun 2006 dalam jurnal Nature.
Satu lagi masalah dengan model ini ada kaitan dengan masa-masa yang terlibat dalam pengiraan kuantum. Ahli fizikal MIT Max Tegmark telah membuat pengiraan kesan kuantum di dalam otak, mendapati bahawa jumlah kuantum di dalam otak terakhir terlalu singkat untuk membawa kepada pemprosesan otak yang bermakna. Tegmark memanggil model ATAU model samar-samar, dengan mengatakan bahawa nombor-nombor yang dilihatnya untuk model yang lebih konkrit adalah jauh.
"Ramai orang seolah-olah merasakan bahawa kesedaran adalah misteri dan mekanik kuantum adalah misteri, jadi mereka mesti berkaitan," kata Tegmark kepada LiveScience.
Model Or Orch OR menarik kritikan dari pakar neurosikal juga. Model ini memegang turun naik kuantum di dalam microtubules menghasilkan kesedaran. Tetapi microtubules juga terdapat dalam sel-sel tumbuhan, kata ahli teori neurosains, Bernard Baars, Ketua Pegawai Eksekutif Persatuan Sains Bukan Minda untuk Mind-Brain Sciences di Falls Church, VA., Yang menambahkan, "tumbuh-tumbuhan, sehingga pengetahuan kita yang terbaik, tidak sedar."
Kritikan ini tidak menolak kesedaran kuantum pada prinsipnya, tetapi tanpa bukti percubaan, banyak saintis tetap tidak yakin.
"Jika seseorang datang dengan hanya satu percubaan tunggal," untuk menunjukkan kesedaran kuantum, Baars berkata, "Saya akan menurunkan semua keraguan saya."
Nota Editor: Artikel ini telah dikemaskini pada 27 Jun 2013 untuk meminda pernyataan bahawa "tiada komputer kuantum ... telah direalisasikan." Syarikat D-Wave mendakwa telah mencipta satu, walaupun ada yang mempersoalkan sama ada ia benar-benar melakukan sebagai komputer kuantum.
Addendum: (1 Julai 2013)
Sebagai tindak balas kepada kritikan model ATAU ATAU yang dipetik dalam artikel ini, Stuart Hameroff menawarkan beberapa bukti. Sebagai balasan kepada bantahan bahawa otak terlalu panas untuk perhitungan kuantum, Hameroff mengutip satu kajian 2013 yang diketuai oleh Anirban Bandyopadhyay di Institut Sains Bahan Kebangsaan (NIMS) di Tsukuba, Jepun, yang mendapati bahawa "microtubules menjadi konduktif secara kuantum ketika dirangsang pada frekuensi resonan tertentu, "kata Hameroff.
Sebagai balasan kepada kritikan bahawa microtubules terdapat dalam sel tumbuhan (tidak sedar) juga, Hameroff mengatakan bahawa tumbuh-tumbuhan hanya mempunyai sejumlah kecil microtubules, mungkin terlalu sedikit untuk mencapai ambang yang diperlukan untuk kesedaran. Tetapi dia juga menyatakan bahawa Gregory Engel dari University of Chicago dan rakan-rakan telah melihat kesan kuantum dalam fotosintesis tumbuhan. "Jika tomato atau rutabaga boleh menggunakan koheren kuantum pada suhu hangat, mengapa tidak dapat otak kita?" Hameroff berkata.
Sebagai tindak balas terhadap bantahan umum terhadap kekurangan bukti untuk teorinya, Hameroff mengutip satu kajian 2013 yang mengetuai Rod Eckenhoff di University of Pennsylvania yang menunjukkan bahawa anestetik - yang hanya menghentikan aktiviti otak sedar - bertindak melalui microtubules.
Kajian-kajian ini memberikan sokongan kepada model ATAU ATAU. Tetapi seperti semua hipotesis saintifik, model itu mesti mengumpul bukti penting untuk mendapatkan penerimaan yang meluas di kalangan komuniti saintifik.
