Tiré du numéro de janvier 2021 de Physics World où il est apparu sous le titre « La lumière de l’esprit ». Les membres de l’Institut de physique peuvent profiter du numéro complet via l’ application Physics World .
Le rôle des biophotons dans le cerveau est un domaine de recherche en pleine croissance en neurobiologie – et là où il y a des photons, il pourrait y avoir de la mécanique quantique. Betony Adams et Francesco Petruccione explorent ce domaine en développement et controversé de la biophysique quantique
La lumière de l’esprit est bleue, a écrit la poétesse Sylvia Plath (« La lune et l’if » 1961). Mais il semble qu’il puisse en fait être rouge.
En effet, des recherches récentes suggèrent un lien entre l’intelligence et la fréquence des biophotons dans le cerveau des animaux. En 2016, Zhuo Wang et ses collègues de la South-Central University for Nationalities en Chine ont étudié des tranches de cerveau de divers animaux (ouaouaron, souris, poulet, cochon, singe et humain) qui avaient été excités par le glutamate, un neurotransmetteur excitateur. Ils ont découvert que l’augmentation de l’intelligence était associée à un déplacement de la fréquence du biophoton vers l’extrémité rouge du spectre ( PNAS 113 8753 ).
Certes, on ne sait pas quelle est réellement la mesure de l’intelligence, et l’étude a suscité des critiques pour son manque de mécanisme explicatif; corrélation, comme le dit le mantra, ne signifie pas causalité. Cependant, le rôle des biophotons – des photons ultra-faibles spontanés du proche ultraviolet au proche infrarouge dans les systèmes biologiques – est un domaine de recherche en pleine croissance en neurobiologie.
La lumière a une telle résonance symbolique pour l’humanité. Il figure dans l’art, la religion, la littérature et même dans la façon dont nous parlons de la connaissance – nous parlons de « l’illumination » et de « voir la lumière », par exemple. Il semble donc approprié qu’il puisse également jouer un rôle physiologique. La manière dont la lumière est impliquée dans les processus de signalisation qui constituent le système nerveux central et sa propriété émergente, la conscience, n’est toujours pas claire. Mais inévitablement, là où il y a des photons, il pourrait y avoir de la mécanique quantique.
Les photons, après tout, sont inextricablement liés à la naissance de la mécanique quantique : le prix Nobel d’Albert Einstein en 1921 n’a pas été décerné pour la relativité ou d’autres découvertes, mais pour son explication de l’effet photoélectrique. Il a émis l’hypothèse que la lumière, qui était conventionnellement acceptée comme se comportant comme une onde continue, pourrait également être considérée comme se propageant dans des paquets discrets, ou quanta, que nous appelons photons. Ceci, avec la compréhension de Max Planck du rayonnement du corps noir, le nouveau modèle d’atome de Niels Bohr, les recherches d’Arthur Compton sur les rayons X et la suggestion de Louis de Broglie selon laquelle la matière a des propriétés ondulatoires, a inauguré l’ère quantique.
Effets quantiques dans le cerveau
Alors que l’étrangeté de la théorie quantique s’est prêtée à certaines interprétations pseudoscientifiques inutiles de la conscience, les scientifiques ont résisté à l’association des deux. Ce n’est pas parce que les deux sujets sont difficiles à comprendre qu’ils s’informent nécessairement l’un l’autre. Malgré cela, la première théorie détaillée de la conscience quantique a émergé dans les années 1990 du physicien Roger Penrose , lauréat du prix Nobel, de l’Université d’Oxford et de l’anesthésiste Stuart Hameroff de l’Université d’Arizona ( Mathematics and Computers in Simulation 40 453 ). Leur théorie de la «réduction objective orchestrée» (ORch OR) a subi un certain nombre de révisions depuis sa création ( Physics of Life Reviews 11 39 ), mais en général, il postule que les calculs quantiques dans les structures cellulaires appelées microtubules ont un effet sur le déclenchement des neurones et, par extension, sur la conscience.
