211service.com
Er det optiske kommunikasjonskanaler i hjernen vår?
Her er et interessant spørsmål: er det optiske kommunikasjonskanaler i hjernen? Dette kan være et radikalt forslag, men et som det er mer enn lite bevis for å tro at det er verdt å forfølge.
Mange organismer produserer lys for å kommunisere, for å tiltrekke seg kamerater, og så videre. For 20 år siden oppdaget biologer at rottehjerner også produserer fotoner under visse omstendigheter. Lyset er svakt og vanskelig å oppdage, men nevrovitenskapsmenn ble overrasket over å finne det i det hele tatt.
Siden den gang har bevisene vokst. Såkalte biofotoner ser ut til å bli produsert naturlig i hjernen og andre steder ved forfallet av visse elektronisk eksiterte molekylarter. Pattedyrhjerner produserer biofotoner med bølgelengder på mellom 200 og 1300 nanometer – med andre ord fra nær infrarødt til ultrafiolett.
Hvis celler i hjernen naturlig produserer biofotoner, er det naturlig å spørre om naturen kan ha utnyttet denne prosessen for å overføre informasjon. For at det skal skje, må fotonene overføres fra et sted til et annet, og det krever en slags bølgeleder, som en optisk fiber. Så hvilken biologisk struktur kan utføre den funksjonen?
I dag får vi et slags svar takket være arbeidet til Parisa Zarkeshian ved University of Calgary i Canada og noen få venner. De har studert de optiske egenskapene til aksoner, de lange trådlignende delene av nerveceller, og konkluderer med at fotonoverføring over centimeteravstander ser ut til å være helt mulig inne i hjernen.
Arbeidet er en gjennomgang av tidligere eksperimenter og studier av aksoner. Teamet gjennomgikk først en studie som beregnet de optiske egenskapene til myeliniserte aksoner ved å løse Maxwells berømte elektromagnetiske ligninger i tredimensjoner for å bestemme cellens optiske egenskaper.
Denne studien antyder at et aksons ytre belegg - myelinskjeden - kan fungere som en bølgeleder for å kanalisere biofotoner. Men det antyder også at et bredt spekter av faktorer kan påvirke dette fenomenet ved å spre lys eller absorbere det.
Disse faktorene inkluderer hvordan lystransmisjonen påvirkes av bøyninger i aksonet, av endringer i kappens radius, av ikke-sirkulære tverrsnitt, og så videre.
Zarkeshian og co konkluderer med at aksoner med lengder på rundt 2 millimeter - omtrent like lange som aksoner i hjernen - kan overføre mellom 46 prosent og 96 prosent av biofotonene som kommer inn i dem. Det er verdt å merke seg at fotoner kan forplante seg i begge retninger: fra aksonterminalen opp til aksonbakken eller i motsatt retning langs aksonet, sier de.
Teamet fortsetter med å beregne datakommunikasjonshastighetene som dette tillater. Biologer har målt biofotoner produsert av rottehjerner med en hastighet på ett foton per nevron per minutt. Selv om det ikke høres ut som mange, er det 1011 nevroner i en menneskelig hjerne, noe som antyder at den kan produsere mer enn en milliard fotoner per sekund.
Denne mekanismen ser ut til å være tilstrekkelig til å lette overføring av et stort antall biter av informasjon, eller til og med tillate dannelsen av en stor mengde kvanteforviklinger, sier Zarkeshian og co.
Selvfølgelig er det mange usikkerhetsmomenter i disse beregningene. Ingen vet de nøyaktige optiske egenskapene til myelinskjeder, for eksempel fordi de aldri har blitt målt.
Den beste måten å finne ut mer på er å teste de optiske overføringsegenskapene til hjernevev. Zarkeshian og co foreslår en rekke enkle eksperimenter som kan flytte dette feltet fremover. En måte er å lyse opp den ene enden av en tynn hjerneskive og se etter lyspunktene knyttet til de åpne endene av de myeliniserte aksonene i den andre enden, sier de. Det finnes også forskjellige andre tilnærminger. Det er noe en nevroforsker med tid på hendene kan ta på seg.
Alt dette peker på en større gåte. Hvis hjernen vår har optiske kommunikasjonskanaler, hva er de til for? Dette er et spørsmål som er modent for spekulasjoner i blå himmel.
En tankegang er basert på det faktum at fotoner er gode bærere av kvanteinformasjon. Mange mennesker har teoretisert at kvanteprosesser kan ligge bak noen av hjernens mer mystiske prosesser, ikke minst bevisstheten i seg selv. Zarkeshian og co er tydelig forelsket i denne ideen.
Men dette er ikke mer enn ville spekulasjoner. Kvantekommunikasjon krever betydelig mer enn optiske kommunikasjonskanaler. Det må også være mekanismer som kan kode, motta og behandle kvanteinformasjon. Det er mulig at lysfølsomme molekyler finnes i hjernen, men det er lite bevis for dette og enda mindre at de fungerer som kvanteprosessorer.
Likevel er denne typen tenkning spennende og verdt å forfølge på et grunnleggende nivå. Hvis naturen produserer biofotoner, kan evolusjonen godt ha funnet en måte å utnytte dem på. Spørsmålet er hvordan.
Ref: arxiv.org/abs/1708.08887 : Er det optiske kommunikasjonskanaler i hjernen?