Цилиндрическая полость, образованная миелиновой оболочкой, окружающей нервные волокна (или аксоны), может создавать пары запутанных фотонов. Предполагается, что колебательный спектр углеродно-водородных связей в миелиновой оболочке способствует спонтанному испусканию этих пар.

Это квантовое явление может играть ключевую роль в синхронизации деятельности миллиардов нейронов, составляющих нашу центральную нервную систему. Синхронизация активности нейронов в мозге играет важную роль в контроле многочисленных нейробиологических процессов.

Исследования показали, что потеря этой синхронизации тесно связана с функциональными отклонениями, связанными с неврологическими заболеваниями, такими как болезнь Паркинсона.

Однако, несмотря на десятилетия исследований, механизмы, лежащие в основе этой синхронизации, остаются во многом неуловимыми. Исследования показали, что квантовая запутанность потенциально может играть роль в этой синхронизации. Фотоны участвуют не только в биологической активности растений и бактерий, но и животных.

Например, поляритоны (квантовое состояние, возникающее в результате непрерывного взаимодействия фотонов и электронно-дырочных пар), образующиеся под действием видимого света и резонирующие с экситонами (квазичастицами, состоящими из электронно-дырочных пар) в молекулах хлорофилла, способствуют передаче энергии в процессе фотосинтеза.

Среднеинфракрасные фотоны, образующиеся при гидролизе АТФ, стимулируют репликацию ДНК и регулируют активацию калиевых каналов, а также сигнализацию нейронов. Сверхслабые фотоны (или биофотоны), которые раньше считались простыми метаболитами, также участвуют в работе нейронов.

Недавние исследования показали, что эффекты, вызываемые радиацией, выходят далеко за пределы клеток-мишеней, затрагивая и те, которые находятся далеко от места облучения. Было высказано предположение, что это связано с эффектом квантовой запутанности. Эти данные позволяют предположить, что фотоны могут быть потенциальным источником синхронизации нейронов благодаря квантовой запутанности.

«Эти результаты, хотя каждый из них требует более детального изучения, открывают значительные перспективы влияния света на активность нейронов», — объясняет команда из Шанхайского и Сычуаньского университетов.

«Несмотря на экспериментальные отклонения от предсказаний, корреляции, присущие квантовой запутанности, остаются захватывающими», — пишут они в своем новом исследовании.

Потенциальное влияние на синхронизацию активности нейронов

Чтобы проверить свою гипотезу, ученые в новом исследовании оценили участие миелиновой оболочки в синхронизации активности нейронов. Миелиновая оболочка — это липидная мембрана, окружающая аксоны, которая одновременно изолирует их и улучшает передачу потенциалов действия.

«Миелиновая оболочка обычно рассматривается только как изолятор. Однако появляющиеся данные свидетельствуют о пластичности миелиновой оболочки, что указывает на ее роль, выходящую за рамки изоляции, и ее потенциал для содействия фазовой синхронизации», — говорит команда.

Изменения в миелине связаны с ухудшением когнитивных функций из-за нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз. Формирование микрополостей необходимо для передачи энергии, опосредованной экситонами и поляритонами. Отражение света от внутренней стенки этих полостей приводит к удержанию фотонов.

Исследователи предположили, что, сформировав цилиндрическую полость, миелиновая оболочка сможет лучше удерживать фотоны после образования поляритонов. Этот процесс может привести к образованию пар запутанных фотонов. Специалисты использовали квантовую электродинамику полости (cQED) для обнаружения генерации пар фотонов, запутанных в колебательном спектре углеродно-водородных (C-H) связей, расположенных в хвостах молекул миелина.

При этом атомы заключены в крошечные структуры (миелиновые цилиндры), стенки которых отражают свет, что позволяет изучать взаимодействие между веществом и светом в квантовом масштабе.

Результаты показали, что цилиндрическая полость, образованная миелиновой оболочкой, способствует образованию большого количества запутанных пар фотонов. Обилие колебательных единиц C-H в нейронах позволяет предположить, что они могут служить источниками квантовой запутанности для нервной системы.

По мнению исследователей, это потенциально может быть связано со способностью мозга оптимизировать и синхронизировать передачу информации по нейронной сети. «Используя нелокальные корреляционные свойства квантовой запутанности, мы можем предположить, что квантовая запутанность эффективно синхронизирует активность нейронов во всем мозге», — заключают они.

источник