Sobre la teoría cuántica de la consciencia (de Hameroff y Penrose)

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Axón de una neurona mostrando la red de microtúbulos de su citoesqueleto. | Crédito: Hameroff & Penrose (2014) [1].

La teoría cuántica de la consciencia de Penrose y Hameroff llamada reducción objetiva orquestada (Orch OR) afirma que la computación cuántica en el cerebro explica la consciencia [1]. La comunicación entre neuronas mediante la secreción de neurotransmisores se realiza a través de vesículas sinápticas distribuidas a lo largo de sus axones. El citoesqueleto de las neuronas juega un papel clave en la dinámica de estas vesículas. En los años 1990, Stuart Hameroff, psicólogo en la Universidad de Arizona, Tucson, EEUU, y Roger Penrose, físico matemático en la Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido, propusieron que los microtúbulos, las unidades más pequeñas del citoesqueleto, actuan como canales para la transferencia de información cuántica responsable de la consciencia.

Esta entrada es una traducción realizada por uno de los lectores de este blog (Crul) de mi post “On the quantum theory of consciousness,” Mapping Ignorance, 17 Jun 2015. Gracias, Crul (quien no desea que desvele su nombre y apellidos).

El citoplasma de la célula es como la pista de baile de una discoteca con aforo completo. El citoesqueleto interacciona intensamente con moléculas de agua, metabolitos y proteínas motoras (como las kinesinas). Estas interacciones son estructurales, de señalización, y a veces modifican el propio citoesqueleto. No existe ningún mecanismo conocido que proteja a los microtúbulos (tubos rígidos compuestos de la proteína tubulina) de la decoherencia cuántica, la destrucción inducida por el entorno de la coherencia cuántica, el inevitable acoplo de un sistema cuántico con su entorno. En la computación cuántica es necesaria la coherencia cuántica para usar la superposición de estados cuánticos con objeto de resolver ciertos problemas mucho más rápido que en su homóloga clásica. Sin un mecanismo protector, el papel de la computación cuántica en los microtúbulos en la emergencia de la consciencia me recuerda a la memoria del agua, la propuesta de Benveniste para explicar el mecanismo por el que funcionan los remedios homeopáticos [2].

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Propuesta provisional para la representación de un evento consciente a partir de la computación cuántica en uno de los microtúbulos. | Crédito: Hameroff y Penrose (2014) [1].

Las ideas de Hameroff en las manos de Penrose se han desarrollado hasta casi el absurdo. No hay justificación para incorporar en la teoría Orch OR de la consciencia el esquema de Diósi–Penrose para la reducción objetiva del estado cuántico [3,4]. El papel propuesto para la gravedad en la reducción del estado cuántico (el llamado colapso de la función de onda), mediante la ecuación de Schrödinger-Newton, solo añade ruido a la presentación de la teoría Orch OR, distrayendo de sus aspectos más importantes. Lo siento, pero no discutiré aquí las ideas de Diósi–Penrose explicando las mediciones cuánticas a partir de la inestabilidad en la superposición cuántica debido al desplazamiento de masas grandes.

El consenso científico es que la consciencia emergió como una propiedad de los organismos biológicos durante la evolución. Es una adaptación beneficiosa que confiere una ventaja evolutiva a las especies conscientes. En cambio, la teoría Orch OR afirma que la consciencia es una característica intrínseca de la acción de un universo no computable. Como los humanos comprendemos el concepto de enunciado indemostrable en el sentido de Gödel, el argumento Penrose-Lucas establece que el pensamiento humano debe ser no computable [5]. Sin embargo, el poder computacional de un ordenador cuántico es exactamente el mismo que el de uno clásico, como probó en 1985 el físico David Deutsch de la Universidad de Oxford. Las máquinas de Turing cuánticas (o máquinas de Deutsch) son equivalentes a las máquinas de Turing (clásicas), incluso aunque se puedan resolver eficientemente ciertos problemas NP usando algoritmos cuánticos. En mi opinión, recurrir a la ‘magia’ de la no computabilidad no es el mejor camino para una solución científica al problema de la consciencia.

