Er der optiske kommunikationskanaler i vores hjerner?

Her er et interessant spørgsmål: er der optiske kommunikationskanaler i hjernen? Dette kan være et radikalt forslag, men et, som der er mere end en smule bevis for, at det er værd at forfølge.

Mange organismer producerer lys for at kommunikere, for at tiltrække kammerater og så videre. For tyve år siden opdagede biologer, at rottehjerner også producerer fotoner under visse omstændigheder. Lyset er svagt og svært at opdage, men neurovidenskabsmænd var overraskede over overhovedet at finde det.

Siden da er beviserne vokset. Såkaldte biofotoner ser ud til at blive produceret naturligt i hjernen og andre steder ved henfaldet af visse elektronisk exciterede molekylære arter. Pattedyrs hjerner producerer biofotoner med bølgelængder på mellem 200 og 1.300 nanometer - med andre ord fra nær infrarød til ultraviolet.

Hvis celler i hjernen naturligt producerer biofotoner, er det naturligt at spørge, om naturen kan have udnyttet denne proces til at overføre information. For at det kan ske, skal fotonerne transmitteres fra et sted til et andet, og det kræver en form for bølgeleder, som en optisk fiber. Så hvilken biologisk struktur kunne udføre den funktion?

I dag får vi et slags svar takket være Parisa Zarkeshians arbejde ved University of Calgary i Canada og et par venner. De har undersøgt de optiske egenskaber af axoner, de lange trådlignende dele af nerveceller, og konkluderer, at fotontransmission over centimeters afstande ser ud til at være fuldstændig mulig inde i hjernen.

Værket er en gennemgang af tidligere eksperimenter og undersøgelser af axoner. Holdet gennemgik først en undersøgelse, der beregnede de optiske egenskaber af myelinerede axoner ved at løse Maxwells berømte elektromagnetiske ligninger i tre dimensioner for at bestemme cellens optiske egenskaber.

Denne undersøgelse tyder på, at en axons ydre belægning - dens myelinskede - kan fungere som en bølgeleder til at kanalisere biofotoner. Men det tyder også på, at en lang række faktorer kan påvirke dette fænomen ved at sprede lys eller absorbere det.

Disse faktorer omfatter, hvordan lystransmission påvirkes af bøjninger i axonen, af ændringer i kappens radius, af ikke-cirkulære tværsnit og så videre.

Zarkeshian og co konkluderer, at axoner med længder på omkring 2 millimeter - omkring længden af ​​axoner i hjernen - kunne transmittere mellem 46 procent og 96 procent af de biofotoner, der kommer ind i dem. Det er værd at bemærke, at fotoner kan forplante sig i begge retninger: fra axonterminalen op til axonbakken eller i den modsatte retning langs axonen, siger de.

Holdet fortsætter med at beregne de datakommunikationshastigheder, som dette tillader. Biologer har målt biofotoner produceret af rottehjerner med en hastighed på én foton per neuron per minut. Selvom det ikke lyder som mange, er der 1011 neuroner i en menneskelig hjerne, hvilket tyder på, at den kan producere mere end en milliard fotoner i sekundet.

Denne mekanisme ser ud til at være tilstrækkelig til at lette transmissionen af ​​et stort antal informationsbidder eller endda tillade skabelsen af ​​en stor mængde kvanteforviklinger, siger Zarkeshian og co.

Der er naturligvis talrige usikkerheder i disse beregninger. Ingen kender for eksempel myelinskedernes præcise optiske egenskaber, fordi de aldrig er blevet målt.

Den bedste måde at finde ud af mere på er at teste hjernevævets optiske transmissionsegenskaber. Zarkeshian og co foreslår en række enkle eksperimenter, der ville flytte dette felt fremad. En måde er at oplyse den ene ende af en tynd hjerneskive og se efter de lyse pletter, der er relateret til de åbne ender af de myelinerede axoner i den anden ende, siger de. Der er også forskellige andre tilgange. Det er noget, en neuroforsker med tid på hænderne kunne tage på sig.

Alt dette peger på en større gåde. Hvis vores hjerner har optiske kommunikationskanaler, hvad er de så til? Dette er et spørgsmål, der er modent til spekulationer om blå himmel.

En tankegang er baseret på det faktum, at fotoner er gode bærere af kvanteinformation. Mange mennesker har teoretiseret, at kvanteprocesser kan ligge bag nogle af hjernens mere mystiske processer, ikke mindst selve bevidstheden. Zarkeshian og co er tydeligvis vilde med denne idé.

Men dette er ikke mere end vilde spekulationer. Kvantekommunikation kræver væsentligt mere end optiske kommunikationskanaler. Der skal også være mekanismer, der kan kode, modtage og behandle kvanteinformation. Det er muligt, at lysfølsomme molekyler eksisterer i hjernen, men der er lidt bevis for dette og endnu mindre, at de tjener som kvanteprocessorer.

Alligevel er denne form for tænkning spændende og værd at forfølge på et grundlæggende niveau. Hvis naturen producerer biofotoner, kan evolutionen meget vel have fundet en måde at udnytte dem på. Spørgsmålet er hvordan.

Ref: arxiv.org/abs/1708.08887 : Er der optiske kommunikationskanaler i hjernen?

skjule