La théorie a suscité un certain nombre de critiques, mais les plus accablantes découlaient peut-être des principes fondamentaux de la théorie quantique. Un système quantique – qui pourrait se référer par exemple à la dynamique d’un photon – est une chose délicate. Classiquement, les effets quantiques sont observés à basse température où ce système est isolé des interactions destructrices avec son environnement environnant. Cela semblerait exempter les effets quantiques de jouer un rôle dans le désordre et le remue-ménage des systèmes vivants. Les systèmes biologiques, comme le cerveau, fonctionnent à des températures physiologiques et sont inévitablement liés à leur environnement. Comme l’a calculé le physicien Max Tegmark de l’Université de Princeton en 2000, les effets quantiques ne survivraient pas assez longtemps pour avoir une influence sur les vitesses beaucoup plus lentes auxquelles les neurones se déclenchent (Phys. Rév. E 61 4194 ).
Cependant, cette objection a été dans une certaine mesure atténuée par les recherches effectuées dans le domaine plus large de la biologie quantique. L’application de la théorie quantique dans un contexte biologique a eu le plus de succès en ce qui concerne la photosynthèse, mais les recherches sur la boussole aviaire, l’olfaction, les enzymes et même l’ADN suggèrent également que les effets quantiques pourraient être impliqués plus généralement dans le fonctionnement des organismes biologiques.
Dans un sens trivial, toute la biologie est de la mécanique quantique, tout comme toute la matière est de la mécanique quantique – elle est composée d’atomes et donc soumise aux lois physiques de la structure atomique formalisées pour la première fois par Bohr au début du 20e siècle. La biologie quantique, cependant, se concentre sur les effets quantiques clés – ces phénomènes quantiques qui semblent défier notre imagination classique, tels que les états de superposition, la cohérence, l’effet tunnel et l’intrication (voir l’encadré « Phénomènes quantiques » ).
Si cela est le quoi des effets quantiques dans le cerveau, le où est plus direct. Le cerveau est constitué de cellules nerveuses – des cellules allongées constituées d’un corps cellulaire, de dendrites et d’axones (figure 1). En termes simples, les informations sont transmises vers et depuis le cerveau par l’activation ou non des neurones, un processus déterminé par le potentiel électrochimique d’une cellule nerveuse. Ce potentiel dépend de la propagation des ions chargés à travers la membrane cellulaire, rendant chaque côté de la membrane plus ou moins positif. Pour qu’un nerf se déclenche, son potentiel de repos doit être augmenté jusqu’au potentiel de seuil requis. Comment ce signal passe ensuite d’une cellule à l’autre est encore un sujet de débat, mais la théorie acceptée est que cette communication neuronale est gérée par des produits chimiques connus sous le nom de neurotransmetteurs libérés dans la fente synaptique, qui se lient ensuite aux récepteurs de la cellule nerveuse suivante. ,
États modifiés de conscience
Quelle meilleure façon d’étudier la conscience qu’en la regardant dans des états altérés – en particulier les produits chimiques qui y parviennent, comme les anesthésiques généraux. « La seule chose dont nous sommes sûrs à propos de la conscience, c’est qu’elle est soluble dans le chloroforme », a déclaré le biologiste quantique Luca Turin du Centre de recherche biomédicale Alexander Fleming en Grèce en 2014 ( EMBO Reports 15 1113). Turin a noté que les produits chimiques dotés de capacités anesthésiques ont des propriétés chimiques et structurelles très différentes les unes des autres, ce qui l’a amené à se concentrer sur la physique similaire que ces substances pourraient partager. Les anesthésiques peuvent se lier à diverses protéines cytoplasmiques et membranaires. Il a proposé que les anesthésiques facilitent les courants d’électrons dans ces protéines et que cela pourrait être démontré en examinant les changements de spin quantique, où le spin décrit les propriétés magnétiques des particules quantiques telles que les électrons. Ce qu’il a découvert, c’est que sous l’influence du xénon, le plus simple de tous les anesthésiques, les mouches des fruits ont montré une augmentation du spin électronique mesuré par l’utilisation de la résonance de spin électronique (bien que l’origine du signal soit encore discutable).
L’implication des anesthésiques dans les propriétés électroniques des systèmes biologiques n’est pas une théorie complètement nouvelle, ayant été décrite par Hameroff en plus d’Orch OR. Ce qui est nouveau, ce sont les progrès réalisés dans la compréhension de la manière dont les effets quantiques pourraient contribuer aux processus de transfert électronique dans les systèmes biologiques. Dans la photosynthèse, il existe des preuves que le mouvement de l’énergie à travers les structures qui constituent le réseau photosynthétique exploite des effets quantiques tels que la cohérence (voir l’article d’avril 2018 « La photosynthèse est-elle quantique ? »« ). Concrètement, les structures qui semblent permettre ce transfert cohérent sont les chromophores, les parties d’une molécule qui lui donnent sa couleur. La recherche suggère qu’au lieu de se déplacer entre les niveaux d’énergie discrets d’un arrangement de chromophores, l’énergie peut être répartie ou délocalisée sur plus d’un chromophore à la fois.
