Un nouveau spin dans le cerveau quantique
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Une nouvelle hypothèse suggère que les états quantiques fragiles pourraient exister pendant plusieurs heures ou même des jours dans notre cerveau. Et des expériences pourraient bientôt tester cette hypothèse.
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Traduction d’un article de Quanta Magazine par Jennifer Ouellette.
La simple mention d’une conscience quantique fait grimacer les physiciens, car cette expression évoque des rêveries insipides d’un gourou adepte du New Age. Mais si une nouvelle hypothèse est vraie, alors l’effet quantique pourrait jouer certains rôles dans la cognition humaine. Matthew Fisher, un physicien de l’université de Californie, a fait grimacer beaucoup de physiciens quand il a publié un papier dans la revue Annals of Physics en proposant que les spins nucléaires des atomes de phosphore puissent servir de qubits rudimentaires dans le cerveau.1 Cela permettrait au cerveau de fonctionner comme un ordinateur quantique.
Sommaire
L’obstacle de la décohérence quantique
Il y a 10 ans, l’hypothèse de Fisher aurait été écartée d’un geste de la main en la considérant comme insensée. Les physiciens ont en marre de ce genre de choses, car en 1989, Roger Penrose a proposé que de mystérieuses structures de protéines appelées microtubules jouaient un rôle dans la conscience humaine en exploitant les effets quantiques. Quelques chercheurs estiment que cette hypothèse est plausible. Patricia Churchland, une neurophilosophe à l’université de Californie, avait accepté cette hypothèse en invoquant la poussière de lutin dans les synapses pour expliquer la cognition humaine.2
L’hypothèse de Fisher fait face au même obstacle intimidant qui avait plombé les microtubules et c’est le phénomène connu comme la décohérence quantique. Pour construire un ordinateur quantique fonctionnel, vous avez besoin de connecter des qubits, des bits quantiques d’informations, dans un processus connu comme l’intrication quantique. Mais les qubits intriqués existent dans un état fragile. Ils doivent être protégés de n’importe quelle nuisance de l’environnement. Un seul photon dans votre qubit est suffisant pour créer une décohérence de votre système en détruisant l’intrication et les propriétés quantiques du système. Il est déjà difficile de faire un traitement quantique dans un environnement de laboratoire parfaitement contrôlé. Pour le cerveau, il faut que les états quantiques puissent exister dans un environnement qui peut être chaud et froid propre à la biologie humaine tout en maintenant la cohérence pendant suffisamment longtemps. À première vue, c’est impossible.
Mais depuis une décennie, des preuves croissantes suggèrent que certains systèmes biologiques peuvent utiliser la mécanique quantique. Dans la photosynthèse, les effets quantiques permettent aux plantes de transformer la lumière du soleil en carburant.3 4 Les scientifiques ont aussi suggéré que les oiseaux migrateurs ont une boussole quantique qui leur permet d’exploiter les champs magnétiques de la Terre pour la navigation.5 Et que même le sens de l’odeur chez l’humain pourrait prendre ces racines dans la mécanique quantique en mode #toutestquantique.
La biologie quantique
La notion de Fisher dans le traitement quantique concernant le cerveau s’adapte à ce domaine de recherche très récent qu’on connait comme la biologie quantique. Vous pouvez aussi l’appeler comme la neuroscience quantique. Fisher a développé une hypothèse complexe qui inclut la physique quantique et nucléaire, la chimie organique, la neuroscience et la biologie. Ses idées ont rencontré un scepticisme considérable dans la communauté, mais certains chercheurs commencent à étudier certaines idées. Ceux qui lisent son papier finissent par conclure : Ce vieux monsieur n’est pas si cinglé selon John Preskill, un physicien à California Institute of Technology après une conférence de Fisher.6 Il est peut être sur quelque chose et en tout cas, il pose des questions intéressantes.
