La reducción objetiva orquestada ( OR ) es una teoría muy controvertida que postula que la conciencia se origina a nivel cuántico dentro de las neuronas (en lugar de ser un producto de conexiones neuronales ). Se sostiene que el mecanismo es un proceso cuántico llamado reducción objetiva que está orquestado por estructuras celulares llamadas microtúbulos . Se propone que la teoría puede responder al difícil problema de la conciencia y proporcionar un mecanismo para el libre albedrío . [1] La hipótesis fue propuesta por primera vez a principios de la década de 1990 por el premio Nobel de física Roger Penrose y el anestesiólogo Stuart Hameroff . La hipótesis combina enfoques de la biología molecular , la neurociencia , la farmacología , la filosofía , la teoría de la información cuántica y la gravedad cuántica . [2] [3]
Mientras que otras teorías afirman que la conciencia emerge a medida que aumenta la complejidad de los cálculos realizados por las neuronas cerebrales , [4] [5] Orch OR postula que la conciencia se basa en el procesamiento cuántico no computable realizado por qubits formados colectivamente en microtúbulos celulares, un proceso significativamente amplificado en las neuronas. Los qubits se basan en dipolos oscilantes que forman anillos de resonancia superpuestos en vías helicoidales a lo largo de redes de microtúbulos. Las oscilaciones son eléctricas, debido a la separación de carga de las fuerzas de London , o magnéticas, debido al espín del electrón , y posiblemente también debido a los espines nucleares (que pueden permanecer aislados durante períodos más largos) que ocurren en rangos de frecuencia de gigahercios , megahercios y kilohercios . [2] [6] La orquestación se refiere al proceso hipotético por el cual las proteínas conectivas, como las proteínas asociadas a los microtúbulos (MAP), influyen u orquestan la reducción del estado de los qubits modificando la separación espacio-temporal de sus estados superpuestos. [7] Esta última se basa en la teoría del colapso objetivo de Penrose para interpretar la mecánica cuántica, que postula la existencia de un umbral objetivo que rige el colapso de los estados cuánticos , relacionado con la diferencia de la curvatura del espacio-tiempo de estos estados en la estructura de escala fina del universo . [8]
La reducción objetiva orquestada ha sido criticada desde sus inicios por matemáticos, filósofos, [9] [10] [11] [12] [13] y científicos. [14] [15] [16] La crítica se concentró en tres cuestiones: la interpretación de Penrose del teorema de Gödel ; el razonamiento abductivo de Penrose que vincula la no computabilidad con los eventos cuánticos; y la inadecuación del cerebro para albergar los fenómenos cuánticos requeridos por la teoría, ya que se considera demasiado "cálido, húmedo y ruidoso" para evitar la decoherencia .
En 1931, el matemático y lógico Kurt Gödel demostró que cualquier teoría generada de manera efectiva capaz de demostrar la aritmética básica no puede ser a la vez consistente y completa . En otras palabras, una teoría matemáticamente sólida carece de los medios para demostrarse a sí misma. [17] En su primer libro sobre la conciencia, The Emperor's New Mind (1989), Roger Penrose argumentó que recientemente se habían propuesto enunciados equivalentes a las "proposiciones de tipo Gödel". [18]
En parte como respuesta al argumento de Gödel, el argumento de Penrose-Lucas deja abierta la cuestión de la base física del comportamiento no computable . La mayoría de las leyes físicas son computables y, por lo tanto, algorítmicas. Sin embargo, Penrose determinó que el colapso de la función de onda era un candidato principal para un proceso no computable. En mecánica cuántica , las partículas se tratan de manera diferente a los objetos de la mecánica clásica . Las partículas se describen mediante funciones de onda que evolucionan de acuerdo con la ecuación de Schrödinger . Las funciones de onda no estacionarias son combinaciones lineales de los estados propios del sistema, un fenómeno descrito por el principio de superposición . Cuando un sistema cuántico interactúa con un sistema clásico (es decir, cuando se mide un observable ), el sistema parece colapsar a un estado propio aleatorio de ese observable desde un punto de vista clásico.