Los microtúbulos son parte del citoesqueleto de todas las células eucariotas, no obstante la consciencia procede de las células del córtex cerebral. Los microtúbulos son polímeros de 25 nanómetros de diámetro hechos de dímeros de tubulina, compuestos de monómeros alfa y beta en una disposición helicoidal. En 1982, Hameroff y Watt [6] sugirieron que los dímeros de tubulina actúan como dipolos representando bits (clásicos) de información. Los microtúbulos actuarían como matrices de interruptores booleanos bidimensionales en un autómata celular. Versiones previas de la teoría Orch OR proponían una versión cuántica de estas ideas: dímeros de tubulina actuando como qubits (bits cuánticos). Una bonita teoría muerta a manos de la cruel realidad.

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Dipolos helicoidales en ‘posición-5’ ascendente (izquierda) y descendente (derecha) en un microtúbulo. Su superposición cuántica es el qubit propuesto. | Crédito: Hameroff y Penrose (2014) [1].

Los resultados experimentales de Jeffrey R. Reimers et al. [7], y otros [8], ni han demostrado que los microtúbulos pueden mantener estados cuánticos de larga duración, ni prueban el procesado de información cuántica asociado a los dímeros de tubulina como qubits. El conjunto original de ideas de Hameroff y Penrose ha muerto a manos de la Naturaleza. No hay coherencia cuántica en la escala temporal requerida. El movimiento electrónico en los dímeros de tubulina está en el rango de 10 femtosegundos a 30 picosegundos, mientras que la teoría Orch OR necesita coherencia cuántica en la escala de los 25 milisegundos. Sin un sistema de protección ante la decoherencia, similar al encontrado en la fotosíntesis, la computación cuántica en los microtúbulos es inverosímil.

Si tus ideas teóricas son refutadas por los experimentos, don’t worry, be happy, solo tienes que ajustar tu teoría para escapar de dicha evidencia. Hameroff y Penrose confiesan que la versión previa de la teoría Orch OR, publicada entre 1996 y 1998, solo es una versión esquemática, de juguete (toy model), donde los dipolos de tubulina actúan como qubits [9]. En su esfuerzo de perpetuar el modelo Orch OR contra la evidencia empírica, la nueva versión de la teoría de Orch OR [1] como cubits los llamados ‘canales cuánticos’ (caminos helicoidales en los dipolos de la red de microtúbulos). El camino helicoidal, semejante a un ‘cubit topológico’, fue introducido en 2002 en la teoría Orch OR, después de que la estructura de la tubulina fuera caracterizada por cristalografía electrónica. La computación topológica cuántica en el cerebro parece una aproximación muy sugerente al problema de la consciencia. Pero la analogía entre la ‘trenza’ cuántica (quantum braid) propuesta en la computación cuántica topológica en 1997 y los caminos helicoidales de la teoría Orch OR es extremadamente dificil de ver para un físico e informático como yo.

En mi opinión, la nueva versión de la teoría Orch OR, usando como cubits los caminos helicoidales mesoscópicos de varias tubulinas en las redes microtubulares, es incluso más inverosímil que la versión anterior. Afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias. Reimers et al. [6] afirma que la teoría Orch OR no puede ser tomada en serio sin una definición precisa de los estados cuánticos de los cubits, de cómo estos estados se entrelazan y del proceso para conseguir la coherencia cuántica en la escala de tiempo requerida.

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Una hoja 2D de dímeros de tubulina se pliega en un único microtúbulo (arriba). Imágenes STM (abajo) de un solo dímero de tubulina (izquierda) y un microtúbulo (derecha). | Crédito: Satyajit Sahua et al. (2013) [10].

Al igual que la evidencia científica que afirma avalar la homeopatía, Hameroff y Penrose [1] destacan la aparente coherencia cuántica hasta los 100 microsegundos en un único microtúbulo medido a temperatura ambiente por el grupo de investigación de Anirban Bandyopadhyay en el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba, Japón [10, 11]. Afirman que estos resultados suponen la primera validación experimental de la teoría Orch OR. Sin embargo, Bandyopadhyay et al. [12] han medido coherencia cuántica en un nanocable microtubular con y sin agua en su canal. Los cambios en la duración de la coherencia entre ambos casos son tan pequeños que sospecho que son el resultado de algún error sistemático que no se ha tenido en cuenta. Además, las afirmaciones de Hameroff y Penrose [1] destacando que se ha demostrado la coherencia cuántica en un intervalo de tiempo 250 veces más breve que los 25 milisegundos predichos por la teoría Orch OR parece pura numerología. El lector debe recordar que la señal de 25 ms corresponde a las ondas gamma de 40 Hz grabadas en la actividad neuronal usando electroencefalografía durante algunos experimentos de percepción consciente. Debo reconocer que mi opinión es sesgada, pero los resultados del grupo de Bandyopadhyay, aún no replicados de forma independiente, me recuerdan a la memoria del agua de Benveniste.

