大脑中的量子光纤增强处理能力可以预防退行性疾病

量子力学的效应——适用于极小尺度的物理定律——对扰动极其敏感。这就是为什么量子计算机必须保持在比外太空更低的温度下，并且只有非常非常小的物体，例如原子和分子，通常才会表现出量子特性。

按照量子标准，生物系统是一个相当恶劣的环境：它们温暖而混乱，甚至它们的基本组成部分(例如细胞)也被认为非常大。

但一组理论和实验研究人员在生物学中发现了一种明显的量子效应，它能够在这些困难的条件下生存下来，并且还可能为大脑提供一种保护自己免受阿尔茨海默氏症等退行性疾病侵害的方法。

该结果发表在《物理化学杂志B》上，不仅是神经科学的重要发现，也为量子计算研究人员提出了新的技术应用，代表了一种思考生命与量子力学之间关系的新方式。

“我相信我们的工作是量子生物学的一次巨大飞跃，使我们超越光合作用并进入其他探索领域：研究量子信息处理的影响，并发现复杂疾病的新治疗方法，”菲利普·库里安博士说。华盛顿特区霍华德大学量子生物学实验室的首席研究员和创始主任。

单光子超辐射

这项研究的明星是色氨酸：一种与火鸡晚餐最相关的分子，但也存在于许多生物环境中。作为一种氨基酸，它是蛋白质和由这些蛋白质制成的较大结构(如纤毛、鞭毛和中心粒)的基本组成部分。

色氨酸的单独分子表现出相当标准的量子特性：它可以吸收特定频率的光粒子(称为光子)，并以不同的频率发射另一个光子。这个过程称为荧光，经常用于研究蛋白质反应。

但研究发现，当许多色氨酸分子排列成对称网络时，就会发生奇怪的事情，就像它们处于中心粒等更大的结构中一样，它们发出的荧光比独立发出荧光时更强、更快。这种集体行为被称为“超辐射”，由于量子力学，它只发生在单光子上。

这一结果证明了量子效应通常不会存在的地方的基本量子效应：温暖、“嘈杂”环境中的较大物体。

库里安说：“这份出版物是十年来工作的成果，我们认为这些网络是细胞水平上重要量子效应的关键驱动因素。”

“这是一个美妙的结果，”领导该实验团队的瑞士洛桑瑞士联邦理工学院(EPFL)教授MajedChergui说道。“它需要非常精确和仔细地应用标准蛋白质光谱方法，但在我们合作者的理论预测的指导下，我们能够在微米级生物系统中确认超辐射的惊人特征。”

神经元

这些大型色氨酸网络存在于神经元中，神经元是构成哺乳动物神经系统的细胞。纤维状神经元束中量子超辐射的存在具有两大潜在意义：预防退行性疾病，以及大脑中量子信号的传输。

像阿尔茨海默病这样的退行性脑部疾病与高度氧化应激有关——当身体携带大量自由基时，自由基会释放出具有破坏性的高能紫外线粒子。

色氨酸可以吸收这种紫外线，并以更低、更安全的能量重新发射它。而且，正如这项研究发现的那样，由于其强大的量子效应，非常大的色氨酸网络可以更有效、更稳健地做到这一点。

库里安说：“这种光保护可能对改善或阻止退行性疾病的进展至关重要。”“我们希望这将激发一系列新的实验，以了解量子增强的光保护如何在高度氧化条件下生长的复杂病理中发挥作用。”

大脑中超辐射的第二个含义与神经元如何传递信号有关。神经元信号传导的标准模型涉及离子穿过膜从神经元的一端移动到另一端，这是一个化学过程，每个信号需要几毫秒。但神经科学研究人员最近才意识到这并不是故事的全部。

大脑中的超辐射发生在不到皮秒(十亿分之一毫秒)的时间内。这些色氨酸网络可以充当量子光纤，使大脑处理信息的速度比单独的化学过程快数亿倍。

“库里安小组和同事丰富了我们对量子水平上生物学信息流的理解，”塔夫茨再生和发育生物学中心主任迈克尔·莱文(MichaelLevin)说，他没有参与这项工作。

“这种量子光学网络不仅在神经系统中广泛存在，而且广泛存在于整个生命网络中。这种信号和信息处理模式的显着特性可能与进化、物理和计算生物学密切相关。”

量子信息

这项工作的理论方面引起了量子技术研究人员的注意，因为脆弱的量子效应在“混乱”的环境中的生存对于那些希望使量子信息技术更具弹性的人非常感兴趣。库里安说，他与几位量子技术研究人员进行了交谈，他们惊讶地发现生物科学中存在这种联系。

尼科洛·德费努教授说：“这些新结果将引起开放量子系统和量子计算领域广大研究人员的兴趣，因为这项研究中使用的理论方法被广泛应用于这些领域，以理解噪声环境中的复杂量子网络。”瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)的量子研究员，与这项工作无关。

“看到量子计算和生命系统之间的重要联系真的很有趣。”

这项工作还引起了量子物理学家MarlanScully的注意，他是量子光学领域的激光先驱，也是超辐射领域的领先专家之一。

“单光子超辐射有望产生用于存储量子信息的新工具，这项工作在全新的不同背景下展示了它的效果，”斯卡利说。“我们肯定会在未来几年仔细研究量子效应对生命系统的影响。”