Корень проблем 11. Теория сознания Пенроуза-Хамероффа

«вообще нет материи, а только энергия в ее различных формах,

конденсация которой и является в форме материи»

епископ Лука (д.мед.н., проф. В.Ф. Войно-Ясенецкий)

В тексте «Корень проблем 9. Коммунизм теистический. Мы плыли…плыли. И приплыли…»   написал: «Если за органолептически воспринимаемыми нами формами объектов вещества стоят их энергоинформационные матрицы, которые мы органолептически не воспринимаем, то это справедливо для всех объектов вещества вообще, включая людей. За человеком телесным, органолептически воспринимаемым, стоит его энергоинформационная матрица – сложный комплекс кластеров пакетов стоячих волн – внетелесный «двойник» телесного человека, о котором нам говорят религии, но пока почти ничего не знает современная наука, хотя трехмерные отображения электромагнитного поля человеческого тела и его органов на экранах компьютеров медицина уже способна получать и даже использует». Такие утверждения надо раскрывать и есть уже, что по этому поводу сказать. 

Предварительно хочу подчеркнуть, что, как и в ряде других моих предшествующих текстов, излагаю не свое собственное персональное понимание, а формальную справку по обсуждаемому вопросу, отражающую широко распространенные мнения в профессиональной среде физиков.

При вопросе о местонахождении сознания большинство людей указывают на мозг. Но физики микромира утверждают, что сознание не в мозге. Мозг - приёмник сознания, но не его источник. Британский ученый, лауреат Нобелевской премии по физике 2020 года Роджер Пенроуз совместно с американским анестезиологом Стюартом Хамероффом выдвинули теорию квантового феномена сознания – модель «Оркестрованной объективной редукции» (Orch OR).

Пенроуз, исходя из теоремы Гёделя о неполноте формальных систем (тут можно вспомнить наши споры с камрадом Yana Hazina: «И нету никаких оснований "рассматривать теоремы Гёделя о неполноте формальных систем как универсальные, распространяемые и на системы природные"»), 

утверждал, что человеческое сознание и математическое понимание не могут быть полностью сведены к алгоритмическим вычислениям. Он предположил, что источник этого «невычислимого» процесса следует искать в квантовой физике — в процессе коллапса волновой функции, который, по его мнению, должен быть не случайным, а объективным процессом (Objective Reduction — OR), связанным с квантовой гравитацией. Параллельно Хамерофф, изучая механизмы действия анестезии, искал физическую структуру в мозге, которая могла бы быть субстратом сознания. Он обратил внимание на микротрубочки — белковые цилиндрические структуры, формирующие внутренний скелет (цитоскелет) всех клеток, включая нейроны, в которых их особенно много.

Далее Пенроуз и Хамерофф объединили усилия и создали теорию, согласно которой сознание возникает в результате квантовых процессов в микротрубочках нейронов, состоят из белковых субъединиц — тубулиновых димеров. Хамерофф и Пенроуз предположили, что тубулины могут находиться в конформационных состояниях, которые соответствуют двум состояниям - 1 и 0 компьютерных программ. Однако, благодаря квантовой природе, они могут также находиться в состоянии суперпозиции этих состояний, выступая в роли квантовых битов (кубитов).

В отличие от обычных квантовых компьютеров, где коллапс суперпозиции вызывается случайным взаимодействием с окружающей средой (декогеренцией), в модели Пенроуза коллапс происходит объективно, когда суперпозиция достигает определенного порога, связанного с гравитационным воздействием на структуру пространства-времени (квантовой пеной). Этот момент объективной редукции и есть мгновение сознательного опыта.

Термин «оркестрованная» означает, что процессом редукции управляют биологические процессы в микротрубочках. Они «оркеструют» квантовую суперпозицию, изолируя её от разрушительного воздействия тепловой среды мозга ровно настолько, чтобы она могла просуществовать необходимое для вычислений время (по оценкам авторов, около 20-30 мс, что совпадает с частотой гамма-ритмов мозга). Субъективное ощущение непрерывного потока сознания — это результат последовательности дискретных событий OR. Теория Orch OR с момента своего появления подвергается жесткой критике, которая делится на несколько основных направлений.

