Резюме
Повторяющимся мотивом для внедрения квантовой теории в психиатрию и смежные клинические нейронауки является утверждение о том, что стандартные вычислительные/нейробиологические описания оставляют основные черты субъективности недостаточно объясненными, включая то, что «механизм, посредством которого мозг генерирует мысли и чувства, остается неизвестным» и что «одни лишь вычисления не могут объяснить, почему у нас есть чувства, осознанность и «внутренняя жизнь».[1] В этом контексте ряд авторов утверждает, что «особенности сознания, труднообъяснимые с точки зрения традиционной нейробиологии, вызвали применение квантовой теории», позиционируя квантовые модели как попытки объяснить сознание, агентность и связанные с ними клинические феномены, такие как вызванная анестезией потеря сознания.[2, 3]
В представленной здесь литературе понятие «квантовый» входит в психиатрию (как минимум) двумя различными путями: (i) через механистические гипотезы, предлагающие биологически воплощенные неклассические состояния (например, когерентность микротрубочек и модели объективного коллапса), и (ii) через формальные математические структуры (квантовая вероятность / модели Гильбертова пространства), используемые для представления контекстуальных, амбивалентных или неклассических паттернов в когниции и психопатологии.[4] Некоторые источники явно выступают за этот шаг по трансляционным соображениям, аргументируя это «возможным способом интеграции экспериментальной нейробиологии с квантовыми моделями для решения нерешенных вопросов психопатологии», а также предлагая «обоснование психических заболеваний» в квантовых микрофизических явлениях.[1, 5]
Orch-OR
Оркестрованная объективная редукция (Orch-OR) является наиболее развитой и наиболее часто цитируемой теорией квантового сознания в данном наборе данных; она неоднократно представляется как непосредственно релевантная клинически контролируемым феноменам сознания (особенно общей анестезии) и, в более спекулятивном плане, психическим заболеваниям через аномалии микротрубочек/цитоскелета и домены симптомов, связанных с сознанием.[6–8]
Основное положение
Основное утверждение Orch-OR заключается в том, что «сознание» приписывается «квантовым вычислениям в микротрубочках внутри нейронов мозга», а не возникает исключительно в результате обработки информации на синаптическом или сетевом уровне.[6, 7] В рамках этого подхода состояния микротрубочек рассматриваются как кубитоподобные суперпозиции, которые могут «объединяться посредством запутанности... до редукции или «коллапса» в определенные выходные состояния», причем в Orch-OR подчеркивается, что осцилляции микротрубочек «запутываются, вычисляют и завершаются («коллапс волновой функции») посредством объективной редукции Пенроуза («OR»).[6, 7]
Отличительной чертой является позиция Пенроуза в отношении объективного коллапса: «Вместо того чтобы сознание вызывало коллапс/редукцию, Пенроуз предположил, что коллапс/редукция происходят спонтанно», при этом коллапс связан со свойством Вселенной, соединенным с («прото-»)сознанием.[9] Родственные формулировки описывают OR как «новую физику объективной редукции... [апеллирующую] к форме квантовой гравитации» и определяют моменты сознания как возникающие тогда, когда когерентная суперпозиция сохраняется до достижения «объективного... порога, связанного с квантовой гравитацией», после чего система «саморедуцируется (объективная редукция: OR)».[10]
В ряде текстов по Orch-OR эти события редукции явно дискретизированы и связаны с психофизическим таймингом: квантовые вычисления описываются как «дискретные события длительностью примерно 25 msec (связанные с гамма-синхронностью EEG)... кульминирующие в моменте сознания (например, при 40 Hz)».[3] Тесно связанное с этим утверждение описывает Orch-OR как идентификацию «дискретных моментов сознания» с квантовыми вычислениями в микротрубочках «40/s в унисон с гамма-синхронностью EEG».[11]
Оркестровка и MAPs
«Оркестровка» в Orch-OR обычно приписывается биологическому контролю над квантовой динамикой, особенно через микротрубочко-ассоциированные белки (MAPs).[12] Множество источников предполагают, что прикрепления MAPs «настраивают» квантовые осцилляции микротрубочек и «оркеструют» возможные результаты коллапса, тем самым формируя то, какие классические «состояния исхода» tubulin реализуются и как они выполняют нейрофизиологические функции после редукции.[12, 13]