La validación o refutación definitiva de la teoría de Orch OR debe proceder de la experimentación. La referencia actual (gold standard) en neurociencia es la fMRI (Imágenes por Resonancia Magnética Funcional, por sus siglas en inglés), pero su resolución espacial y temporal no son suficientes. La teoría de Orch OR ha sido criticada repetidamente desde su nacimiento. Hameroff y Penrose admiten que sus microtúbulos neuronales en la frontera entre la neurofisiología y la gravedad cuántica son muy especulativos. Escriben explícitamente que “el mecanismo real subyacente a la producción de la consciencia en un cerebro humano será mucho más sofisticado que cualquiera de los que podamos imaginar en la actualidad, y probablemente diferirá en muchos aspectos importantes de lo que podamos anticipar en nuestras actuales propuestas” [1].

La biología cuántica es un tema candente, pero su rol en la recolección de luz en la fotosíntesis, magnetorrecepción, catálisis enzimática, o incluso mutaciones del ADN, está lejos del que tiene en la teoría Orch OR. Para que sea detallada, comprobable, falsable y presente un enfoque razonablemente riguroso la teoría cuántica de la consciencia necesita una versión nueva y madura. En mi opinión, Orch OR no es un camino prometedor hacia la naturaleza de la consciencia. La vida nace de sistemas “cálidos, húmedos y ruidosos” (warm, wet & noisy). La consciencia es como el gato de Schrödinger de la neurociencia.

Referencias

[1] Stuart R. Hameroff, Roger Penrose, “Consciousness in the universe: A review of the ‘Orch OR’ theory,” Physics of Life Reviews 11: 39-78, 2014, doi:10.1016/j.plrev.2013.08.002.

[2] Elisabeth Davenas et al., “Human basophil degranulation triggered by very dilute antiserum against IgE,” Nature 333: 816-818, 1988, doi: 10.1038/333816a0.

[3] Lajos Diósi, “A universal master equation for the gravitational violation of the quantum mechanics,” Physics Letters A 120: 377-381, 1987, doi: 10.1016/0375-9601(87)90681-5.

[4] Roger Penrose, “On Gravity’s role in Quantum State Reduction,” General Relativity and Gravitation 28: 581-600, 1996, doi: 10.1007/BF02105068.

[5] Roger Penrose, “The Emperor’s New Mind: Concerning Computers, Minds and The Laws of Physics,” Oxford University Press, 1989, ISBN 0-19-851973-7.

[6] Stuart R. Hameroff, Richard C. Watt, “Information processing in microtubules,” Journal of Theoretical Biology 98: 549-561, 1982, doi: 10.1016/0022-5193(82)90137-0.

[7] Jeffrey R. Reimers et al., “The revised Penrose–Hameroff orchestrated objective-reduction proposal for human consciousness is not scientifically justified: Comment on “Consciousness in the universe: A review of the ‘Orch OR’ theory” by Hameroff and Penrose,” Physics of Life Reviews11: 101–103, 2014, doi:10.1016/j.plrev.2013.11.003.

[8] L. K. McKemmish et al., “Penrose–Hameroff orchestrated objective-reduction proposal for human consciousness is not biologically feasible,” Physical Review E 80: 021912, 2009, doi: 10.1103/PhysRevE.80.021912.

[9] Stuart Hameroff, Roger Penrose, “Reply to criticism of the ‘Orch OR qubit’ – ‘Orchestrated objective reduction’ is scientifically justified,” Physics of Life Reviews11: 104–112, 2014, doi:10.1016/j.plrev.2013.11.014.