1. Физические возражения (проблема декогеренции). Наибольшую известность получила критика физика Макса Тегмарка. Он подсчитал, что время, в течение которого квантовая суперпозиция может просуществовать в теплой, влажной и шумной среде мозга (например, из-за ионов, движущихся рядом с микротрубочкой), составляет порядка 10⁻¹³ секунды. Это во много раз меньше времени, необходимого для того, чтобы повлиять на нейронные процессы.

Хамерофф и его коллеги оспорили эти расчеты, утверждая, что Тегмарк использовал неверную модель микротрубочек. Согласно их пересчетам, с учетом дипольных моментов и возможной защиты со стороны упорядоченной воды вокруг микротрубочек, время декогеренции может достигать 10⁻¹ - 10⁻⁴ секунды, что уже ближе к физиологически значимым величинам.

2. Биологические возражения. Группа МакКеммиш и другие критики, исходя из самых общих соображений, указывают на отсутствие биологических предпосылок для квантовых вычислений в микротрубочках. Они утверждают, что тубулины не обладают свойствами, необходимыми для поддержания квантовой когерентности, а движение и сборка микротрубочек происходит слишком хаотично. В целом, многие нейробиологи считают, что теория игнорирует огромный пласт же наработанных ими знаний о работе нейронов, которые вполне успешно объясняются классической нейронаукой в рамах электро-химических процессов в макромире и непонятно зачем привлекать для объяснения процессы, протекающие в микромире. Другое дело, что достижения нейробиологии дают материал для общих соображений, не позволяя погрузиться в детальное описание конкретных процессов. А разбирать есть что. Например, эксперименты американского нейробиолога Бенджамина Либита 1983 года (о чем ниже).

3. Философские возражения. Дэниела Деннета и Патрицию Черчленд со многими коллегами раскритиковали саму логическую основу теории. Они не согласны с интерпретацией Пенроузом теоремы Гёделя и считают, что аргумент о «невычислимости» сознания ошибочен. Философский анализ последних лет по их мнению показывает, что теория Orch OR, как и другие формы квантового эмерджентизма, не способна объяснить, как именно квантовые процессы порождают субъективный опыт (квалиа).

Теория тем временем на месте не стоит - экспериментальные данные последних лет представляют возможные ее подтверждения.

1. Сверхизлучение (Superradiance). В 2024 году в журнале The Journal of Physical Chemistry опубликовано исследование, подтверждающее существование сверхизлучения в сетях триптофанов — аминокислот, в большом количестве содержащихся в тубулине микротрубочек. Сверхизлучение — коллективный квантовый эффект. Авторы исследования заявляют, что это демонстрирует возможность существования устойчивых квантовых состояний в теплых и шумных биологических структурах, подобных микротрубочкам.

2. Анестезия. Хамерофф уже давно указывает на то, что анестетики, выключающие сознание, могут действовать именно на микротрубочки, влияя на электроны в триптофанах. Эксперименты с замедленной люминесценцией микротрубочек под действием анестетиков также рассматриваются как косвенное свидетельство в пользу теории.

Теория Пенроуза-Хамероффа пока остается маргинальной, но «живучей», выдерживая атаки критиков. Основной научный консенсус склоняется к тому, что мозг — это слишком «теплое и влажное» место для долгоживущих квантовых состояний, необходимых для вычислений, и что современная нейронаука не нуждается в квантовой физике для объяснения феномена сознания. Тем не менее, она поставила важный вопрос: достаточно ли классической физики и электро-химических методов нейробиологии для объяснения субъективного опыта? Новые открытия в области квантовой биологии, такие, например, как роль квантовых эффектов в фотосинтезе или магниторецепции птиц не позволяют просто отбросить идею о том, что процессы в микромире играют роль в биологических процессах.