Доказательства и прогнозы
Центральной эмпирической мотивацией в литературе по Orch-OR является анестезия с утверждениями о том, что анестетики «избирательно стирают сознание посредством квантовых взаимодействий внутри микротрубочек», связывая контролируемый клинический феномен с конкретным механизмом на уровне микротрубочек.[6] Родственные формулировки предлагают проверяемый прогноз: «Корреляция между подавлением анестетиками квантовых биений в микротрубочках и клинической эффективностью анестетиков подтвердила бы «Orch» как (суб)нейрональный коррелят сознания».[6] В одной из видных работ по Orch-OR этот прогноз прямо рассматривается как потенциально фальсифицируемый: «Если квантовая интерференция в tubulin/микротрубочках не будет обнаружена, или если она будет обнаружена, но не будет подавляться анестетиками, то Orch (и Orch-OR) будут фальсифицированы».[7]
Ряд источников также указывает на квантовые эффекты в микротрубочках при комнатной температуре как на релевантный эмпирический фон, утверждая, что «эксперименты теперь продемонстрировали нетривиальные квантовые эффекты в MTs при комнатной температуре».[14] Более поздние работы описываются как указывающие на квантово-оптический транспорт, выходящий за рамки классических ожиданий, сообщая, что «распространение экситонов через микротрубочки, индуцированное ультрафиолетом, превысило классические ожидания... что указывает на квантово-оптический эффект».[15]
Что касается нейрофизиологической стороны, Orch-OR часто обсуждается наряду с синхронностью в гамма-диапазоне и потерей гамма-когерентности при анестезии: потеря сознания во время общей анестезии описывается как «исчезновение фронтально-задней когерентности гамма-EEG», которая возвращается при пробуждении.[3] Другим предлагаемым мостом от динамики на уровне микротрубочек к EEG является гипотеза «частот биений», представленная как «возможный источник наблюдаемых... EEG-коррелятов сознания».[16]
Дальнейшее расширение с эмпирическим уклоном использует транскраниальный ультразвук (TUS) в качестве возможного модулятора динамики на уровне микротрубочек, сообщая о пилотном результате, согласно которому применение «8 megahertz... к виску... выявило улучшение настроения в течение 40 минут после воздействия ультразвука».[17] В том же отчете предлагается продолжение работы и намечаются клинические цели для испытаний TUS, где среди предлагаемых областей применения прямо называются «PTSD» и «депрессия».[17]
Наконец, один отчет, связанный с Orch-OR, прямо распространяет действие «квантовых каналов» микротрубочек на психоактивные вещества, утверждая, что «психоделические препараты... могут связываться в квантовых каналах tubulin» и могут «увеличивать частоту квантовых дипольных резонансов микротрубочек и событий Orch-OR», тем самым «расширяя» сознание».[17]
Критика и ограничения
Критика сосредоточена как на физической правдоподобности, так и на биологическом масштабировании, при этом в литературе, прилегающей к Orch-OR, часто отмечаются проблемы декогеренции (например, то, что «декогеренция... разрушила бы квантовые состояния до того, как они могли бы оказать влияние на активность мозга»).[18] Более широкий критический обзор квантовых подходов к сознанию подчеркивает пробел в доказательствах на механистическом уровне, заявляя, что «ни одно исследование на сегодняшний день не продемонстрировало запутанность, долгоживущую когерентность или динамику коллапса в нейронной ткани в соответствии с операционными критериями, сопоставимыми с теми, что используются в контролируемых квантовых системах».[4]
Специфическая количественная критика направлена на биологическую параметризацию Orch-OR, утверждая, что часто повторяемая оценка количества tubulin получена из неверного источника: «нигде в [Yu and Baas (1994)] не оценивается количество димеров tubulin на нейрон», а реконструкция, подразумевающая количество «димеров tubulin» на нейрон, используется для аргументации того, что (при определенных допущениях) «только 15 нейронов участвуют в каждом событии сознания», что ставит под сомнение утверждения Orch-OR о масштабировании.[19]
Другие критические замечания подчеркивают незавершенный статус теории и множественность реализаций моделей коллапса, отмечая, что «Orch-OR — это не полная модель реальности, а работа в процессе», и что «существует множество способов сделать эти базовые идеи точными, следовательно, существует множество «вариантов», так что экспериментальные исключения могут «отсечь лишь малый класс возможных вариантов», а не опровергнуть всю программу».[20]
