Beyin de atomlardan oluşuyor ve atom seviyesinde evrenin tanımladığımız bölümünde parçacıklar kuantum fiziğinin kurallarıyla işliyor.

Beynimiz, düşünce gücümüz, farkındalığımız insan olmanın en gizemli taraflarından biri. Bugün her ne kadar beynin hangi bölgelerinin ne işlev gördüğü konusunda olağanüstü detaylara sahip olsak da halen nasıl düşündüğümüz, ben olgusunu nasıl oluşturduğumuz cevapsız kalmış sorular.

   

Bir grup bilim insanı bilincin nasıl oluştuğu, uzun vadeli hafızanın nasıl kullanıldığı gibi konulara yeni bir açıklama getirme arayışında. Bu açıklamanın anahtarı ise oldukça tanıdık: Kuantum fiziği.

New Scientist dergisi son sayısında bu konuyu Kaliforniya Üniversitesinden teorik fizikçi Matthew Fisher’la yapılan bir röportaj çerçevesinde işledi.

Kuantum fiziği ve beyin

İlk sorduğumuz soru şu: Beyin kuantum mekaniğini kullanıyor mu. Teknik olarak bir seviyede bu sorunun cevabı evet. Çünkü beyin de atomlardan oluşuyor ve atom seviyesinde evrenin tanımladığımız bölümünde parçacıklar kuantum fiziğinin kurallarıyla işliyor. Ancak Fisher bu soruyu başka bir boyuta taşıyor: Kuantum objelerinin tuhaf özellikleri insanları düşünce gücü, bilinci gibi bugüne kadar son derece gizemli kalan noktaları açıklayabilir mi?

Klasik bakış açısına göre beyin nöronları birbirleriyle oluşturdukları bağlar ve bu bağlar arasındaki elektrik akımlarıyla çalışan bir organ. Beynin faaliyetlerinin çok büyük çoğunluğunu bugün böyle açıklayabiliyoruz. Bu açıklamalar üzerinden geliştirilen tedavi yöntemleri de oldukça etkili bir şekilde uygulanabiliyor. Tam da bu yüzden kuantum fiziği ve beynin çalışma şekli konusunda bugüne kadar çok ciddi bir tartışma olmamıştı.

Benliğin açıklanması için kuantum fiziği

Dolaylı olarak ünlü bilim insanı Roger Penrose, böylesi bir konuya 1989 yılında değinmişti. Penrose’a göre hiçbir bilgisayar ya da klasik devrelere sahip hiçbir cihaz insan beyninin nasıl düşünce ürettiğini, nasıl benlik olgusunu oluşturduğunu açıklayamaz. Penrose’un bu önermesini değerlendiren Arizona’da yaşayan bir anestezist Stuart Hameroff, beynin nasıl çalıştığı konusunda özel bir kuantum fiziği yaklaşımının oluşması gerektiğini ifade etmişti.

Beyinde nöronların yapısında bulunan mikrotübüllerin (hücrenin desteklenmesine ve şekillenmesine yardımcı olmak için işlev gören elyaflı, oyuk çubuklar) kuantum objelerin superpozisyon (bir atomaltı parçacığın aynı anda iki farklı yerde bulunması özelliği) özelliklerini kullandığı düşünülüyor. Her bir mikrotübül buraya giren verileri (bit) kuantum bitlere ya da qubitlere çeviriyor. Qubitler normal bitlere göre iki kat daha fazla veri taşıyabiliyor.

Bu denkleme bir de dolaşıklı parçacıklar eklendiğinde beyin herhangi bir bilgisayardan çok daha etkili çalışan bir kuantum bilgisayarına dönüşüyor.

Beynin içinde kuantum özellikleri nasıl sağlanıyor?

Bir fizikçinin perspektifinden burada en temel sorun tutarlılık zamanı. Hem süperpozisyon hem de dolaşıklılık son derece hassas bir fenomen. Her iki kuantum özelliği de ısı, mekanik titreşim vb son derece yaygın dış etkenlerle engellenebiliyor. Kuantum özelliği ile oluşan veriler genelde bu nedenle çevresel faktörlere kaybediliyor.

Günümüzdeki kuantum bilgisayarlarında qubitler tutarlı bir durumda belirli bir süre tutulabiliyor. Ancak bu nedenle bu bilgisayarlar izole koşullarda tutuluyor.

Bu nedenle sıcak ve sıvılarla dolu olan, moleküllerin, titreşimlerin hüküm sürdüğü beyinde kuantum parçacıklarının tutarlı konumlarını belirli bir süre koruması neredeyse mümkün değil. Halihazırda beyindeki nöronlar herhangi bir veriyi mikrosaniyeler içinde işlerken, tutarlılık zamanı nedeniyle mikrotübüller içindeki qubitler en az 10-13 saniyeye ihtiyaç duyuyor. Bu da beynin çalışma hızıyla çelişen bir durum.