Senthil Todadri, un physicien du MIT et un ami de longue date de Fisher est sceptique, mais il pense que Fisher a reformulé la question centrale : Est-ce que le traitement quantique se produit dans le cerveau ? Et il le fait de telle manière qu’on peut tester son hypothèse de manière rigoureuse. L’idée générale est qu’il est impossible que le cerveau puisse avoir un traitement quantique. Mais Fisher propose un cas qui crée une échappatoire à cette impossibilité. Et le test est de démontrer si on peut combler cette échappatoire. Fisher est en train de rassembler une équipe pour des tests de laboratoire afin de répondre à cette question.
Trouver le Spin
Crédit : Matthew Fisher
Fisher appartient à une dynastie de physiciens. Son père, Michael E. Fisher, est un physicien célèbre à l’université du Maryland dont les travaux en physique statistique ont reçu de nombreux prix pendant sa carrière. Son frère, Daniel Fisher, est un physicien appliqué à l’université de Stanford qui est spécialisé dans les dynamiques évolutionnaires. Matthew Fisher a suivi leurs traces en menant une carrière réussie dans la physique. Il a partagé le prix Oliver E. Buckley Prize de 2015 pour sa recherche sur les transitions de phase quantiques.7
Et donc, qu’est-ce qui l’a éloigné de la physique conventionnelle pour passer au domaine controversé qui mélange la biologie, la chimie, la neuroscience et la physique quantique ? Ses propres problèmes avec une dépression clinique. Fisher se souvient du mois de février 1986 où il s’est senti engourdi et complètement à plat comme s’il n’avait pas dormi depuis une semaine. Je pensais que j’étais drogué. Et plus de sommeil ne l’aidait pas. Il a changé de régime, fait de l’exercice et les tests sanguins n’ont rien révélé. Mais son trouble a persisté pendant 2 ans. J’avais comme une migraine qui frappait mon corps toutes les minutes. Son état s’est tellement empiré qu’il a envisagé le suicide, mais la naissance de sa fille lui a donné une raison de combattre le brouillage de la dépression.
Il a trouvé un psychiatre qui lui a prescrit un antidépresseur tricyclique et en 3 semaines, son état s’est amélioré. Selon Fisher, le brouillage métaphorique qui m’enveloppait et qui m’empêchait de voir la lumière du soleil a commencé à se dissiper. En 9 mois, il a subi une nouvelle renaissance même s’il avait les effets secondaires de la médication incluant une pression sanguine élevée. Il est passé ensuite au Prozac et depuis cette époque, il continue de suivre et de peaufiner son traitement.
Son expérience lui a prouvé que les médicaments ont fonctionné. Mais Fisher fut surpris de découvrir que les neuroscientifiques connaissent très peu les mécanismes de fonctionnement de ces médicaments. Cela a éveillé sa curiosité et étant donné son expertise dans la mécanique quantique, il s’est demandé sur la possibilité d’un traitement quantique dans le cerveau. Il y a 5 ans, il a commencé à en apprendre plus sur le sujet en partant des antidépresseurs comme un point de départ.
Étant donné que toutes les médications psychiatriques sont des molécules complexes, il s’est concentré sur la plus simple qui est le lithium. Le lithium est constitué d’un seul atome et il est plus facile à étudier qu’un Prozac. L’analogie est intéressante, car l’atome de lithium est une sphère d’électrons qui entourent un noyau. Il s’est penché sur le fait que le lithium disponible dans votre pharmacie est un isotope fréquent connu comme le lithium-7. Est-ce qu’un isotope différent, comme le lithium-6 qui est plus rare, produirait les mêmes résultats ? Et c’est oui en théorie puisque les 2 isotopes sont identiques sur le plan chimique. Ils varient simplement sur le nombre de neutrons dans le noyau.