Квантовая динамика мозга
Второй крупной традицией является квантовая динамика мозга (QBD) и связанные с ней подходы квантовой теории поля, которые стремятся описать функции мозга «в рамках квантовой теории поля» и рассматривать высшие функции, такие как сознание и память, как эмерджентные свойства макроскопических параметров порядка и динамики полей, а не только как результат вычислений нейронных сетей.[21, 22]
Одно из репрезентативных описаний представляет «новую квантовую структуру для исследования высших функций мозга, таких как сознание и память», явно основывая ее на «квантовой теории поля, созданной... Hiroomi Umezawa».[22] В этом описании «память» характеризуется как хранящаяся в «состоянии макроскопического порядка», а «сознание» — как реализуемое посредством «динамики рождения и аннигиляции квантов энергии электромагнитного поля и молекулярных полей воды и белков».[22]
Смежное с QBD направление работы предлагает конкретные квантово-оптические механизмы в микротрубочках, включая коллективное излучение («сверхизлучение») и нелинейное распространение («самоиндуцированная прозрачность»).[23] В этой концепции «сверхизлучающие оптические вычисления в сетях микротрубочек... могут служить основой для биомолекулярного познания и субстратом для сознания», а «общая анестезия может быть объяснена блокировкой событий квантового уровня», поддерживающих коллективную кооперативную динамику на макроуровне.[23] Тесно связанное утверждение аналогичным образом предполагает, что «молекулы анестезирующего газа обратимо ингибируют сознание посредством слабого... связывания в гидрофобных областях белков», и делает вывод, что если «квантово-оптическая когерентность... микротрубочек необходима для сознания», то анестетики «должны каким-то образом ее ингибировать».[24]
Квантовая когниция
Квантовая когниция (QC) использует математику квантовой теории как формальный язык для познания, предлагая представлять ментальную динамику с помощью контекстно-зависимых «состояний» и неклассической вероятностной структуры, вместо того чтобы предполагать стабильные классические суждения и колмогоровскую вероятность в каждой когнитивной области.[25]
В одном клинически ориентированном обзоре QC утверждается, что QC «предлагает альтернативную теоретическую структуру классической логике» для таких феноменов, как «амбивалентность, перекрывающиеся намерения и внезапные изменения перспективы», и доказывается, что уравнения квантовой теории «позволяют нам формально представлять ментальную динамику, характеризующуюся амбивалентностью, флуктуациями решений, чувствительностью к контексту и бессознательным поведением».[25] В обзоре прямо указывается на клиническую значимость, утверждая, что эти характеристики «очень очевидны» при «расстройствах личности... характеризующихся эмоциональной нестабильностью», и приводится конкретный пример: «пациент с пограничным расстройством может одновременно желать и бояться близости со значимой фигурой».[25]
Более широкий критический обзор квантовых подходов к сознанию формализует ключевое различие между QC-подобными формализмами и механистическими предложениями квантового мозга, заявляя, что квантовые принципы могут быть полезны «как формальные математические структуры для моделирования контекстуального познания» или «как механистические гипотезы, предлагающие биологически воплощенные неклассические состояния».[4] Он также формулирует стандарт доказательности для механистических утверждений, подчеркивая, что «решающий вопрос заключается не в том, является ли мозг квантовым, а в том, выходит ли его динамика за рамки объяснительных возможностей строго определенных классических моделей».[4]
Клинические связи
Представленная здесь литература связывает квантовые модели с психиатрией по нескольким клинически значимым осям, включая психоз и нарушения самовосприятия, аффективные расстройства, анестезию и контролируемые изменения сознания, а также аномалии, связанные со временем и агентностью, которые некоторые авторы интерпретируют как релевантные для психопатологии и волевых актов.[3, 5, 11, 26]
Шизофрения