Fisher de bu şüpheleri paylaşıyor: “Mikrotübüller hakkında konuşmaya başladıkları an bunun pek de bir anlam ifade etmediğini anladım. Kuantum verileri çevresel faktörlerden izole edilip kontrol altında tutulmadıkça üzerinde çalışılması mümkün değil”.

Gizli bir kuantum katmanı

Ama aynı zamanda Fisher’e göre insan evriminin bu kuantum işlemini gerçekleştirmeyi başarmış olması çok daha imkansız değil. Yaşam kuantum mekaniğini keşfedebileceği milyarlarca yıllık bir zamana sahipti. Belki de yaşamın moleküler yapısı kuantum mekaniğini kullanabilecek şekilde evrimleşti. Her ne kadar beyin nöronların ateşlediği elektrik dalgalarıyla çalışıyor olsa da gizli bir kuantum katmanı, bu nöronların ne ateşleyeceğini ve hangi verileri işleyeceğini belirliyor olabilir.

Fisher bu alanda ilk olarak psikolojik sorunlar yaşayan insanlar ile başlamış. Çünkü psikolojik sorunlar yaşayan insanlar belirli bir şekilde tedavi edilebiliyor. Bir anlamda benliklerine müdahale ediliyor. En çok kullanılan metotlardan biri de lityum elementi ile yapılan ilaçlar.

Anahtar lityum-6 ve fosfor mu?

1986 yılında yapılan bir klinik deney Fisher’in dikkatini çekmiş. Bu deneyde bir denek grubuna lityum-6 ve lityum-7 izotopları içeren ilaçlar verilmiş ve sonucunda lityum-6 tedavisi gören grubun diğer gruba göre çok daha aktif olduğu tespit edilmiş.

Tüm atomların merkezlerinin kuantum-mekaniğinde “dönme” denilen bir özelliği var. Dönüş özelliği bir atom merkezinin elektrik ve manyetik alanları ne kadar hissettiğini belirliyor. En düşük dönüş oranı ½. Yani beyin gibi son derece elektrik yüklü ve mekanik titreşimin yoğun olduğu bir yerde atom merkezi ½ dönüşe sahip olan atomlar çevresel faktörden daha az etkilenebilir.

½ dönüşe sahip olan atom merkezleri doğada son derece az. Lityum-6’nın atom merkezi dönüşü oranı da 1. Ama beyindeki kimyasal çevresel etki lityum-6’nın atom merkezinin dönüşünü ½’ye düşürüyor. 1970lerde yapılan deneyler lityum-6’nın atom merkezi dönüşünü beyinde 5 dakikaya kadar varan sürelerde tutarlı tuttuğunu gösteriyor.

Lityum-6 beyinde doğal olarak bulunmuyor. Fakat biyo-kimyasal tepkimelerde en önemli maddelerden biri olan fosforun atom merkezi dönüş oranı ½.

Beyin sıvısı dolaşıklı parçacık dolu

Fisher’in düşüncesine göre eğer beyinde bir kuantum işlemcisi varsa bunun tek oluşabileceği nokta fosfor merkezi. Ve yapılan hesaplamalara göre fosfor merkezli bir molekülün tutarlılık zamanı 105 saniye. Bu da kuantum etkilerinin beyinde oluşması için gerekenden çok daha fazla bir zaman.

Fisher ayrıca beyinde kuantum dolaşıklı parçacık oluşturabilecek bir mekanizmayı keşfetti. Kalsiyum emilimi ve yağ metabolizmasının kullandığı bir enzim olan pyrofosfataze bölündüğü zaman iki bağlantılı fosfat ionu oluşturuyor. Teorik olarak bu iki ionun merkez dönüşlerinin aynı olması yani kuantum dolaşıklığına sahip olması gerekiyor.

Eğer bu doğruysa beynin zar sıvısı birbirine dolaşıklı moleküllerle dolu olmalı. Bu moleküller bir kez nöronların içine girdiğinde hücrelerinin nasıl davranacağını belirleyip düşünce ve hafıza oluşturmaya başlayabilir.

Fisher’in fikirleri henüz oldukça spekülatif ama birçok bilim insanı bu fikrin iyi bir başlangıç noktası olabileceğini düşünüyor.

Beynimiz yerçekiminin kuantuma etkisi ile çalışıyor

Bu konuda tabii en çok heyecan duyan isimlerin arasında seneler önce bu konuda bir önermede bulunan Roger Penrose. Penrose, Stuart Hameroff ile kendisinin uzun bir süreden beri atom merkezi dönüş oranının uzun vadeli hafızanın oluşumunda etki sahibi olduğunu düşündüğünü ifade ederek Fisher’in fikirlerinin bu resme katkı sağlayabileceğini söyledi.

Penrose’a göre beynimizde yaşanan şey yerçekiminin, parçacıkların kuantum özelliklerine olan etkisi.