Si el colapso es verdaderamente aleatorio, entonces ningún proceso o algoritmo puede predecir de manera determinista su resultado. Esto proporcionó a Penrose un candidato para la base física del proceso no computable que, según su hipótesis, existe en el cerebro. Sin embargo, no le gustaba la naturaleza aleatoria del colapso inducido por el entorno, ya que la aleatoriedad no era una base prometedora para la comprensión matemática. Penrose propuso que los sistemas aislados aún pueden sufrir una nueva forma de colapso de la función de onda, que llamó reducción objetiva (OR). [7]
Penrose intentó reconciliar la relatividad general y la teoría cuántica utilizando sus propias ideas sobre la posible estructura del espacio-tiempo . [18] [ página necesaria ] [19] Sugirió que en la escala de Planck el espacio-tiempo curvo no es continuo, sino discreto. Postuló además que cada superposición cuántica separada tiene su propia pieza de curvatura del espacio-tiempo , una ampolla en el espacio-tiempo. Penrose sugiere que la gravedad ejerce una fuerza sobre estas ampollas del espacio-tiempo, que se vuelven inestables por encima de la escala de Planck y colapsan a solo uno de los estados posibles. El umbral aproximado para OR viene dado por el principio de indeterminación de Penrose:
Por lo tanto, cuanto mayor sea la relación masa-energía del objeto, más rápido experimentará la oxigenación y viceversa. Los objetos mesoscópicos podrían colapsar en una escala de tiempo relevante para el procesamiento neuronal. [7] [ cita(s) adicional(es) necesaria(s) ]
Una característica esencial de la teoría de Penrose es que la elección de estados cuando se produce la reducción objetiva no se realiza de forma aleatoria (como las elecciones que siguen al colapso de la función de onda) ni algorítmica. Más bien, los estados se seleccionan mediante una influencia "no computable" incorporada en la escala de Planck de la geometría del espacio-tiempo. Penrose afirmó que dicha información es platónica y representa verdades matemáticas puras, lo que se relaciona con las ideas de Penrose sobre los tres mundos: el físico, el mental y el matemático platónico. En Shadows of the Mind (1994), Penrose indica brevemente que este mundo platónico también podría incluir valores estéticos y éticos, pero no se compromete con esta hipótesis adicional. [19]
El argumento de Penrose-Lucas fue criticado por matemáticos [20] [21] [22] , científicos informáticos [12] y filósofos [23] [24] [9] [10] [11] y el consenso entre los expertos en estos campos es que el argumento falla [25] [26] [27] con diferentes autores atacando diferentes aspectos del argumento [27] [28] Minsky argumentó que debido a que los humanos pueden creer que las ideas falsas son verdaderas, la comprensión matemática humana no necesita ser consistente y la conciencia puede tener fácilmente una base determinista [29] Feferman argumentó que los matemáticos no progresan mediante la búsqueda mecanicista a través de pruebas, sino mediante el razonamiento de ensayo y error, la intuición y la inspiración, y que las máquinas no comparten este enfoque con los humanos [21] .
Penrose esbozó un predecesor de Orch OR en The Emperor's New Mind , abordando el problema desde un punto de vista matemático y en particular el teorema de Gödel, pero carecía de una propuesta detallada sobre cómo se podrían implementar los procesos cuánticos en el cerebro. Stuart Hameroff trabajó por separado en la investigación del cáncer y la anestesia , lo que le dio un interés en los procesos cerebrales. Hameroff leyó el libro de Penrose y le sugirió que los microtúbulos dentro de las neuronas eran sitios candidatos adecuados para el procesamiento cuántico y, en última instancia, para la conciencia. [30] [31] A lo largo de la década de 1990, los dos colaboraron en la teoría Orch OR, que Penrose publicó en Shadows of the Mind (1994). [19]
La contribución de Hameroff a la teoría se deriva de su estudio del citoesqueleto neuronal , y en particular de los microtúbulos. [31] A medida que la neurociencia ha avanzado, el papel del citoesqueleto y los microtúbulos ha adquirido mayor importancia. Además de proporcionar soporte estructural, las funciones de los microtúbulos incluyen el transporte axoplásmico y el control del movimiento, el crecimiento y la forma de la célula. [31]
La teoría Orch OR combina el argumento de Penrose-Lucas con la hipótesis de Hameroff sobre el procesamiento cuántico en los microtúbulos. Propone que cuando los condensados del cerebro experimentan una reducción objetiva de la función de onda, su colapso conecta la toma de decisiones no computacional con experiencias integradas en la geometría fundamental del espacio-tiempo. La teoría propone además que los microtúbulos influyen y son influidos por la actividad convencional en las sinapsis entre neuronas.