В обзоре, посвященном шизофрении, Orch-OR прямо предлагается как «привлекательное положение для понимания биологии сознания», заявляя, что она «задействует квантовые процессы в микротрубочках нейронов», и утверждая, что модель «особенно важна для понимания шизофрении... из-за общего «каркаса» микротрубочек».[26] В том же обзоре шизофрения рассматривается как расстройство сознания, со ссылкой на доказательства «аномалий самовосприятия, аберрантного восприятия времени, а также дисфункционального интенционального связывания», и связывая их с «аберрантными нейронными осцилляциями, а также аномалиями микротрубочек», что приводит к постулату о том, что «шизофрения — это расстройство сознания, возможно, обусловленное дисфункцией микротрубочек».[26]
Другие подходы, смежные с шизофренией, носят скорее формальный или метафорический, а не микрофизический характер, такие как предложение «квантовой логики... психодинамического бессознательного» с утверждением, что эта «скрытая квантовая логика... также является доминирующей... логикой шизофрении», и предложением психотерапевтам изучить «формальный квантовый мета-язык» для более эффективного общения с пациентами.[27]
В более широком смысле, работа по квантовым парадигмам предлагает варианты сопоставления дескрипторов квантовых состояний с психотической феноменологией, предполагая, что «переходы от когерентных к некогерентным квантовым состояниям мозга могут, при их аберрантности, помечать нейронные корреляты психотического восприятия», и что «рассогласованные фазовые отношения» могут «пролить свет на клинические расстройства мышления».[28] В статье с мнением, ориентированном на психиатрию, также утверждается, что «квантовые подходы предположительно могли бы помочь нам понять многое о галлюцинациях, бреде и других психических аномалиях».[29]
Депрессия и аффективные расстройства
Депрессия рассматривается в предложении, явно направленном на связь квантовых моделей с психопатологией, где утверждается, что квантовые теории «предлагают глубокое изменение текущих подходов», и предлагается интеграция с экспериментальной нейробиологией через «поток сознания» и EEG «гамма-синхронность (GS)».[5] В рамках этой структуры «пациент с униполярной депрессией может рассматриваться как субъект с измененным потоком сознания», причем «подсказки» указывают на то, что депрессия связана с «повышенной мощностью» потока сознания, сопутствующим эмпирическим утверждением является то, что «гамма-синхронность... каким-то образом увеличивается... в височной области».[5]
Обзоры в области квантовой нейробиологии также предлагают (пока спекулятивные) пути, связывающие квантовые степени свободы с ответом на психиатрическое лечение, такие как предположение о том, что эффективность лития «может быть обусловлена усиленной декогеренцией, вызванной ядерными спинами лития, включенными в молекулу Posner».[30] Параллельно с этим, в отчете по ультразвуку, прилегающем к Orch-OR, описывается острый эффект «улучшения настроения» после кратковременной стимуляции TUS и предлагаются будущие испытания, направленные на такие состояния, как «PTSD» и «депрессия».[17]
Анестезия и измененные состояния сознания
Анестезия является ключевым испытательным полигоном для множества традиций квантового разума, поскольку она предлагает экспериментально и клинически контролируемое воздействие на сознание.[3, 14] Формулировки, ориентированные на Orch-OR, выступают за «квантовую гипотезу», согласно которой анестетики вызывают бессознательное состояние путем «разрушения деликатного запутанного коллективного квантового состояния множества нейронных MTs, которое составляет прямой субстрат сознания», и далее утверждают, что чувствительность этого когерентного состояния к слабому связыванию может объяснить, почему анестетики кажутся избирательно специфичными для сознания в умеренных дозах.[14]
Другие микротрубочковые/квантовые подходы утверждают, что «идентифицированы «квантовые каналы» микротрубочек, в которых анестетики стирают сознание», а также предлагают «частоты биений» вибраций микротрубочек в качестве кандидатов-медиаторов EEG-коррелятов сознания при анестезии и бодрствовании.[16] В моделях QBD/квантовой оптики анестезия аналогичным образом представляется как блокировка событий квантового уровня, с явными утверждениями о том, что «общая анестезия может быть объяснена блокировкой событий квантового уровня», и что анестезирующие газы ингибируют сознание посредством слабого связывания в гидрофобных белковых областях, что может нарушить необходимую когерентность.[24]