Ce qui est intéressant dans le contexte de la conscience quantique, c’est que les cellules nerveuses contiennent des structures telles que des microtubules et des mitochondries qui pourraient soutenir un transfert d’énergie cohérent d’une manière similaire à celle de la photosynthèse. Les microtubules font partie du cytosquelette des cellules eucaryotes (celles avec un noyau enfermé dans une enveloppe, présentes chez les plantes et les animaux) et de certaines cellules procaryotes (celles sans enveloppe du noyau, dont sont constituées les archées et les bactéries). Ils fournissent forme et structure et jouent un rôle déterminant dans la division cellulaire ainsi que dans le mouvement des protéines motrices. Ils sont constitués de polymères de protéines de tubuline et à l’intérieur de ceux-ci se trouvent des chromophores similaires à ceux trouvés dans les réseaux photosynthétiques. Les chromophores se trouvent également dans les mitochondries, les centrales électriques de la cellule.
Les anesthésiques ne sont pas les seuls produits chimiques impliqués dans les états altérés de conscience. Il est généralement admis que les perturbations de l’action des neurotransmetteurs, les molécules par lesquelles les neurones communiquent, contribuent à diverses maladies mentales. On pense, par exemple, que les antidépresseurs agissent en augmentant les neurotransmetteurs tels que la sérotonine, l’affiche chimique du bonheur. Cependant, le mécanisme exact d’action des neurotransmetteurs n’est pas encore parfaitement compris. La théorie conventionnelle veut qu’ils se lient aux récepteurs membranaires des cellules nerveuses par un mécanisme de verrouillage et de clé, où la forme d’un neurotransmetteur particulier correspond à la forme du récepteur approprié. Le mécanisme de la serrure et de la clé est associé à un certain nombre de fonctions biologiques, dont l’une est l’olfaction (votre sens de l’odorat).
Cependant, une théorie alternative de l’olfaction suggère qu’elle pourrait utiliser les principes de l’effet tunnel quantique assisté par vibration plutôt que de s’appuyer sur la forme moléculaire. Récemment, cette théorie a également été appliquée à l’action des neurotransmetteurs. L’effet tunnel assisté par vibration se produit lorsque l’énergie du mouvement d’une molécule correspond à l’énergie nécessaire à un électron pour traverser une barrière de potentiel. En ce sens, la vibration d’un neurotransmetteur particulier serait reconnue par son récepteur spécifique. À l’aide de modèles mathématiques et informatiques, les chercheurs ont testé cela en examinant les isotopes de différents produits neurochimiques tels que la sérotonine, l’histamine et l’adénosine (un examen de ces études peut être trouvé dans AVS Quantum Sci. 2 022901). Comme leur masse change mais que leur forme reste la même, leurs fréquences vibratoires sont modifiées. Les chercheurs cherchaient à savoir si les isotopes des neurotransmetteurs avaient des effets différents, disqualifiant ainsi le mécanisme de verrouillage et de clé, qui dépend de la forme, et soutenant la possibilité d’un effet tunnel assisté par vibration. Bien que les résultats théoriques semblent prometteurs, la théorie n’a pas encore été solidement étayée expérimentalement.
Phénomènes quantiques
En biologie quantique, les effets quantiques de superposition, de cohérence et de décohérence, d’effet tunnel et d’intrication jouent un rôle important.
Mathématiquement, un système physique – par exemple un atome ou un photon – est décrit par un état quantique qui contient toutes les informations le concernant. La superposition est une propriété du monde quantique qui permet à un système physique d’exister dans deux états quantiques ou plus, jusqu’à ce qu’une mesure soit effectuée sur celui-ci. Le phénomène non intuitif a incité la célèbre expérience de pensée omniprésente d’Erwin Schrödinger où un chat dans une boîte est simultanément mort et vivant jusqu’à ce qu’un observateur regarde dans la boîte. La cohérence quantique quantifie cette relation d’états dans une superposition. Et sa contrepartie, la décohérence, décrit la perte de tels effets quantiques.