Что касается феномена исключительной эффективности хлорофилла (потери энергии в листьях составляют всего 2-3%), современные исследования показывают, что она обусловлена не просто химическими реакциями, а фундаментальными квантовыми эффектами. Ключевую роль в передаче энергии играет короткоживущее электронное состояние молекулы хлорофилла, обозначаемое как Qx — одно из состояний в Q-полосе поглощения хлорофилла (красная область спектра). Чтобы не закапываться глубоко в эту тему даю ссылки на достаточно свежие работы с учетом того, что я – любопытствующий смежник, только периодически интересующийся тем, что происходит в этой сфере: где со ссылкой на исследование Мюнхенского технического университета даются данные о времени жизни Qx-состояния менее 30 фемтосекунд; в тексте рассказывается о моделировании квантовой запутанности в фотосинтезе. На основании исследований Университета Райса подтверждаются потери энергии в фотосинтезе всего 2-3%.

Магниторецепция — способность животных (включая птиц) ощущать магнитное поле Земли для ориентации в пространстве, определения направления и своего местоположения во время миграций. Это своего рода «встроенный компас». Магнитные линии входят в землю под разным углом в зависимости от широты (ближе к полюсам угол круче, на экваторе — параллельно поверхности). По этому углу птица может примерно определить, насколько севернее или южнее она находится.

Считается, что у птиц может быть сразу два «магнитных чувства». Самая популярная на сегодняшний день теория - в сетчатке глаза птиц есть особый белок криптохром, попадая на который свет запускает химическую реакцию с образованием молекулы с неспаренными электронами (радикальные пары). Спин электронов зависит от того, под каким углом относительно магнитного поля Земли находится птица. Реакция идет по-разному в зависимости от направления взгляда и в результате Птица буквально «видит» магнитное поле. Предполагается, что у птиц перед глазами появляются тени, пятна или цветные метки (наподобие информации на дисплее дополненной реальности), которые накладываются на обычную картинку мира. Если птица поворачивает голову на север, она видит одну тень, если на юг — другую. Как можно видеть, в центре многоэтапного процесса, именуемого «химический», находится спин электрона – паттерн субатомного мира, являющийся предметом изучения квантовой механики.

Вторая теория – датчик находится в верхней части клюва, где были найдены крошечные кристаллы магнетита, являющегося природным магнитом. Эти кристаллы соединены с нервными окончаниями (тройничным нервом). Когда птица попадает в зону с другой напряженностью магнитного поля, крошечные кристаллики магнетита физически смещаются, тянут за собой нервные окончания, и птица чувствует это как прикосновение или давление, что позволяет птице чувствовать магнитный рельеф местности. Она запоминает, какое «магнитное усилие» было в точке старта, и во время полета чувствует, когда оно меняется, понимая, что она отклонилась от курса или приближается к цели.

В ходе множества экспериментов птиц помещали в клетки с искусственным магнитным полем и меняли его направление. Птицы начинали пытаться лететь в сторону нового «магнитного севера». Если на клюв голубя накладывали магнит, он мог найти направление к дому (компас работал через глаза), но терялся и не мог понять, что он уже прилетел (не работала «карта» в клюве). Магниторецепция птиц скорее всего задействует оба механизма. Глаза работают как компас, используя свет и спин неспаренного электрона молекул криптохрома (применительно к этому процессу уже начинают применять понятие «квантовая химия»). Клюв с находящимся в нем магнетитом работает как карта, используя электромагнитные процессы и механорецепцию. Чтобы криптохромы работали, птицам нужно видеть свет. В полной темноте птицы ориентируются по звездам.