Агентность и время
Ряд источников Orch-OR связывают квантовую редукцию с агентностью и волей, предполагая, что «каждый момент редукции/сознания выбирает конкретные состояния микротрубочек, которые регулируют нейронные разряды», и что это может поддерживать «сознательную каузальную агентность».[31] Родственным утверждением является то, что редукции квантовых состояний влекут за собой «временную нелокальность», потенциально передавая информацию «как вперед, так и назад» в воспринимаемом времени и тем самым «спасая свободу воли».[31]
В работе по Orch-OR, посвященной времени, утверждается, что «сознание обусловлено (объективными) редукциями квантовых состояний, которые создают поток времени», и прямо заявляется, что «эффекты обратного времени... могут обеспечить сознательный контроль в реальном времени и спасти сознательную свободу воли».[9] Другое утверждение аналогичным образом гласит, что Orch-OR «может вызывать временную нелокальность, посылая квантовую информацию назад в классическом времени», связывая это с доказательствами в психологии и нейробиологии и позиционируя это как решение проблемы тайминга «слишком позднего» сознания/агентности».[11] Дальнейшее резюме, ориентированное на время, утверждает наличие «достоверных сообщений о кажущихся эффектах обратного времени в ментальных состояниях» и приписывает возможный механизм предложению Пенроуза о том, что OR обладает «ретроактивным эффектом», который удаляет невыбранные кривизны пространства-времени, тем самым обеспечивая ретроактивные эффекты в «ментальных восприятиях и действиях».[32]
Психоделические состояния
В рамках нарратива Orch-OR, рассматривающего внутриклеточные каналы микротрубочек как релевантные для модуляции сознания, в одном из отчетов утверждается, что психоделические препараты могут проникать в клетки и «связываться в квантовых каналах tubulin», тем самым увеличивая резонансную частоту микротрубочек и события Orch-OR и «расширяя» сознание».[17]
Общие концепции
Даже там, где квантовая физика не воспринимается буквально как механизм работы мозга, множество направлений разделяют небольшой набор повторяющихся концептуальных ходов, которые могут быть соотнесены с психиатрическими феноменами, в частности: сосуществование несовместимых тенденций по типу суперпозиции, обновление состояния или «коллапс» как событие принятия решения/обязательства, холизм по типу запутанности как модель единства/связывания, а также критичность/фазовые переходы как модель резких сдвигов в состоянии сознания.[14, 18, 25]
Во-первых, модели QC рассматривают амбивалентность и перекрывающиеся намерения как центральные мишени, явно используя квантовые формализмы для представления «амбивалентности, перекрывающихся намерений и внезапных изменений перспективы» с такими клиническими примерами, как пограничные пациенты, которые «одновременно желают и боятся» близости.[25] Во-вторых, формулировки Orch-OR неоднократно помещают «коллапс» в центр как порождающее событие для моментов сознания, описывая сознание как последовательности объективных редукций («самоколлапсов»), оркестрованных в микротрубочках, и тем самым рассматривая дискретные редукции как механистический аналог пошаговых моментов опыта.[32]
В-третьих, запутанность привлекается механистическими и квазимеханистическими способами для объяснения единства и связывания: в одном из отчетов о квантовом сознании утверждается, что крупномасштабное сознание требует «единого коллективного запутанного квантового состояния», и предполагается, что единство опыта связано с «объективным эффективным единством квантово-физического субстрата».[14] В-четвертых, в ряде предложений, смежных с Orch-OR, используется язык критичности, описывающий самоорганизованную критичность как масштабно-инвариантный режим степенного закона и рассматривающий события типа коллапса как явления лавины/перехода, происходящие на психофизических временных шкалах (например, «10–200 ms» в некоторых моделях).[18, 33]
Критическая оценка
