一項新的研究探索了大腦中神經元傳遞信息時的量子現象，可能為我們理解大腦功能提供新的見解。

在這項發表于《計算與結構生物技術雜志》的項目中，印度泰戈爾自然科學與哲學中心的理論物理學家帕爾塔·戈斯（Partha Ghose）與英國倫敦大學城市圣喬治學院和美國麻省理工學院米勒實驗室的理論神經科學家迪米特里斯·皮諾齊斯（Dimitris Pinotsis）合作，證明了描述大腦反應的經典物理學方程與描述量子力學的方程在數學上是等價的。隨后，戈斯和皮諾齊斯推導出了一個專門針對神經元的類薛定諤方程。

我們的大腦通過一個包含數百萬神經元的龐大網絡處理信息，每個神經元都可以發送和接收化學和電信號。信息的傳遞依賴于神經沖動，這些沖動通過離子在神經元細胞膜上的流動從一個神經元傳遞到下一個神經元。這會導致跨膜電位差的實驗可檢測變化，稱為“動作電位”或“尖峰”。

當這種電位超過閾值時，脈沖就會被傳遞下去。但在尖峰閾值以下，神經元的動作電位會隨機波動，類似于經典布朗運動——懸浮在流體中的微小粒子的連續隨機運動——這是由于與周圍環境的相互作用。這種波動產生了研究人員在本研究中探討的所謂“神經元噪聲”。

皮諾齊斯表示，此前，“物理學家和神經科學家大多認為標準量子力學與神經元過程無關，因為量子效應被認為在神經元的大尺度上消失了。”但戈斯解釋說，一些研究量子認知的研究者持有與主流觀點不同的看法。

戈斯告訴《物理世界》：“他們認為，量子概率理論比經典概率理論更好地解釋了社會科學中觀察到的某些認知效應。然而，該領域的大多數研究人員將量子形式（描述量子行為的數學框架）視為純粹的數學工具，而不假設量子力學中的任何物理基礎。我發現這種觀點令人困惑且不滿意，促使我探索量子認知的更嚴格基礎——一個可能基于物理的基礎。”

因此，戈斯和皮諾齊斯從美國數學家愛德華·尼爾森（Edward Nelson）的思想出發開始了他們的工作。尼爾森早在1966年利用經典布朗運動推導出了薛定諤方程，該方程通過稱為波函數的概率波預測粒子的位置和運動。

首先，他們證明了描述大腦活動中隨機神經元噪聲的經典布朗運動方程中的變量也遵循量子力學方程，并推導出了單個神經元的類薛定諤方程。該方程通過揭示神經元在特定時刻具有特定膜電位值的概率來描述神經元噪聲。接下來，研究人員展示了廣泛用于模擬神經元動力學的FitzHugh-Nagumo方程如何可以改寫為薛定諤方程。最后，他們在這些類薛定諤方程中引入了一個神經元常數，類似于普朗克常數（定義量子中的能量量）。

皮諾齊斯興奮地說：“當數學證明顯示FitzHugh-Nagumo方程與量子力學和薛定諤方程相關時，我感到非常興奮。這表明量子現象，包括量子糾纏，可能在更大的尺度上仍然存在。”

量子糾纏可能與意識的缺失有關，因此這項研究可能有助于揭示麻醉劑的工作原理。他們的工作可能還將大腦活動記錄中觀察到的振蕩與量子現象聯系起來。這很重要，因為振蕩被認為是疾病的標志：患者和對照組的大腦振蕩方式不同，通過測量這些振蕩，可以判斷一個人是否生病。

展望未來，這項研究可以幫助他們設計關鍵的神經科學實驗來測試他們的理論。測量這項研究中預測的神經元能級，并最終確認神經元常數以及包括糾纏在內的量子效應的存在，將代表人們對大腦功能理解的一大進步。