Идеолог квантового сознания обнаружил носители памяти

Один из основателей квантовой теории сознания, Стюарт Хамерофф, в своей новой работе заявил, что ему удалось найти носители человеческой памяти – ими оказались микротрубочки нейронов. Хамерофф стал известен после того, как совместно с выдающимся математиком Роджером Пенроузом выдвинул теорию мышления, согласно которой человеческий разум имеет квантовую природу.

Хамерофф так прокомментировал свои результаты: «Многие нейробиологические публикации заканчиваются утверждением о том, что они могут помочь в понимании работы мозга и лечении болезни Альцгеймера, мозговых травм и различных неврологических и психиатрических отклонений. Данная работа действительно сможет это сделать. Мы сможем взглянуть на биомолекулярный код памяти мозга.» Чтобы понять степень обоснованности подобных заявлений, необходимо пояснить несколько вещей, касающихся как самого Хамероффа, так и его теории.

Анестезиолог

Стюарт Хамерофф не совсем типичный биолог, и дело тут не в его оригинальной внешности – порой он напоминает то буддийского гуру, то Джона Лока из сериала Lost. В академическую науку он пришел из практической медицины, на что решаются немногие из хорошо оплачиваемых американских докторов. Впрочем, с анестезиологией он не порвал и до сих пор успешно совмещает оба занятия в Аризонском университете, что позволяет ему не заботиться о получении грантов. От простых американских анестезиологов его отличает давний и глубокий интерес к двум вещам: к природе человеческого сознания и к микротрубочкам. Именно благодаря этим интересам о нем заговорил нейробиологический мир.

Стюарт Хамерофф делает
транскраниальное УЗИ.
Фото с личного сайта Хамероффа.

«Во время летнего факультатива в онкологической лаборатории я увидел, как микротрубочки растаскивают хромосомы в делящихся клетках. Меня страстно заинтересовало, даже загипнотизировало, как эти маленькие устройства узнают, куда направляться и что делать – в чем была их разумность и что управляло этим шоу на цитоплазматическом уровне?» – рассказывал Хамерофф в одном из своих интервью.

Микротрубочки известны как основной компонент цитоскелета. Это арматура, структурные элементы, которые позволяют клеткам животных поддерживать свою форму, а не превращаться в круглую каплю цитоплазмы. Состоят они всего из двух очень похожих белков – альфа- и бета-тубулинов, которые полимеризуются в длинные полые трубки. Во время деления микротрубочки присоединяются к каждой отдельной хромосоме и растаскивают их в дочерние клетки. Кроме того, они могут работать своеобразными магистралями, по которым проходят грузы из одного конца клетки в другой. В аксонах и дендритах нервных клеток, где микротрубочек очень много, именно по ним, как по рельсам, происходит транспорт расходующихся медиаторов к синапсам.

Микротрубочки давно заняли свое место в учебниках биологии и редко привлекали внимание тех, кто занимается памятью и другой высшей нервной деятельностью. Но Хамерофф оказался поглощен именно ими. Когда он обнаружил, что некоторые анестетики влияют на структуру микротрубочек, то решил, что именно этим и объясняется потеря сознания при наркозе (позже выяснилось, что так действуют далеко не все анестетики, но для Стюарта это ничего не меняло). В 1987 году он написал книгу под названием Ultimate Computing, в которой высказал крайне неожиданное предположение о том, что микротрубочки, помимо своей традиционной функции, могут быть аппаратами вычисления и интегрирования информации в мозге. Он назвал их вычислительными автоматами. Функции, приписываемые нейронам, нужно было, по мнению Стюарта, искать на субклеточном уровне. Как именно микротрубочки «вычисляют», Хамероффу было не вполне понятно до тех пор, пока он не познакомился с нашумевшей книгой своего будущего коллеги, знаменитого математика Роджера Пенроуза «Новый Ум Короля».

