Onze hersenen maken misschien gebruik van quantumberekeningen. Dat denken onderzoekers van Trinity College in Dublin die daar in MRI-scans aanwijzingen voor menen te zien.
Het idee dat quantumprocessen een rol spelen in ons brein is niet nieuw. De hersenen bestaan uit miljarden zenuwcellen met talrijke onderlinge verbindingen. Het is nog altijd onduidelijk hoe uit dit complexe systeem bewustzijn en menselijk redeneren voortkomen. Sommige wetenschappers denken de ongrijpbaarheid van onze hersenen te kunnen verklaren met de bijna net zo ongrijpbare quantummechanica.
De meest genoemde theorie over het quantumbrein is die van de natuurkundige Roger Penrose en anesthesist Stuart Hameroff. Zij ontwikkelden in de jaren tachtig een de Orchestrated Objective Reduction (Orch OR) theorie. Volgens deze theorie wordt het bewustzijn veroorzaakt door quantumgedrag in zogeheten microtubuli (kleine eiwitstructuren in de zenuwcellen in het brein). De laatste jaren groeit de interesse in deze controversiële theorie. Maar er is ook kritiek.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Verstrengeling
De onderzoekers van Trinity College beschouwen quantumprocessen in het brein op een andere manier. ‘Mijn idee is dat de hele hersendynamiek quantum is’, mailt natuurkundige Christian Kerskens van Trinity College. ‘Dit onderscheidt mij van andere benaderingen in het veld, waar de focus ligt op zeer specifieke mechanismen of locaties in de hersenen.’ Zoals de Orch OR theorie waarbij het quantumgedrag zich beperkt tot de microtubuli. Maar ook bij het idee van Kerskens kunnen quantumprocessen onderdeel zijn van bewustzijn en andere hersenfuncties.
Om de quantumachtigheid van het brein te onderzoeken onderzochten de wetenschappers quantumverstrengeling. Hierbij zijn twee of meer deeltjes (of andere quantummechanische objecten) op zo’n manier met elkaar verbonden dat ze eigenschappen delen. Als je meet dat het ene deeltje rechtsom tolt, weet je bijvoorbeeld dat de ander vanaf exact dat moment linksom tolt.
Deze bijzondere verbintenis is er altijd, ongeacht hoe ver de deeltjes zich bij elkaar bevinden, en gaat altijd onmiddellijk in. Zodra je de tolling van het ene deeltje bepaalt als linksom, weet het andere deeltje onmiddellijk dat het rechtsom moet gaan tollen.
Onbekend quantumgedrag
Om te achterhalen of er quantumeffecten optreden in het brein, gebruikten de onderzoeker een idee dat ook gebruikt wordt om te zoeken naar quantumzwaartekracht, een theorie die de zwaartekracht en de quantumwereld probeert te verenigen.
‘We weten niet wat voor quantumeffecten een rol spelen in het brein. Dat betekent dat we ook niet weten hoe we meetinstrumenten moeten ontwerpen om die effecten direct te meten’, zegt Kerskens, ‘Daarom maken we er gebruik van de mogelijkheid dat de onbekende quantumsystemen zouden kunnen wisselwerken met bekende quantumsystemen, zoals de spin (het tollen, red.) van waterstofatomen.’
Het idee is: als er onbekende quantumeffecten spelen in het brein, kunnen die zich met de spin van waterstofatomen bemoeien. Daardoor kunnen die spins van de waterstofatomen verstrengeld raken. En dat is meetbaar. Zie je verstrengelde spins van waterstofatomen in het brein, dan kan dat dus duiden op de aanwezigheid van onbekende quantumeffecten.
MRI-metingen
Tijdens het experiment zochten de onderzoekers naar verstrengelde spins van waterstofatomen in het water in de hersenen. Dat deden ze door met een speciale techniek te zoeken naar verstrengelingen in MRI-metingen. Een MRI-scanner meet namelijk de spin van waterstofatomen.
Wat de onderzoekers zagen in de metingen was het elektrische signaal dat opgewekt wordt door de hartslag. Dat is het bekende signaal dat getoond wordt op hartmonitors in het ziekenhuis. Volgens de onderzoekers is dat signaal in principe niet meetbaar met een MRI-scanner. Ze denken dat de verstrengeling van de spins van waterstofatomen dit elektrische signaal toch zichtbaar maakt in MRI-metingen, wat dus weer kan duiden op het bestaan van onbekende quantumeffecten in het brein.
Quantumachtig
De MRI-metingen zijn intrigerend, maar het is geen hard bewijs dat er iets ‘quantumachtigs’ aan de hand is met het brein. Het idee dat een onbekend systeem een quantumsysteem is omdat bekende systemen die ermee wisselwerken verstrengelen, is bijvoorbeeld nog nieuw. Het zal dus nog moeten blijken of dit inderdaad een goede manier is om onbekende quantumsystemen aan te wijzen.
Daarnaast kan het gemeten signaal, dat zou duiden op quantum-verstrengeling, ook een andere oorsprong hebben. Het is nu de grote vraag of er een verklaring te vinden is voor het signaal waarbij quantummechanica geen rol speelt, zegt Kerskens. ‘Mocht die verklaring niet te vinden zijn, dan zijn de hersenen quantum.’