Hameroff propuso que los microtúbulos eran candidatos adecuados para el procesamiento cuántico. [31] Los microtúbulos están formados por subunidades de proteína tubulina . Los dímeros de proteína tubulina de los microtúbulos tienen bolsillos hidrófobos que pueden contener electrones π deslocalizados . La tubulina tiene otras regiones no polares más pequeñas, por ejemplo, 8 triptófanos por tubulina, que contienen anillos de indol ricos en electrones π distribuidos por toda la tubulina con separaciones de aproximadamente 2 nm. Hameroff afirma que esto es lo suficientemente cerca para que los electrones π de la tubulina se enreden cuánticamente . [32] Durante el entrelazamiento, los estados de las partículas se correlacionan inseparablemente.
Hameroff sugirió originalmente en la revista Journal of Cosmology que los electrones de la subunidad de tubulina formarían un condensado de Bose-Einstein . [33] Luego propuso un condensado de Frohlich , una oscilación coherente hipotética de moléculas dipolares. Sin embargo, esto también fue rechazado por el grupo de Reimers. [34] Hameroff y Penrose cuestionaron la conclusión, considerando que el modelo de microtúbulos de Reimers era demasiado simplificado. [35]
Hameroff propuso entonces que los condensados en los microtúbulos de una neurona pueden unirse con condensados de microtúbulos en otras neuronas y células gliales a través de las uniones en hendidura de las sinapsis eléctricas . [36] [37] Hameroff propuso que la brecha entre las células es lo suficientemente pequeña como para que los objetos cuánticos puedan atravesarla , lo que les permite extenderse por una gran área del cerebro. Postuló además que la acción de esta actividad cuántica a gran escala es la fuente de las ondas gamma de 40 Hz , basándose en la teoría mucho menos controvertida de que las uniones en hendidura están relacionadas con la oscilación gamma. [38]
En un estudio en el que participó Hameroff, Jack Tuszyński, de la Universidad de Alberta, demostró que los anestésicos aceleran la duración de un proceso llamado luminiscencia retardada, en el que los microtúbulos y las tubulinas vuelven a emitir la luz atrapada. Tuszyński sospecha que el fenómeno tiene un origen cuántico, y que la superradiancia se está investigando como una posibilidad (en un estudio de 2024, se confirmó que la superradiancia se produce en redes de triptófanos , que se encuentran en los microtúbulos). [39] [40] Tuszyński dijo a New Scientist que "no estamos en el nivel de interpretar esto fisiológicamente, diciendo 'Sí, aquí es donde comienza la conciencia', pero puede ser". [41]
El estudio de 2024, llamado Ultraviolet Superradiance from Mega-Networks of Tryptophan in Biological Architectures y publicado en The Journal of Physical Chemistry , confirmó la superradiancia en redes de triptófanos. [39] [40] Las grandes redes de triptófanos son un entorno cálido y ruidoso, en el que normalmente no se espera que se produzcan efectos cuánticos. [39] Los resultados del estudio fueron predichos teóricamente y luego confirmados experimentalmente por los investigadores. [39] [40] Majed Chergui , quien dirigió el equipo experimental, afirmó que "Es un resultado hermoso. Se necesitó una aplicación muy precisa y cuidadosa de los métodos estándar de espectroscopia de proteínas, pero guiados por las predicciones teóricas de nuestros colaboradores, pudimos confirmar una firma sorprendente de superradiancia en un sistema biológico a escala micrométrica". [39] Marlan Scully , un físico conocido por su trabajo en el campo de la óptica cuántica teórica, dijo: "Sin duda, examinaremos de cerca las implicaciones de los efectos cuánticos en los sistemas vivos en los próximos años". [39] El estudio afirma que "al analizar el acoplamiento con el campo electromagnético de las megaredes de triptófanos presentes en estas arquitecturas biológicamente relevantes, encontramos el surgimiento de efectos ópticos cuánticos colectivos, es decir, modos propios superradiantes y subradiantes. ... nuestro trabajo demuestra que las excitaciones UV colectivas y cooperativas en megaredes de triptófanos sustentan estados cuánticos robustos en agregados de proteínas, con consecuencias observadas incluso en condiciones de equilibrio térmico". [40]