Quand Fisher a cherché dans la littérature scientifique, il a trouvé qu’une expérience a été effectuée pour comparer les effets du lithium-6 et du lithium-7. En 1986, les scientifiques de l’université de Cornell ont examiné les effets des 2 isotopes sur le comportement des rats. Les rats en état de grossesse ont été séparés en 3 groupes, un premier groupe qui a reçu du lithium-7, un second qui avait eu le lithium-6 et le troisième était un groupe de contrôle. Une fois que les petits sont nés, les mères, qui avaient reçu le lithium-6, montraient des instincts maternels plus forts par rapport aux rats ayant reçu le lithium-7 ou le groupe de contrôle.8
Les résultats ont fait tomber Fisher à la renverse. La chimie des deux isotopes était la même et la différence légère dans la masse atomique aurait dû disparaitre dans l’environnement aqueux de l’organisme, alors qu’est-ce qui explique de telles différences ? Fisher pense que le secret pourrait se trouver dans le spin nucléaire qui est une propriété quantique qui affecte comment chaque atome peut rester cohérent lorsqu’il est isolé de son environnement. Plus le Spin est inférieur et moins le noyau interagit avec les champs électriques et magnétiques et donc, il subit moins de décohérence.
Étant donné que le lithium-7 et le lithium-6 possèdent différentes quantités de neutrons, alors ils ont également des spins différents. Le résultat est que le lithium-7 se “décohère” plus rapidement pour exploiter la cognition quantique tandis que le lithium-6 bénéficie d’une intrication plus longue. Fisher a trouvé que les 2 substances sont similaires sur leurs aspects importants sauf pour le spin quantique et qu’elles produisent des effets très différents sur le comportement. Pour Fisher, c’est un indice captivant que le traitement quantique puisse jouer un rôle dans le traitement cognitif.
Le schéma de la protection quantique
Le défi est titanesque si on part d’une hypothèse intrigante afin de la démontrer. Le cerveau aurait besoin d’un mécanisme pour stocker l’information quantique en qubits pour une période suffisamment longue. Il doit y avoir un mécanisme pour intriquer de multiples qubits et que cette intrication doit être réalisable sur le plan chimique pour influencer l’activation des neurones dans une manière précise. Et on doit pouvoir transporter l’information quantique stockée en qubits à travers le cerveau.
C’est un euphémisme de dire que c’est un défi de taille. Et pendant sa quête de 5 ans, Fisher a identifié un seul candidat qui permet de stocker l’information quantique dans le cerveau et ce sont les atomes de phosphore. Le phosphore est le seul élément biologique, à part l’hydrogène, qui possède un spin d’un demi pour augmenter la durée de la cohérence quantique. Le phosphore ne peut pas créer des qubits, mais son temps de cohérence peut être étendu selon Fisher si vous associez le phosphore avec des ions de calcium pour former des ensembles.
En 1975, Aaron Posner, un scientifique de l’université de Cornell, a remarqué un étrange amas d’atomes de calcium et de phosphore dans un os sous rayon X.9 Il a dessiné ces amas et on voit 9 atomes de calcium et 6 atomes de phosphore qu’on a appelé les molécules de Posner. Ces amas sont de nouveau apparus en 2000 lorsque les scientifiques ont simulé le développement osseux dans un fluide artificiel.10 Ces amas flottaient dans le fluide. D’autres expériences ont trouvé des preuves de ces amas dans le corps.11 Et Fisher pense que les molécules de Posner pourraient servir de qubits naturels dans le cerveau.
C’est une image d’ensemble et grossière, mais le diable se trouve dans les détails. Ces dernières années, Fisher a passé son temps à analyser ces détails. Le processus commence dans une cellule avec un composant chimique appelé pyrophosphate. Le pyrophosphate est composé de 2 phosphates liés ensemble et chacun est composé d’un atome de phosphore entouré par de multiples atomes d’oxygène avec un spin de zéro. L’interaction entre les spins des phosphates provoque leur intrication. Ils peuvent s’associer de 4 manières : 3 des configurations produisent un total de spin de 1 (Un état “Triplet” qui souffre d’une intrication faible), mais le 4e état produit un spin de zéro ou un état “Singlet” d’intrication maximum qui est crucial pour l’informatique quantique.