Математик

Роджер Пенроуз на полу,
выложенном непериодичной мозаикой
его изобретения, в фойе Техасского университета.
Фото Wikipedia/Solarflare100

К моменту выхода своей неоднозначной книги Пенроуз, вернее сэр Роджер Пенроуз (в 1994 году за выдающиеся заслуги в развитии науки ему был присвоен рыцарский титул) был одним из самых известных математиков. На его счету было создание теории твисторов, спиновых сетей, гипотеза «космической цензуры» и многие другие работы как по чистой математике, так и по теории относительности и квантовой гравитации. Над теорией квантовой гравитации он работал совместно со Стивеном Хокингом. Самую широкую известность среди его чисто математических работ получили непериодические мозаики, или «цыплята Пенроуза», – фигуры, которые могут полностью заполнить плоскость неповторяющимся узором. К концу восьмидесятых признанный ученый, вооружившись математическими знаниями, обратился к давно интересовавшей его проблеме человеческого сознания и написал популярную книгу, которая сделала его знаменитым среди людей, совершенно не интересующихся математикой, и возбудила шквал дискуссий.

В «Новом Уме Короля» Пенроуз попытался с позиции математической логики доказать, что современные представления о работе мозга требуют кардинального пересмотра. Вкратце его рассуждения можно описать следующим образом. Люди, изучающие искусственный интеллект, часто рассматривают мозг как вычислительную машину, некоторые из них даже считают, что в будущем вычислительные машины смогут превзойти по разумности человека.

Пенроуз не верил в истинность подобных заявлений и противопоставил им теорему Гёделя о неполноте. Сильно упрощая, можно сказать, что она утверждает, что всякая формальная система, например компьютер, в некотором смысле неполноценна, то есть не может осознать все высказывания, которые сама же может сформулировать.

Исходя из этого, Пенроуз решил, что искусственный интеллект, если он работает как программа, не сможет ничего «понять» так, как это делает человек.

«На мой взгляд, аргумент Гёделя говорит нам, что мы не просто вычислительные машины; что наше понимание – это нечто вне вычислений. Он не говорит нам, что это нечто нематериальное, однако есть важная вещь, которую мы упускаем, которая имеет отношение к квантовой механике.» – утверждал Пенроуз в интервью Сьюзан Блэкмор.

Раз человек мыслит иначе, чем компьютер, следовательно, человеческому сознанию присущ некий компонент, который, по мнению Пенроуза, должен обладать квантовыми свойствами. Математик не стал утверждать, в каких структурах он присутствует.

Квантовая теория сознания

Немногие ученые, привыкшие к старым добрым нейронам и синапсам, приняли гипотезу Пенроуза серьезно. Однако среди них оказался Стюарт Хамерофф. Он убедил Пенроуза, что носителем квантовых свойств должны быть микротрубочки. По мнению Хамероффа, упорядоченная и протяженная структура микротрубочек наделяет их способностью сохранять квантовые состояния длительное время. Фактически, по предположению ученых, эти компоненты цитоскелета (которые, вообще-то есть в каждой клетке организма) в нейронах мозга работают, ни больше ни меньше, квантовыми компьютерами.

Последующие годы Хамерофф и Пенроуз посвятили разработке совместной «Нейрокомпьютерной модели сознания Orch OR». Каждый из них написал по новой книге на эту тему. Была организована междисциплинарная конференция «На пути к науке о сознании» в Тусоне (Аризона), на которой выступали философы, физики, нейробиологи и математики. К чести организаторов, среди выступающих было много их ярых критиков. Даже скептики признавали важность этой конференции для всей области исследований сознания. Сторонники квантового сознания опубликовали большое количество статей, в том числе и в рецензируемых биологических журналах. С момента выхода «Нового Ума Короля» Пенроуз написал еще несколько книг, касающихся, наряду с квантовым сознанием, и других физических теорий. В отличие от Хамерофа, Пенроуз никогда не настаивал на микротрубочках, как на единственном кандидате в квантовые компьютеры мозга.

Стюарт, напротив, неоднократно пытался показать, что именно микротрубочки должны играть в мозге совершенно особую роль, если и не в формировании сознания, то в чем-то еще. Чтобы добыть этому разнообразные экспериментальные подтверждения, он привлекал к совместной работе других соавторов. В своей последней статье он, совместно с Джеком Тыжинским и его аспирантом Тревисом Креддоком, обратился к проблеме памяти.