En un experimento, Gregory D. Scholes y Aarat Kalra de la Universidad de Princeton utilizaron láseres para excitar moléculas dentro de las tubulinas, lo que provocó que una excitación prolongada se difundiera a través de los microtúbulos más lejos de lo esperado, lo que no ocurrió cuando se repitió bajo anestesia. [42] Sin embargo, los resultados de la difusión deben interpretarse con cuidado, ya que incluso la difusión clásica puede ser muy compleja debido a la amplia gama de escalas de longitud en el espacio extracelular lleno de líquido. [43]
En altas concentraciones (~5 MAC ) el gas anestésico halotano causa una despolimerización reversible de los microtúbulos. [44] Sin embargo, este no puede ser el mecanismo de acción anestésica, porque la anestesia humana se realiza a 1 MAC . (Ni Penrose ni Hameroff afirman que la despolimerización sea el mecanismo de acción de Orch OR). [45] [46] A ~1 MAC de halotano, los cambios menores informados en la expresión de la proteína tubulina (~1,3 veces) en neuronas corticales primarias después de la exposición a halotano e isoflurano no son evidencia de que la tubulina interactúe directamente con anestésicos generales, sino que muestran que las proteínas que controlan la producción de tubulina son posibles objetivos anestésicos. [47] Un estudio proteómico adicional informa que 0,5 mM [ 14 C]halotano se unen a monómeros de tubulina junto con tres docenas de otras proteínas. [48] Además, se ha informado de una modulación de la estabilidad de los microtúbulos durante la anestesia general con antraceno de renacuajos. [49] El estudio denominado Direct Modulation of Microtubule Stability Contributes to Anthracene General Anesthesia afirma proporcionar "pruebas sólidas de que la desestabilización de los microtúbulos neuronales proporciona una vía para lograr la anestesia general". [49]
Una teoría muy controvertida propuesta a mediados de la década de 1990 por Hameroff y Penrose postula que la conciencia se basa en vibraciones cuánticas en la tubulina/microtúbulos dentro de las neuronas cerebrales. El modelado por computadora de la estructura atómica de la tubulina [50] encontró que las moléculas de gas anestésico se unen adyacentes a los anillos aromáticos de aminoácidos de los electrones π no polares y que las oscilaciones dipolares cuánticas colectivas entre todos los anillos de resonancia de electrones π en cada tubulina mostraron un espectro con un pico de modo común a 613 THz . [51] La presencia simulada de 8 gases anestésicos diferentes abolió el pico de 613 THz , mientras que la presencia de 2 gases no anestésicos diferentes no afectó el pico de 613 THz, a partir de lo cual se especuló que este pico de 613 THz en los microtúbulos podría estar relacionado con la conciencia y la acción anestésica. [51]
Otro estudio en el que participó Hameroff afirma que "las moléculas anestésicas pueden perjudicar la transferencia de energía de resonancia π y el salto de excitones en los 'canales cuánticos' de los anillos de triptófano en la tubulina, y así explicar la acción selectiva de los anestésicos sobre la conciencia y la memoria". [52]
En un estudio publicado en agosto de 2024, un grupo de estudiantes universitarios dirigido por un profesor del Wellesley College descubrió que las ratas a las que se les administró epotilona B , un fármaco que se une a los microtúbulos, tardaron más de un minuto más en caer inconscientes cuando se expusieron a un gas anestésico. [53]
La teoría de Orch OR ha sido criticada tanto por físicos [14] [54] [34] [55] [56] como por neurocientíficos [57] [58] [59] que la consideran un modelo deficiente de la fisiología cerebral . La teoría de Orch OR también ha sido criticada por su falta de poder explicativo ; la filósofa Patricia Churchland escribió: "El polvo de hadas en las sinapsis es tan explicativo como la coherencia cuántica en los microtúbulos". [60]
