УДК 519.7,530.1

Кабалдин Ю.Г.

КВАНТОВАЯ НЕЙРОНАУКА И УПРАВЛЕНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕМ МОЗГА

(Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева E-mail: Uru.40@mail.ru,)

The role of quantum superpositions is described in the control of synaptic connections of neurons both in regard to their activity and cerebral disorder. A model is suggested to implement quantum coherence in cerebral neurons based on EPR and tunnel effect ensuring the participation in information processing by exchanging cubits and increasing the elasticity of the cerebrum.

Key words: cerebrum, quantum superpositions, neural activity

Механизм синаптической передачи информации в нейронах представляет собой основную тему исследований в современной нейронауки. Специалисты по нейрофизиологии утверждают, что понимание мозга как молекулярно-химической машины не дает нам возможности понять самого главного – каким образом возникают субъективные ощущения? Становится очевидным, что субъективные ощущения не вытекают из молекулярно-химического кода, а возникают, как нечто дополнительное к нему. Поэтому, согласно общепринятой точке зрения, работу мозга рассматривают лишь в рамках классической физики. Считается, что передаваемые по нервам сигналы суть феномены типа «есть или нет», точно так же, как токи в телефонных проводах – они либо есть, либо их нет. Каждый отросток нейрона заканчивается синапсом – соединением, посредством которого сигнал через синаптическую щель передается к следующему нейрону. На этой стадии в процесс вступают химические вещества, называемые нейромедиаторами, - сигнал, перемещаясь от одной клетки (нейрона) к другой, переносит сообщение о возбуждении предыдущего нейрона. Причём используется два и более видов медиаторов. Чем больше медиатора выделяется, тем больше рецепторов активируется и тем больше локальный потенциал. Их высвобождение осуществляется квантами. Одни синапсы являются по своей природе возбуждающими, их нейромедиаторы усиливают возбуждение следующего нейрона; другие же, напротив, - тормозящие, и их нейромедиаторы (отличные от первых) возбуждение следующего нейрона ослабляют. Воздействие различных синапсов на нейрон суммируется (возбуждение учитывается со знаком «плюс», а торможение – со знаком «минус») и по достижении определенного порогового значения потенциала действия (ПД) нейрон возбуждается. Мы полагаем, что определенный случайный фактор во всех процессах такого вида очевиден. Некоторые синаптические связи могут время от времени изменяться – порой быстрее, чем за секунду, - а кроме того, изменяться могут и сами связи. Может наблюдаться задержка в процессе передачи сигнала от нейрона к нейрону. Однако во всех нейронах соотношение возбудительных и тормозных входов определяет возможность достижения порога инициации ПД. Это ставит нас перед немаловажным вопросом: что же этими синаптическими изменениями управляет? В этой связи в последнее время активно изучается роль глии, а также внеклеточных структур (внеклеточного матрикса) на мозговую активность, способности к обучению. Возникают также вопрос, каким образом реализуется обработка нервных сигналов в нейронах и как возникает информация? В классических теориях работу мозга уподобляют работе современного компьютера. Однако известно, что работа последних осуществляется на принципах квантовой механики. Можно предположить, что в нейронах реализуются квантовые вычисления. Существует гипотеза С. Хамероффа, которая заключается в том, что нервная клетка – это сложнейшая система обработки информации, а цитоскелет клетки - есть вычислительная система клетки. Элементарными операциями в этой системе являются квантовые состояний отдельных молекул – тубулинов и объективная редукция (ОР) этих состояний. Известно, что ПД инициируется световым, т.е. внешним стимулом, а начальная активация натрий-калиевого насоса осуществляется АТФ-фазой, выводящей кальций из цитоплазмы. Транспорт ионов кальция симулирует накопление молекул медиаторов в синаптических везикулах и их квантовое высвобождение в постсинаптических мембранах. Однако при рассмотрении квантового высвобождения медиатора в синапсах возникает ряд вопросов. Почему высвобождаются два вида нейромедиаторов, например, ГАМК и глицин, т.е. существует суперпозиция? Согласно критерию ОР, предложенному Р. Пенроузом, при возбуждении нейрона ОР его квантового состояния происходит очень быстро. Поэтому сохранение в течение длительного времени квантовых суперпозиций возбуждения и торможения нейрона вряд ли возможно. ОР вносит определенность в их состояния, т.