Фермент памяти

В работе утверждается, что именно микротрубочки могут быть ее главным хранилищем в нейронах. Статья прошла рецензирование коллегами и была опубликована 8 марта 2012 года в достаточно авторитетном журнале PLoS Computational Science.

Модель взаимодействия фермента
CaMKII с микротрубочкой. Изображение
из статьи авторов.

Исследователи обратились к тем процессам, которые происходят в нейронах после активации и должны быть как-то связаны с запоминанием. Известно, что во время разряда в нейрон поступают ионы кальция, которые могут активировать кальций-зависимые ферменты.

Авторы, используя известные кусочки структуры, создали компьютерную модель комплекса CaMKII. Это содержащийся в нейронах кальций-зависимый фермент, способный модифицировать различные белки путем навешивания на них фосфатных меток. Такая модификация часто меняет структуру белка или его взаимодействие с партнерами, поэтому часто используется клетками при передаче сигналов от белка к белку в сигнальных каскадах.

Полученная структурная модель фермента напоминала шестилучевую снежинку, каждый из лучей которой несет активный центр, умеющий навешивать фосфатные метки. Получив модель CaMKII, исследователи сопоставили ее со структурой микротрубочек и решили, что фермент отлично подходит для их мечения. На поверхности микротрубочки комплекс располагается так, что может пометить кластер из шести близлежащих белков-тубулинов. Поскольку каждый белок может находится в меченой или исходной форме, авторы статьи посчитали, что этим кодируется один бит информации. Кластер из шести белков, по их словам, в таком случае является «байтом». Исследователи даже подсчитали, сколько кодируется информации и сколько расходуется энергии при единичном взаимодействии CaMKII и микротрубочки. Полученные цифры говорили об очень хорошей энергетической эффективности и информационной емкости, гораздо большей, чем та, которую нейробиологи приписывают синапсам. Как именно информация, закодированная в виде фосфорилирования микротрубочек, может подниматься с субклеточного уровня на уровень нейронов и, в конечном счете, превращаться в воспоминания, авторы в статье подробно не объяснили. Они предполагают, что фосфорилирование может влиять на транспорт по микротрубочкам, распространяться волнами по нейрону, влиять на рост дендритов и так далее.

Здоровый скептицизм

Сложно сказать, воспримет ли научное сообщество серьезно последнюю работу Хамероффа и коллег. Статья опубликована в достаточно авторитетном журнале, а значит должна была пройти хотя бы минимальное рецензирование коллегами-учеными. Тем не менее, большинство нейробиологов очень критически относятся к идеям Хамероффа и Пенроуза.

Их совместное детище – гипотезу квантового сознания, коллеги критиковали и в статьях в Science, и на научных конференциях, и (особенно яростно) на их собственных лекциях. Аргументы противников варьировали от подробного обоснования невозможности влияния квантовых эффектов на макроскопические процессы в мозгу, до утверждений о том, что Хамерофф с Пенроузом пытаются одну загадочную вещь – сознание – объяснить с помощью другой загадочной вещи – квантовой теории. Но необходимо понимать, что эта критика касалась только той части их совместной теории, которая говорит о сознании. Современная нейробиология пока действительно очень мало знает о его природе.

В последней работе Хамерофф, уже без поддержки Пенроуза, ступил на гораздо более исследованную учеными территорию, касающуюся механизмов памяти. Здесь в последнее время происходит беспрецедентное продвижение исследований. Нейробиологи открывают принципы работы генов, важных для запоминания, их взаимодействие, роль синтеза белков и некодирующих РНК в этом процессе. Некоторые исследователи даже предлагают способы стирать нежелательные воспоминания, основанные на специфическом ингибировании образования важных для памяти белков (подробно про это можно почитать, например, здесь). В общем, область перешла в фазу взрывного роста.

Почему-то кажется, что на этот раз «революционная» работа в сфере, где уже так много надежных экспериментальных данных, не вызовет такой же бури обсуждений, как это было с первой книгой Пенроуза. Скорее всего, ее просто проигнорируют.

Автор: Александр Ершов