L’effet tunnel quantique, quant à lui, implique qu’une particule traverse une barrière d’énergie malgré le manque d’énergie nécessaire pour surmonter la barrière, comme le définirait la physique classique. Le phénomène n’est pas entièrement compris sur le plan théorique, mais il sous-tend des technologies pratiques allant de la microscopie à effet tunnel à balayage aux mémoires flash.
Enfin, l’intrication quantique permet à deux particules, telles que les photons ou les électrons, d’avoir une relation beaucoup plus étroite que ne le prédit la physique classique. Au fil des ans, il a joué un rôle central dans les technologies quantiques telles que la cryptographie quantique, la téléportation quantique et les réseaux de distribution d’informations quantiques. Au cours de la dernière décennie, les physiciens ont pu transmettre des paires de photons intriqués sur des distances croissantes, à la fois dans l’air et le long des fibres optiques.
La boussole du cerveau
Un certain nombre d’animaux sont capables de détecter le champ magnétique de la Terre, mais la manière exacte dont ils y parviennent reste une question ouverte. Les oiseaux, a-t-on émis l’hypothèse, utilisent des effets quantiques pour accomplir leurs exploits de navigation. Cette boussole quantique s’appelle le mécanisme de paire radicalaire et repose sur l’interaction du spin de l’électron avec le champ géomagnétique. Une paire de radicaux est une paire d’électrons dont les spins sont corrélés, existant dans une superposition de deux états différents. Le rapport de ces états est déterminé par le champ magnétique, résultant en une signature chimique différente pour différents alignements dans ce champ. On pense que cette boussole dépendante du spin est située dans des molécules appelées cryptochromes, qui sont activées par la lumière bleue provenant de signaux environnementaux. Jusqu’à très récemment, il n’y avait aucune preuve solide que les humains avaient un sens magnétique. PLOS One 14e0211826 ) .
Il a également été démontré par Connie Wang du California Institute of Technology, États-Unis, et ses collègues que les modifications de la force du champ magnétique terrestre provoquent des modifications des ondes cérébrales alpha – des oscillations de l’activité neuronale du cerveau dans la gamme de fréquences 8–12. Hz – chez les sujets humains ( eNeuro 6 ENEURO.0483-18.2019 ). Cependant, il n’est pas certain que cet effet utilise un mécanisme quantique similaire à la boussole aviaire – en fait, les chercheurs suggèrent tout le contraire, que le ferromagnétisme est responsable de l’effet.
Dans des études distinctes, des changements dans les ondes alpha ont été associés à des fluctuations de la production de biophotons, mesurées indirectement par des fluctuations d’espèces réactives de l’oxygène, qui jouent un rôle dans la communication cellulaire mais sont également responsables de nombreux problèmes corporels. Ils sont impliqués dans le vieillissement, la maladie et la dépression et sont la raison pour laquelle les antioxydants sont si largement vantés comme étant bénéfiques pour la santé. Ce qui est intéressant, c’est que des études ont montré comment les changements médiés par le champ magnétique dans la dynamique de spin du mécanisme de paire radicalaire conduisent à une augmentation des espèces réactives de l’oxygène. Il est concevable, bien qu’encore controversé, que les humains utilisent le mécanisme de paire radicale dans le fonctionnement cellulaire essentiel. Ce que cela implique exactement est moins clair.Proc. R. Soc. B 279 2081 ).
Enchevêtrement neuronal
La dynamique de spin, le comportement des particules quantiques dans un champ magnétique, est également au cœur d’une autre théorie qui suggère que les effets quantiques jouent un rôle dans la cognition. Dans ce cas, cependant, les spins en question appartiennent à des noyaux plutôt qu’à des électrons. Les noyaux peuvent avoir des durées de vie de cohérence particulièrement longues, ce qui signifie que leurs effets quantiques persistent sur des échelles de temps suffisamment longues pour jouer un rôle dans le déclenchement neuronal et même, éventuellement, dans la fonction de la mémoire.
Cette notion a conduit le physicien Matthew Fisher , de l’Université de Californie à Santa Barbara, à suggérer que les molécules enchevêtrées en spin connues sous le nom de molécules de Posner pourraient conduire à des nerfs qui se déclenchent de manière corrélée. Cela passe par un certain nombre d’étapes. Les processus cellulaires fonctionnent grâce à l’énergie fournie par le composé chimique adénosine triphosphate (ATP). Lorsque ce composé est décomposé, il libère des phosphates, qui sont constitués de phosphore (noyaux à demi-spin) et d’oxygène (spin nucléaire nul). Fisher soutient que les spins des noyaux de phosphore sont intriqués et que, de plus, si cet enchevêtrement quantique peut d’une manière ou d’une autre être isolé des autres interactions quantiques, il pourrait durer assez longtemps pour avoir un effet sur les processus cognitifs ( Annals of Physics 362 593).