е. в работу преимущественно может включаться только один из медиаторов, вызывая торможение передачу сигнала. Мы полагаем, что нейромедиаторы отличаются друг от друга по информационному содержанию, а взаимодействие молекул нейромедиаторов с белковыми рецепторами постсинаптической мембраны реализуется по механизму туннельного эффекта. Суть его состоит в том, что электрон может перейти из одного состояния в другое, минуя разделяющее эти состояния энергетический барьер. В настоящее же время считается, что за передачу нервного сигнала отвечает молекулярная форма и химическая природа нейромедиатора. Однако рецепторы в синапсах подобны замкам, которые открываются лишь определённым ключом. И только когда такой ключ входит в замок, он запускает нервный импульс, который нейроны мозга интерпретируют как определённый сигнал (образ). Дело в том, что когда молекула нейромедиатора взаимодействует с рецепторами, последние чувствуют в нем частоту колебания химических связей между атомами и его электроны могут прорываться прямо через молекулы (их тысячи) при совпадении частот, вызывая каскад химических сигналов, которые приходят и в другие отделы мозга, внеклеточное пространство, которые в дальнейшем также активизируются и распознают в их определённую информацию. Это может произойти только тогда, когда есть точное соответствие между частотой колебания рецепторов и частотой колебания химических связей в молекуле нейромедиатора, которая определяется её массой. Квантовые состояния электронов обладают мультистабильностью, т.е. способностью к запоминанию. Поэтому белковые рецепторы обрабатывают и передают информацию другим нейронам посредством электронов. Информация в электронах распознаётся рецепторами по двоичной системе 0 или 1. Квантовые суперпозиции электрона формируют кубит информации. В состоянии суперпозиции электроны обладают наибольшей информацией, где кубит соответствует уже 0, либо 1. Поэтому ОР (стрессы) влияют как на квантовое состояние нейромедиаторов, так и на информационное содержание нервного импульса. Анализ показывает, что, согласно квантовой теории, суперпозиции не могут долго существовать. В результате ОР существует вероятность включиться каждому квантовому состоянию в суперпозиции, вызывая разбалансировку энергетических процессов в мозге с возрастом. Таким образом, нейронную активность, синаптическую пластичность мозга определяют квантовые суперпозиции материальных структур в мозге как на микро-, так и на макро- уровне. Разбалансировка квантовых суперпозиций, вызывает снижение метаболизма и биосинтез нейромедиаторов, уменьшение числа рецепторов в постсинаптических мембранах и обусловливает снижение нейронной активности в различных участках мозга, их синхронизацию. Дело в том, что квантовые процессы, совершающие в визикулах, вызывают конформационные изменения белковых рецепторов (например,клатрина), снижая их функциональные свойства из-за потери формы по механизму свободных радикалов. В силу принципа неопределённости Гейзенберга, память также является суперпозицией, т.е. кратковременной с переходом к долговременной и наоборот. Поэтому ОР (стрессы) снижают как мозговую активность, так и память. Учитывая, что начальный транспорт ионов кальция и натрий-калиевого насоса в целом обусловлен энергией расщепления АТФ (метаболизмом), то важным фактором, оказывающим на функционирование синапсов и в целом мозговую активность, оказываются продукты питания и сопутствующие энергетические процессы в митохондриях, где находятся молекулы АТФ. Исследования показывают, что продукты, содержащие кальций, отрицательно влияют на мозговую активность, особенно в пожилом возрасте. Напротив, продукты, содержащие антиоксиданты, способствуют сохранению памяти с возрастом. Важная роль молекулы АТФ в начальной стадии работы синапсов позволяет диагностироватьи управлять мозговую активность по состоянию митохондрий в клетках крови. Связь начальной стадии мозговой активности с внешним световым стимулом указывает также на важную роль циркадных ритмов в функционировании мозга. С возрастом качество и продолжительность сна снижается. Квантовое состояние митохондрий диагностирует также о психических расстройствах (депрессии), нарушении сна, памяти, способности к обучению и других патологий мозга.