Ensuite, les enzymes fractionnent les phosphates intriqués en 2 ions libres de phosphates. Et le point important est que ces ions libres restent intriqués lorsqu’ils sont séparés. Ce processus se produit plus rapidement dans l’état Singlet selon Fisher. Ces ions de phosphate se combinent ensuite avec des ions de calcium et des atomes d’oxygène pour devenir des molécules de Posner. Les atomes de calcium ou d’oxygène n’ont pas de spin nucléaire et cela préserve donc le total du spin de demi pour allonger les périodes de la cohérence quantique. Donc, ces amas protègent les paires intriquées contre les interférences externes pour qu’ils maintiennent leur cohérence sur de grandes périodes de temps. Fisher pense que cela peut durer des heures, des jours ou même des semaines.
Crédit : Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazin
De cette manière, l’intrication peut être distribuée équitablement sur de longues distances dans le cerveau en influençant la production de neurotransmetteurs et l’activation de synapses entre les neurones. La fameuse action terrifiante à distance qui est en action dans le cerveau.
Tester l’hypothèse
Les chercheurs, qui travaillent dans la biologie quantique, sont prudemment intrigués par la proposition de Fisher. Alexandra Olaya-Castro, une physicienne à l’université de College London qui a travaillé dans la photosynthèse quantique, considère la proposition comme une hypothèse bien pensée. Elle ne donne pas de réponses, mais elle ouvre des questions qui permettraient de tester l’hypothèse.
Peter Hore, un chimiste à l’université d’Oxford, qui étudie si les systèmes de navigation des oiseaux migrateurs utilisent des effets quantiques estime qu’on a un physicien théoricien qui propose des molécules et des mécaniques précises afin de voir leurs influences sur l’activité du cerveau. Cela ouvre la voie pour un test expérimental.
Et Fisher mène actuellement ces tests expérimentaux. Il a utilisé un congé sabbatique à l’université de Stanford pour travailler avec des chercheurs afin de reproduire l’étude de 1986 sur des rats en état de grossesse. Il reconnait que les résultats préliminaires sont décevants, car les données ne fournissent pas beaucoup d’informations. Mais il pense que si on répète l’expérience avec un protocole très proche de celle de 1986, alors il y aura plus de résultats.
Fisher a demandé un financement pour mener des expériences plus approfondies sur la chimie quantique. Il a réuni un groupe de scientifiques provenant de plusieurs disciplines. En premier lieu, il veut étudier si le phosphate de calcium forme réellement des molécules stables de Posner et si les spins nucléaires du phosphore de ces molécules peuvent être intriqués sur de longues périodes de temps.
Mais Hore et Olaya-Castro sont très sceptiques sur la durée du temps, notamment l’estimation de Fisher que la cohérence pourrait durer une journée. Je ne pense pas que ce soit possible selon Olaya-Castro. La période la plus longue pour une activité biochimique est de quelques secondes et c’est encore trop long. Les neurones stockent l’information en microsecondes. Au mieux, on pourrait avoir une cohérence d’une seconde. Cela n’infirme pas son hypothèse, mais je pense qu’il faut une molécule différente pour avoir une cohérence quantique plus longue. J’ai des doutes que la molécule de Posner soit la bonne candidate, mais je vais suivre comment cela va se passer.
D’autres estiment qu’on n’a pas besoin d’invoquer le traitement quantique pour expliquer le fonctionnement du cerveau. La preuve est que nous pouvons expliquer tous les processus par l’interaction des neurones selon Paul Thagard, un neurophilosophe à l’université de Waterloo en Ontario.12 Mais Thagard ne donne pas plus d’explications.
Et on doit examiner de nombreux aspects sur l’hypothèse de Fisher. Est-ce que la structure de la molécule de Posner est symétrique ? Et quel est le niveau d’isolement des spins nucléaires ? Et plus important, qu’est-ce qui passe si l’hypothèse est fausse ? Alors, on devra abandonner le concept de cognition quantique. Je pense que si le spin nucléaire du phosphore n’est pas utilisé dans le traitement quantique, alors cela signifie que la mécanique quantique n’existe pas sur de longues périodes de temps concernant la cognition. Et il est important de le confirmer ou de l’infirmer une bonne fois pour toutes selon Fisher.