[10] Satyajit Sahua et al., “Atomic water channel controlling remarkable properties of a single brain microtubule: Correlating single protein to its supramolecular assembly,” Biosensors and Bioelectronics 47: 141–148, 2013, doi: 10.1016/j.bios.2013.02.050.

[11] Satyajit Sahua et al., “Multi-level memory-switching properties of a single brain microtubule,” Applied Physics Letters 102: 123701, 2013, doi: 10.1063/1.4793995.

[12] Subrata Ghosh, Satyajit Sahua, Anirban Bandyopadhyay, “Evidence of massive global synchronization and the consciousness: Comment on “Consciousness in the universe: A review of the ‘Orch OR’ theory” by Hameroff and Penrose,” Physics of Life Reviews11: 83-84, 2014, doi:10.1016/j.plrev.2013.10.007.


11 Comentarios

Pedro Mascarós Gil

Olé y olé. Más claro el agua.

Incluso la afirmación “Como los humanos comprendemos el concepto de enunciado indemostrable en el sentido de Gödel […] el pensamiento humano debe ser no computable” es totalmente discutible; aun queda mucho trabajo por delante.

Ni siquiera un gigante como Penrose está a salvo de las traiciones del corazón; se mueve en este ambiente con las vísceras por delante… pero no olvidemos cuantas veces ha ido contracorriente (creo que es lo que más le gusta), cuantas veces parecían disparates… y después ha tenido razón…

Sebastián Bouzat

Bueno, esta afirmación, así como está “Como los humanos comprendemos el concepto de enunciado indemostrable en el sentido de Gödel…” no es de Penrose sino del autor de la nota. Penrose tiene algo más poderoso: una demostración matemática -discutible- de que ciertos razonamientos matemáticos que hacemos los humanos no son computables, y de allí deduce que la conciencia no es computable. Me parece muy importante que se discuta la validez o no de esta demostración. Que de ser correcta y pertinente implicaría que la conciencia no es un proceso emergente de la interacción de neuronas sino algo más complicado. Si se refuta la demostración, creo que ya no habrá que hablar de los microtúbulos, pero si no se la puede refutar, en algún lugar habrá que buscar a la conciencia.

wachovskywachovsky

Si bien era muy jóven y no estaba tan errado en la existencia de tal entidad, Penrose se empecinó con los twistores y no logró explicar la gravedad cuántica desde allí, otros tantos pensaron que tendríamos una teoría consistente de todo para los años ’80 y no nos fue posible. Hasta 2022 y con la plena unificación electrodébil y premios a Weinberg, luego demandarían tres decenios más unificar GUT electronuclearfuerte. Si apenas entendemos eficiencia en fotosíntesis como fenómeno cuántico para generar oxígeno y glucosa, no podemos entender la conciencia y la generación de lenguaje, grafos, álgebras y lógicas de la mente que no operamos cual electrotécnico de avanzada cuando se opera sola y lo interconecta todo en nosotros desde recuerdos y pasando por inferencias a razonamientos demostrables y bella teorías, todavía no hacemos la biología y ella nos hace a nosotros.

Crul

Sobre el tema de la conciencia, aunque más bien off-topic para este blog, leí ayer Homing in on Consciousness in the Nervous System: An Action-Based Synthesis (vía menéame).

Es un planteamiento tan alejado de la teoría Orch OR que ni siquiera puedo decir que sean opuestos. La gente de la Universidad de San Francisco no plantean una explicación del mecanismo de la conciencia, lo que proponen es un marco conceptual difente al tradicional. Lo interesante (para mí) surge de la pregunta sobre la ventaja evolutiva de la consciencia y la funcionalidad que aporta a la mente. Intentando resumirlo mucho: la consciencia sería solo un mediador (comunica pero no decide) entre los diferentes sistemas sensoriales y el aparato motor. Además de conectar los diferentes sistemas, traduce las señales particulares de cada uno de esos sistemas a un código común (relacionado con la predicción de las acciones propuestas por cada sistema, pero estos procesos son inconscientes, no son parte de la consciencia) que permita comparar cada impulso y elegir uno ganador que será el que se ejecute. Hacen la analogía con un traductor en unas negociaciones de paz (es necesario para el acuerdo, pero no es su responsabilidad el resultado).

