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大腦中有光學通訊通道嗎?

更新時間:2017-09-12 20:54:51 | fx_31af16f0

  神經科學家很久前就觀察到大腦會產出生物光子。沒人知道這些光子有什么用,科學家已經開始研究各種可能性了。

  有一個有趣的問題:大腦內是否有光學通訊通道?這是一個很激進的想法,但又有理由相信它是一個很有價值的問題。

  很多生物會通過發光進行交流、吸引異性等活動。20 年前,生物學家發現老鼠的大腦在某些情況下會產生光子。這種光很微弱,不容易探測到,這一發現讓神經學家感到很意外。從那之后,證據越來越多。大腦等組織的分子會通過某種電子激發而衰變,并釋放出所謂的生物光子。哺乳動物產生生物光子的波長在 200~1300 納米之間,大概是紅外光到紫外光波段。

  如果大腦細胞能自發釋放生物光子,那我們就很自然地會問道,機體是否會利用這種自然機制來傳遞信息。果真如此,光從一個地方傳播到另一個地方就需要類似于光纖之類的波導(定向引導電磁波的結構)。什么樣的生物結構才能執行波導功能呢?

  在加拿大卡爾加里大學(University of Calgary)的帕里薩·扎爾克希安(Parisa Zarkeshian)等人的研究基礎上,我們得到了一些答案。他們研究了神經細胞軸突的光學特性,并且得出結論:在幾厘米的距離內,光子在大腦內傳播完全是可行的。該研究重復了之前的軸突研究和實驗。團隊首先通過求解麥克斯韋電磁方程組來計算軸突的光學特性,并確定細胞的光學特性。

  研究表明,軸突外層的髓鞘可以作為生物光子的波導。同時,還有很多因素會通過散射和吸收而影響光的傳播。這些因素包括軸突的彎曲程度、髓鞘的半徑變化、非圓截面等。扎爾克希安和同事得到的結論是:生物光子在大腦中長度為 2 毫米的軸突內的傳輸效率為 46%~96%。“值得注意的是,光子能沿兩個方向傳播:從軸突末端到軸突丘,或者沿著相反的方向。”團隊人員介紹說。

  隨后,團隊又計算了這種傳播方式的數據通信速率。生物學家測到老鼠大腦產生生物光子的速率是每個神經細胞每分鐘一個光子。聽起來似乎不多,但人腦有 1011 個神經元,也就是說每秒會產生超過 10 億個光子。“這種機制足以傳輸大量信息,甚至可以產生大量量子糾纏。” 扎爾克希安介紹道。當然,這些計算也有很多不確定因素。比如,沒人知道髓鞘確切的光學特性,因為從來沒人測過。

  為了取得進一步發現,最好的方法是測試腦組織的光傳輸特性。扎爾克希安和同事提出的一些簡單直接的實驗或許會推動該領域的進展。“一種方法是用光照射大腦切片的一端,然后在軸突另一端尋找光點。”研究團隊介紹??赡苓€有很多種其他方法,不過這需要神經學家多花點時間研究。

  所有這些都指向一個更大的難題——如果大腦有光通訊通道,那它們的作用是什么?關于這一問題有很多天馬行空的猜測。

  其中一個猜測思路基于這樣一個事實,即光子是量子信息的良好載體。很多人認為,很多大腦活動都與量子進程有關,尤其是意識本身。扎爾克希安和同事很“迷戀”這一觀點。但這也只是一種瘋狂的猜測而已。量子通訊需要的不僅是光學通道,還要有編碼、接收和處理量子信息的機制。大腦中可能存在光敏分子,但尚缺乏證據證實,它們能否作為量子處理器更是不得而知。

  盡管如此,這種觀點還是很讓人興奮,并且值得進行基礎研究。如果自然界產生了生物光子,進化機制就有辦法利用它,問題是如何利用它。

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