David Chalmers argumenta en contra de la conciencia cuántica. En su lugar, analiza cómo la mecánica cuántica puede relacionarse con la conciencia dualista . [61] Chalmers es escéptico de que cualquier nueva física pueda resolver el difícil problema de la conciencia . [62] [63] [64] Sostiene que las teorías cuánticas de la conciencia sufren de la misma debilidad que las teorías más convencionales. Así como sostiene que no hay ninguna razón particular por la que determinadas características físicas macroscópicas del cerebro deban dar lugar a la conciencia, también piensa que no hay ninguna razón particular por la que una característica cuántica particular, como el campo electromagnético del cerebro, deba dar lugar a la conciencia. [64]
En 2000, Max Tegmark afirmó que cualquier sistema coherente cuántico en el cerebro sufriría un colapso efectivo de la función de onda debido a la interacción ambiental mucho antes de que pudiera influir en los procesos neuronales (el argumento "cálido, húmedo y ruidoso", como se lo conoció más tarde). [14] Determinó que la escala de tiempo de decoherencia del entrelazamiento de microtúbulos a temperaturas cerebrales era del orden de femtosegundos , demasiado breve para el procesamiento neuronal. Christof Koch y Klaus Hepp también coincidieron en que la coherencia cuántica no juega, o no necesita jugar, ningún papel importante en la neurofisiología . [15] [16] Koch y Hepp concluyeron que "la demostración empírica de bits cuánticos lentamente decoherentes y controlables en neuronas conectadas por sinapsis eléctricas o químicas, o el descubrimiento de un algoritmo cuántico eficiente para los cálculos realizados por el cerebro, harían mucho para llevar estas especulaciones de lo 'lejano' a lo meramente 'muy improbable'". [15]
En respuesta a las afirmaciones de Tegmark, Hagan, Tuszynski y Hameroff afirmaron que Tegmark no abordó el modelo Orch OR, sino un modelo de su propia construcción. Esto implicaba superposiciones de cuantos separados por 24 nm en lugar de las separaciones mucho más pequeñas estipuladas para Orch OR. Como resultado, el grupo de Hameroff afirmó un tiempo de decoherencia siete órdenes de magnitud mayor que el de Tegmark, aunque todavía muy por debajo de los 25 ms. El grupo de Hameroff también sugirió que la capa de Debye de contraiones podría filtrar las fluctuaciones térmicas y que el gel de actina circundante podría mejorar la ordenación del agua, filtrando aún más el ruido. También sugirieron que la energía metabólica incoherente podría ordenar aún más el agua y, finalmente, que la configuración de la red de microtúbulos podría ser adecuada para la corrección de errores cuánticos , un medio para resistir la decoherencia cuántica. [65] [66]
En 2009, Reimers et al. y McKemmish et al. publicaron evaluaciones críticas. Las versiones anteriores de la teoría habían requerido que los electrones de la tubulina formaran condensados de Bose-Einstein o de Frohlich , y el grupo de Reimers notó la falta de evidencia empírica de que esto pudiera ocurrir. Además, calcularon que los microtúbulos solo podían soportar una coherencia débil de 8 MHz. McKemmish et al. argumentaron que las moléculas aromáticas no pueden cambiar de estado porque están deslocalizadas; y que los cambios en la conformación de la proteína tubulina impulsados por la conversión de GTP darían como resultado un requerimiento de energía prohibitivo. [54] [34] [55]
En 2022, un grupo de físicos italianos realizó varios experimentos que no lograron proporcionar evidencia que apoyara un modelo de colapso cuántico de la conciencia relacionado con la gravedad, lo que debilita la posibilidad de una explicación cuántica de la conciencia. [67] [68]
Se han ofrecido críticas basadas en la biología, incluida la falta de explicación de la liberación probabilística de neurotransmisores desde las terminales axónicas presinápticas [69] [70] [71] y un error en el número calculado de dímeros de tubulina por neurona cortical. [72]
En 2014, Penrose y Hameroff publicaron respuestas a algunas críticas y revisiones de muchos de los supuestos periféricos de la teoría, manteniendo al mismo tiempo la hipótesis central. [2] [6]
Las ideas de Hameroff en manos de Penrose han evolucionado casi hasta el absurdo.