Respecto al libre albedrío, no lo eliminan por completo, pero queda reducido a poco más que un posible veto a los impulsos más instintivos y sobre el que tenemos una percepción muy poco realista (nunca podemos estar seguros de haber tomado una decisión conscientemente). Tal y como lo he entendido yo, la consciencia sólo es un espectador en medio de una obra de teatro que como mucho puede hacer callar a algún actor a veces, pero no puede cambiar el guión.

Saludos.

Aprovecho también para agradecerte las correcciones, he revisado las correcciones y veo que se me habían colado algunas faltas y errores tipográficos, además de los errores originados por mi limitado conocimiento, más bien próximo a la ignorancia. Ahora entiendo mejor algunas de las partes más técnicas, y he aprendido un poco más de inglés.

AngelAngel

Interesante. ¿Cómo son ahora las cosas? La investigación ya respalda los procesos cuánticos en los microtúbulos.
Creo que menosprecias mucho la propuesta de Roger de forma errada, ¿sus consideraciones son las más acercadas hasta ahora a la explicación de la conciencia?

Francisco R. Villatoro

Angel, no ha cambiado nada respecto a los procesos cuánticos en los microtúbulos (aún no hay evidencia científica de su existencia). No menosprecio el trabajo de Penrose (aunque ya se sabe que sus ideas sobre el colapso de la función de onda mediadas por la gravedad son incorrectas); pero puedes acusarme de menospreciar el trabajo de un anestesista metido a físico cuántico, pues lo hago y lo reconozco (ser amigo de Penrose no le convierte a uno en físico cuántico).

JavierJavier

Ser anestesista no lo hace menos inteligente…

Francisco R. Villatoro

Javier, ¿estudian los anestesistas física cuántica, química cuántica, computación cuántica, …? Recuerda que fue Hameroff quien propuso los microtúbulos a Penrose, quien aceptó que no sabía nada sobre ellos, así que por qué no.

Raul PozasRaul Pozas

1. La interpretación de ciertos resultados matemáticos es errónea ver minuto 30:26 https://www.youtube.com/watch?v=LGSTm4oMT5g
2. Las neuronas tienen capacidad de neutralizar impulsos más fuertes que los supuestos (que no demostrados) efectos cuánticos de la tubulina.
3. Y por si fuera poco, los medicamentos que atacan a la tubulina no han mostrado alterar el funcionamiento de las sinapsis neuronales.

Maxi RomeroMaxi Romero

Muy buen artículo. Parece muy ingenuo -incluso hasta gracioso- de parte de Hameroff que para sustentar sus ideas recurra, al mismo tiempo, a la no computabilidad y la computación cuántica, porque Deutsch ha probado la equivalencia entre la máquina de Turing clásica y la clásica. Finalmente, tengo dos preguntas: 1)El experimento de Bandyopadhyay fue replicado?, porque ya va ser como 5 años que se publicó. 2)¿los efectos cuánticos en los casos de la fotosíntesis, magnetorrecepción, sentido del olfato y mutaciones del ADN cuánto llegarían a durar?, porque Hameroff en su artículo señala que la posible existencia de efectos cuánticos en estos otros procesos biológicos apoya su “teoría” (sin embargo, tengo entendido que el tiempo del transporte en la fotosíntesis está en el orden de los femtosegundos, y este tiempo es extremadamente menor que lo que se necesita en la conciencia).

Francisco R. Villatoro

Maxi, no, no ha sido replicado (salvo por el propio Bandypopadhyay). Las escalas de tiempo típicas asociadas a la coherencia cuántica en sistemas vivos son menores de picosegundos (y como bien dices en la mayoría de los experimentos en la escala de los femtosegundos); solo gente como Bandypopadhyay afirma observarla a escalas por encima de los nanosegundos.

Por cierto, Bandypopadhyay afirma cosas como que “the so-clled safe mobile communications across the globe are not safe anymore. (…) Even a linguistic conversation using sound can affect a molecular scale phenomenon” [fuente]. Y cosas aún peores sobre cómo curar el cáncer y el Alzheimer, o sobre cómo funciona nuestro cerebro como “cristal de tiempo”. Ya metido en el fango, se ha hundido hasta la coronilla.