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首页  »  千读  »  走进世界顶尖实验室:我们的大脑中会有量子通信吗?

摘要: 我们的大脑中有光通信通道吗?神经科学家早已观察到大脑组织中产生的生物光子,研究人员开始探索这些生物光子的作用是什么。来自加拿大的Zarkeshian和团队的最新研究表明,我们的大脑中甚至可能会有量子通信。


我们的大脑中有光通信通道吗?

甚至会有量子通信吗?


神经科学家早已观察到大脑中产生的生物光子,只是没人知道这些光子的作用是什么,目前科学家们开始探索其中的可能性。


许多生物都会发光,用来沟通和吸引伴侣等。二十年前,生物学家发现鼠类大脑在某些情况下会产生光子。尽管发出的光很弱,但神经科学家当时对于这个发现都感到很意外。


之后,越来越多的证据表明,这些生物光子似乎是通过某些电子激发的分子衰变,会在大脑及其它地方很自然地产生。哺乳动物大脑产生的生物光子的波长在200和1300纳米之间 - 换句话说,从近红外到紫外线。


如果大脑中的细胞自然产生生物光子,我们就会自然地想到是否可能利用这一过程来传输信息,也就是光子从一个地方传递到另一个地方。这就需要像光纤一样的波导,什么生物结构可以作为波导呢?



来自加拿大卡尔加里大学(University of Calgary)量子科学研究所的博士生Parisa Zarkeshian和团队最近给出了一个答案。他们研究了轴突的光学特征,即神经细胞的长线状部分,并得出结论:我们的大脑内,在厘米距离上的光子传播是完全可行的。


这项工作是对以前的轴突实验和研究的回顾。该小组首先审查了一项研究,通过解决麦克斯韦的三维电磁方程来确定细胞的光学性质,计算有髓轴突的光学性质。


这项研究表明,轴突的外涂层 - 髓鞘(myelin sheath)- 可以作为波导传播生物光子。但是也可能有很多其他的因素,通过散射光或吸收它,而产生影响。这些因素包括光轴的变化,轴突中的弯曲,护套半径的变化,以及非圆形横截面等。它们都可能对光的传播产生影响。


Zarkeshian和团队得出的结论是,长约2毫米的轴突 - 大脑中的轴突长度 - 可以传播进入大脑的生物光子的46%到96%。 “值得注意的是,光子可以从两个方向传播:从轴突末端到轴突小丘,或沿着轴突沿相反的方向传播。”


这个团队以此继续计算可行的数据通信速率。生物学家已经以每分钟每个神经元一个光子的速率测量了小白鼠的大脑产生的生物光子。人脑中有1011 个神经元,虽然听起来似乎并不多,这表明它可以每秒产生超过十亿个光子。



Zarkeshian和团队表示:“这种机制似乎足以传输大量信息,甚至允许产生大量的量子纠缠。” 当然,这些计算中有许多的不确定性。目前没有人知道髓鞘(myelin sheaths)的精确光学性质,因为它们从未被测量过。


最好的验证方法是测试大脑组织的光学透射性质。 Zarkeshian和团队提出了一些直接的实验,将这个领域向前推进。他说:“一个方法是照亮一个薄的脑组织切片的一端,并寻找与有髓轴突(myelinated axons )的开放端相关的另一端的亮点。当然还有其他各种方法,有待神经科学家们花时间去验证。


所有这一切都指向一个更大的难题。如果我们的大脑有光通信渠道,那么他们起什么作用呢?这是一个有无限想象空间的问题。


一个思路是基于光子是量子信息的良好载体的事实。许多科学家认为我们的大脑中的一些不可思议的过程很可能就是量子通信过程,例如意识本身。 Zarkeshian和团队很明显非常推崇这个想法。



但这不过是非常大胆的猜测。


量子通信需要的不仅仅是光通信渠道,还必须有可以编码,接收和处理量子信息的机制。在我们的大脑中,很可能存在光敏分子,但是目前尚无证据表明它们的作用就像量子处理器。


不过,这种想法是令人兴奋的,值得深入研究。既然人类的大脑能够产生生物光子,那么在进化的过程中,很可能已经找到了利用生物光子的方法。


那么我们的大脑到底如何利用生物光子,这就是科学家们目前要回答的问题。


期待不久就会有更多充满惊喜的新发现。


- 本文源于 MIT Tech Review 



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