Во всей этой литературе прослеживается повторяющийся методологический разлом, касающийся того, используются ли квантовые идеи как (а) формальные модели когниции и эффектов контекста или (б) буквальные утверждения о биологически воплощенных неклассических состояниях, которые должны удовлетворять операционным критериям, сопоставимым с лабораторными квантовыми системами.[4] Самое сильное общее предостережение, представленное здесь, заключается в том, что, хотя некоторые результаты интерпретировались как неклассические, «ни одно исследование на сегодняшний день не продемонстрировало запутанность, долгоживущую когерентность или динамику коллапса в нейронной ткани» в соответствии с операционными критериями, сопоставимыми с контролируемыми квантовыми системами, и, таким образом, оценка должна быть сосредоточена на том, превосходят ли предлагаемые модели четко определенные классические альтернативы.[4]
Конкретно для Orch-OR основной открытой эмпирической зависимостью является опора модели на квантовые осцилляции микротрубочек, «запутанные между нейронами по всему мозгу», что описывается как «особенность, которую еще предстоит доказать».[34] Программа, однако, представляет четкие условия фальсифицируемости, связанные с анестезией, заявляя, что неспособность наблюдать квантовую интерференцию микротрубочек (или ее подавление анестетиками) фальсифицирует Orch-OR.[7]
Кроме того, некоторые критические замечания носят внутренний/количественный характер, оспаривая адекватность биологических показателей, используемых для поддержки оценок временных рамок и масштабов Orch-OR, включая утверждения о неверном цитировании при оценке количества tubulin и вытекающие из этого последствия для того, сколько нейронов могло бы участвовать в когерентном событии Orch-OR при заданных допущениях.[19] В отдельном критическом синтезе (сосредоточенном на осуществимости) делается вывод, что Orch-OR «не хватает убедительных экспериментальных доказательств, особенно в отношении связи между квантовыми вычислениями в микротрубочках и нейронной активностью».[35]
Наконец, даже в сочувствующих дискуссиях подчеркивается необходимость теоретической доработки и тестирования конкретных вариантов, акцентируя внимание на том, что Orch-OR «является... работой в процессе» со многими возможными «вариантами», и что исключение одной конкретной реализации модели коллапса может лишь устранить «малый класс» вариантов, не затрагивая все концептуальное предложение в целом.[20]
Будущие направления
Ряд источников сходятся в необходимости создания многомасштабных, проверяемых моделей, которые явно связывают микрофизические гипотезы с измеряемой нейрофизиологией и клиническими феноменами, такими как анестезия и симптомы, релевантные для психопатологии.[5, 34] Недавние разработки в Orch-OR прямо нацелены на это, намечая «квантово-классическую структуру», предназначенную для поддержки «интеграции в проверяемую и прогностическую многомасштабную модель», и предполагая, что квантово-классическая теория может генерировать «корреляционные функции, спектры и термодинамические свойства», сопоставимые с экспериментальными.[34, 36]
В более широкой литературе по квантовой нейробиологии одним из направлений является рассмотрение мозга как высоконелинейной системы, в которой квантовые события микроуровня могут усиливаться вверх; подчеркивается, что «ничтожные флуктуации... не обязательно должны быть истинными», чтобы нивелироваться в «высоконелинейных системах, таких как наш мозг», и что «будущие эксперименты» могут «обнаружить или опровергнуть связь между когерентностью ионных каналов, полевыми потенциалами и... квантовоподобным поведением при принятии решений».[37] Другая программная позиция заключается в том, что прогресс в «квантовой нейробиологии» зависит от прогресса в квантовой биологии в целом, и что многие предлагаемые нейронные квантовые механизмы остаются «в значительной степени теоретическими», что предполагает поэтапный подход, при котором биофизические участки и операционные признаки прогрессивно сужаются и экспериментально ограничиваются.[30]
В клиническом плане ряд авторов прямо предлагает, что модели микротрубочек и цитоскелета могли бы мотивировать вмешательства, направленные на «микротрубочковые и цитоскелетные истоки нейропатологии», включая депрессию, и указывают на такие модальности, как ультразвуковая стимуляция, в качестве правдоподобных трансляционных тестовых случаев, поскольку они экспериментально поддаются анализу и имеют прямое отношение к симптомам и состояниям, центральным для психиатрии.[8, 17]
Сравнение
В таблице ниже резюмируется, как основные подходы различаются в понимании того, что означает «квантовый», и как каждый из них предлагает релевантность для психиатрии.