Il suggère que les phosphates forment des molécules de Posner en se liant avec des ions calcium à spin zéro, qui agissent comme un écran efficace contre les interactions externes. Les molécules de Posner enchevêtrées sont ensuite absorbées dans les neurones, se lient et libèrent des ions calcium, déclenchant une activation neurale enchevêtrée. Fisher utilise ce modèle pour suggérer pourquoi le lithium réussit à traiter le trouble bipolaire. Si le lithium devait remplacer l’ion calcium central dans une molécule de Posner, le spin non nul de l’ion lithium pourrait contribuer à la décohérence et avoir un effet d’entraînement sur l’activation neurale.
Ce qui est peut-être plus surprenant en ce qui concerne le lithium, c’est qu’il a été démontré que différents isotopes ont des effets différents sur le comportement maternel des rats. Un phénomène similaire a été enregistré récemment dans l’action du xénon, un anesthésique. Na Li et ses collègues de l’Université des sciences et technologies de Huazhong à Wuhan, en Chine, ont découvert que différents isotopes du xénon provoquent différents niveaux d’inconscience ( Anesthesiology 129 271 ). Cela semble extraordinaire, que changer quelque chose d’aussi petit que le spin d’un noyau puisse entraîner des changements macroscopiques au niveau de quelque chose d’aussi complexe que l’instinct maternel ou, en fait, la conscience elle-même.
Mais à quoi ça sert ?
Bien que la possibilité d’effets quantiques dans le cerveau soit intrinsèquement fascinante, elle pourrait également contribuer à la manière dont nous traitons le cerveau et les troubles liés au cerveau.
Comprendre exactement comment les neurotransmetteurs se lient aux récepteurs contribuerait à comprendre les récepteurs couplés aux protéines G, tels que les récepteurs neuronaux et olfactifs, qui sont l’une des principales cibles de la plupart des interventions pharmaceutiques. Mais plus que cela, identifier comment les effets quantiques pourraient se produire dans le cerveau pourrait offrir une toute nouvelle façon d’imaginer une intervention médicale au-delà de la pure chimie. Par exemple, cela pourrait aider à affiner et à améliorer la thérapie électroconvulsive (l’application transcrânienne de courants électriques) et la méthode moins bien établie mais aussi moins invasive de stimulation magnétique transcrânienne (l’utilisation de champs magnétiques pour stimuler des parties du cerveau) comme traitements de la dépression. (voir : La photosynthèse est-elle quantique ?)
Déchiffrer le rôle de la lumière pourrait également être bénéfique car un certain nombre d’études récentes ont montré qu’elle avait une gamme d’effets physiologiques. Les chercheurs ont découvert que les crevettes exposées à un excès d’antidépresseurs à base de sérotonine provenant de la contamination humaine étaient plus susceptibles de rechercher la lumière, ce qui entraînait une augmentation de la prédation ( Aquatic Toxicology 99 397 ). Bien que préjudiciable aux crevettes, cela pourrait nous dire à quel point notre propre physiologie est sensible à la lumière et dans quelle mesure la lumière pourrait être pharmaceutiquement utile.
Dans une autre étude récente, des points quantiques – des nanoparticules semi-conductrices capables de produire de la lumière – ont été utilisés avec succès pour défaire l’agglutination des protéines liée aux maladies de Parkinson et d’Alzheimer ( Nature Nanotechnology 13 812 ). Pendant ce temps, il a été démontré que la baisse de la vue s’améliore grâce à l’amélioration des dommages mitochondriaux par le traitement à la lumière rouge ( The Journals of Gerontology : Series A 75 e49 ). La photobiomodulation, l’application de la lumière laser rouge ou proche infrarouge, s’est également révélée prometteuse dans le traitement de divers troubles cérébraux, ainsi que dans l’amélioration de l’attention, de la mémoire et de l’apprentissage ( BBA Clinical 6 113 ).
Une illumination dans tous les sens du terme, il semble qu’il puisse y avoir plus qu’une métaphore à l’action de devenir illuminé.