211service.com
Finns det optiska kommunikationskanaler i våra hjärnor?
Här är en intressant fråga: finns det optiska kommunikationskanaler i hjärnan? Detta kan vara ett radikalt förslag men ett som det finns mer än lite bevis för att tro att det är värt att följa.
Många organismer producerar ljus för att kommunicera, för att locka till sig kompisar och så vidare. För tjugo år sedan upptäckte biologer att råtthjärnor också producerar fotoner under vissa omständigheter. Ljuset är svagt och svårt att upptäcka, men neuroforskare blev förvånade över att överhuvudtaget hitta det.
Sedan dess har bevisen växt. Så kallade biofotoner verkar produceras naturligt i hjärnan och på andra ställen genom att vissa elektroniskt exciterade molekylarter förfaller. Däggdjurshjärnor producerar biofotoner med våglängder på mellan 200 och 1 300 nanometer – med andra ord från nära infrarött till ultraviolett.
Om celler i hjärnan naturligt producerar biofotoner, är det naturligt att fråga sig om naturen kan ha utnyttjat denna process för att överföra information. För att det ska hända måste fotonerna överföras från en plats till en annan, och det kräver någon form av vågledare, som en optisk fiber. Så vilken biologisk struktur skulle kunna utföra den funktionen?
Idag får vi ett slags svar tack vare Parisa Zarkeshians arbete vid University of Calgary i Kanada och några kompisar. De har studerat de optiska egenskaperna hos axoner, de långa trådliknande delarna av nervceller, och drar slutsatsen att fotonöverföring över centimeters avstånd verkar helt möjligt inuti hjärnan.
Verket är en genomgång av tidigare experiment och studier av axoner. Teamet granskade först en studie som beräknade de optiska egenskaperna hos myeliniserade axoner genom att lösa Maxwells berömda elektromagnetiska ekvationer i tre dimensioner för att bestämma cellens optiska egenskaper.
Denna studie tyder på att en axons yttre beläggning - dess myelinskida - kan fungera som en vågledare för att kanalisera biofotoner. Men det tyder också på att ett brett spektrum av faktorer kan påverka detta fenomen genom att sprida ljus eller absorbera det.
Dessa faktorer inkluderar hur ljustransmissionen påverkas av böjningar i axonet, av förändringar i mantelns radie, av icke-cirkulära tvärsnitt och så vidare.
Zarkeshian och co drar slutsatsen att axoner med längder på cirka 2 millimeter – ungefär längden på axoner i hjärnan – kan överföra mellan 46 procent och 96 procent av de biofotoner som kommer in i dem. Det är värt att notera att fotoner kan fortplanta sig i båda riktningarna: från axonterminalen upp till axonkullen eller i motsatt riktning längs axonet, säger de.
Teamet fortsätter med att beräkna de datakommunikationshastigheter som detta tillåter. Biologer har mätt biofotoner som produceras av råtthjärnor med en hastighet av en foton per neuron per minut. Även om det inte låter som många, finns det 1011 neuroner i en mänsklig hjärna, vilket tyder på att den skulle kunna producera mer än en miljard fotoner per sekund.
Denna mekanism verkar vara tillräcklig för att underlätta överföringen av ett stort antal bitar av information, eller till och med möjliggöra skapandet av en stor mängd kvantintrassling, säger Zarkeshian och co.
Naturligtvis finns det många osäkerheter i dessa beräkningar. Ingen känner till de exakta optiska egenskaperna hos myelinskidor, till exempel, eftersom de aldrig har mätts.
Det bästa sättet att ta reda på mer är att testa de optiska transmissionsegenskaperna hos hjärnvävnad. Zarkeshian och co föreslår ett antal enkla experiment som skulle flytta detta område framåt. Ett sätt är att lysa upp ena änden av en tunn hjärnskiva och leta efter de ljusa fläckarna relaterade till de öppna ändarna av de myeliniserade axonerna i den andra änden, säger de. Det finns olika andra tillvägagångssätt också. Det är något en neuroforskare med tid på sina händer skulle kunna ta sig an.
Allt detta pekar på en större gåta. Om våra hjärnor har optiska kommunikationskanaler, vad är de till för? Detta är en fråga som är mogen för spekulationer i blå himmel.
En tankegång bygger på det faktum att fotoner är bra bärare av kvantinformation. Många människor har teoretiserat att kvantprocesser kan ligga bakom några av hjärnans mer mystiska processer, inte minst medvetandet i sig. Zarkeshian och co är helt klart förälskade i denna idé.
Men detta är inte mer än vilda spekulationer. Kvantkommunikation kräver betydligt mer än optiska kommunikationskanaler. Det måste också finnas mekanismer som kan koda, ta emot och bearbeta kvantinformation. Det är möjligt att ljuskänsliga molekyler finns i hjärnan men det finns få bevis för detta och ännu mindre att de fungerar som kvantprocessorer.
Ändå är den här typen av tänkande spännande och värt att driva på en grundläggande nivå. Om naturen producerar biofotoner kan evolutionen mycket väl ha hittat ett sätt att utnyttja dem. Frågan är hur.
Ref: arxiv.org/abs/1708.08887 : Finns det optiska kommunikationskanaler i hjärnan?