Теперь надо рассказать (как  обещал выше) об эксперименте Бенджамина Либита потому, что он показателен. Измерялась временную последовательность между бессознательной мозговой активностью, осознанным решением и самим действием. В эксперименте испытуемый сидел перед экраном осциллографа, на котором по кругу бежала световая точка подобно секундной стрелке, но быстрее — полный оборот за 2,56 секунды. Испытуемый должен был в любой момент, когда ему захочется, совершить простое действие — например, нажать кнопку или согнуть палец. Главное условие — движение должно быть спонтанным, а не запланированным заранее. При этом испытуемый должен был запомнить и потом сообщить положение точки на циферблате в тот самый момент, когда он впервые осознал свое намерение или «порыв» (urge) совершить движение. Это положение точки служило маркером времени W (от Will — воля). Нажатие на кнопку фиксировало точное время M (Movement — движение). В это же время электроэнцефалограф (ЭЭГ) регистрировал электрическую активность мозга испытуемого. В результате обнаружилась устойчивая временная последовательность - мозг начинал готовиться к действию (бессознательная активность) примерно за 350 миллисекунд до того, как человек осознавал, что принял решение действовать.

Результаты Либита были восприняты как вызов концепции свободы воли. Если бессознательные процессы в мозге уже запустили действие до того, как «Я» это осознало, то кажущееся нам свободное, осознанное решение — это, возможно, просто запоздалое осознание того, что мозг уже решил сделать. Создается впечатление, что сознание — это не инициатор действия, а скорее наблюдатель, который постфактум узнает о нем.

Сам Либит, будучи физиологом, а не фаталистом, не делал столь радикальных выводов. Он предположил, что у сознания может быть функция «вето». То есть, бессознательные процессы могут генерировать импульсы к действию (предложения), но сознание в последние 150–200 миллисекунд (после осознания, но до действия) может их заблокировать и отменить движение. Мы не можем инициировать импульс, но можем его подавить, с чем я лично полностью согласен – только и занят тем, что торможу свои импульсивные действия, стараясь пропускать намерения через обдумывание. Удается в 90-95% случаев.

Эксперименты Либита подверглись серьезной методологической и философской критике.

1. Проблема точности отсчета времени. Указывают на то, что полагаться на память и субъективное восприятие времени испытуемым (метод W) — неточно. Сознание может запаздывать с «привязкой» события к положению точки. Смотреть на часы и одновременно осознавать намерение — это двойная задача, которая сама по себе может искажать результаты.

2. Что такое «осознание намерения»? Американский философ и когнитивист Дэниел Деннет и не только он утверждают, что Либит измерял не момент принятия решения, а момент, когда испытуемый замечает у себя это намерение. Это разные вещи. Решение может формироваться постепенно, а не возникать в один четкий момент, что вполне возможный вариант.

3. Нажатие на кнопку в случайный момент — это очень примитивное действие, не имеющее ничего общего с моральным выбором или сложными решениями в реальной жизни. Этот эксперимент изучает моторное планирование, а не высокоуровневые решения.

4. Подготовительный потенциал — не синоним «решения». Критики указывали, что ЭЭГ активность, которую Либит принимал за «решение», может быть просто фоновым шумом или предшествующей активностью, неспецифичной для конкретного решения.

В 2008 году Джон-Дилан Хейнс с коллегами из Центра Макса Планка используя функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), смогли предсказать с точностью 60% решение человека нажать левую или правую кнопку за целых 7-10 секунд до того, как человек сам осознавал свое решение. Участники находились в томографе, должны были нажимать одну из двух кнопок (левую или правую) в тот момент, когда сами этого захотят. Одновременно им показывали буквы, сменявшиеся каждые полсекунды, чтобы зафиксировать точный момент осознания ими своего решения. Активности мозга анализировалась по паттернам активности в префронтальной и теменной коре.

Хейнс считал, что полученный результат заставляет усомниться в нашей субъективной уверенности в том, что все решения принимаются сознательно, что подтверждает эксперименты Либита. Мозг обрабатывает информацию и начинает готовить действия на бессознательном уровне задолго до того, как мы это осознаем. В итоге предметом дискуссий стал не вопрос о свободе воли как таковой, а участие сознания в процессе принятия решений и наличие функции контроля и коррекции.

На основании исследований Университета Райса подтверждаются потери энергии в фотосинтезе всего 2-3%.