Twee nieuwe experimenten laten zien hoe verdovingsmiddelen het gedrag van minuscule structuren in hersencellen beïnvloeden. Mogelijk spelen quantummechanische effecten hierbij een rol. In dat geval zouden quantumeffecten in de hersenen deels verantwoordelijk kunnen zijn voor ons bewustzijn – al is voor die vergaande bewering nog geen bewijs.

Het controversiële idee dat quantumeffecten in de hersenen het bewustzijn voor een deel zouden kunnen verklaren, is nieuw leven ingeblazen. Uit experimenten blijkt dat verdovingsmiddelen ervoor zorgen dat minuscule structuren in hersencellen, microtubuli genaamd, licht minder lang vasthouden. Aangezien verdovingsmiddelen het bewustzijn aan- en uitschakelen, spelen deze structuren mogelijk een rol in hoe we de wereld om ons heen ervaren.

Quantumbewust

Volgens de quantummechanica kan een deeltje in meerdere toestanden tegelijk bestaan. Hij kan bijvoorbeeld tegelijkertijd linksom en rechtsom draaien. Deze verzameling van toestanden – de zogeheten superpositie van het deeltje – houdt pas op wanneer iemand ernaar kijkt. Op dat moment zorgt de waarneming ervoor dat de wolk van mogelijkheden ineenstort tot één definitieve werkelijkheid.

Waarom we lachen
LEES OOK
Waarom we lachen

In de jaren negentig poneerden natuurkundige Roger Penrose en anesthesist Stuart Hameroff de theorie van de ‘georkestreerde objectieve reductie’ (Orch OR). Volgens die theorie zijn microtubuli in de hersenen de plek waar de superpositie verloren gaat. Dat komt door kleine afwijkingen in de ruimtetijd op die plek. Hierdoor zou dan het bewustzijn ontstaan.

Bij gebrek aan experimenteel bewijs verdween deze theorie al gauw in de kantlijn. Sommige wetenschappers beschouwden de theorie als ontestbaar. Anderen merkten op dat de hersenen te nat en te warm zijn om deze fragiele quantumtoestanden in stand te houden.

Vergezocht

Medicus Jack Tuszynski van de Universiteit van Alberta in Canada en zijn collega’s hebben nu nieuw onderzoek verricht naar de microtubuli.  Op 18 april presenteerden ze de resultaten op de Science of Consciousness-conferentie in de Amerikaanse stad Tucson. Ze toonden aan dat verdovingsmedicijnen de tijd verkorten die microtubuli nodig hebben om ingevangen licht opnieuw uit te zenden.

‘Het is fascinerend’, zegt Steven Laureys, neurowetenschapper aan de Universiteit van Luik. ‘Ik denk niet dat we zomaar a priori kunnen beweren dat er geen enkele rol is weggelegd voor quantumprincipes in de werking van de geest en de hersenen.’

Lang niet alle wetenschappers zijn echter overtuigd. ‘Het is interessant werk’, zegt quantumfysicus Vlatko Vedral van de Universiteit van Oxford. ‘Maar het verband met bewustzijn is echt vergezocht.’

Vertraagd licht

Microtubuli zijn holle buizen die bestaan uit het eiwit tubuline. Ze maken deel uit van het ‘skelet’ van planten- en dierencellen.

Tuszynski en zijn collega’s schenen blauw licht op microtubuli en tubuline-eiwitten. Gedurende enkele minuten keken ze toe hoe het licht eerst werd gevangen door de moleculen. Vervolgens werd het opnieuw uitgezonden in een proces dat vertraagde luminescentie wordt genoemd. Van dat proces vermoedt Tuszynski dat het een quantumoorsprong heeft.

Het duurde enkele honderden milliseconden voordat de tubuline de helft van het licht had uitgestraald. Volledige microtubuli hadden daar meer dan een seconde voor nodig. Dit is vergelijkbaar met de tijd die het menselijk brein nodig heeft om informatie te verwerken. Dat onderstreept het idee dat het mechanisme achter deze vertraagde luminescentie ook de fundamentele werking van het brein kan verklaren.

Verdoofd

Het team herhaalde het experiment vervolgens met verdovingsmiddelen. De middelen onderdrukten de vertraagde luminescentie, waardoor die ongeveer 20 procent korter duurde.

Tuszynski vermoedt dat dit het bewustzijn in de hersenen uit kan schakelen. Als de hersenen zich op de drempel tussen de quantumwereld en de klassieke wereld bevinden, zou zelfs een kleine onderdrukking van de vertraagde luminescentie de hersenen ervan kunnen weerhouden informatie te verwerken.

Zijn team zoekt nu naar een verklaring voor de vertraagde luminescentie. Een mogelijke kandidaat is een quantumproces dat superradiantie wordt genoemd. Daarbij zenden collectief aangeslagen atomen plotseling licht uit in een kettingreactie die lijkt op die van een kernbom.

Verrassend

Een tweede experiment werd geleid door biochemici Gregory Scholes en Aarat Kalra aan de Princeton-universiteit. Daarin prikkelden laserstralen de bouwstenen van tubuline-eiwitten in microtubuli. Deze prikkeling verspreidde zich veel verder door de microtubuli dan verwacht.

Toen Scholes en Kalra een verdovingsmiddel toevoegden, zagen ze dat dit ongewone gedrag van microtubuli verdween. ‘Het verdovingsmiddel heeft een wisselwerking met de microtubuli en verandert hun gedrag. Dat is verrassend’, zegt Scholes.

Dit steunt het idee dat microtubuli het bewustzijn op het niveau van individuele hersencellen beheersen. Scholes benadrukt echter dat verder onderzoek nodig is voordat conclusies over quantumeffecten kunnen worden getrokken.

Klassieke natuurkunde

Volgens Vedral hoeven de verschijnselen die in de experimenten zijn waargenomen niks te maken te hebben met quantummechanica. Ze zouden ook kunnen worden beschreven door de klassieke natuurkunde, zegt hij. ‘In zulke complexe systemen is het heel moeilijk om quantumeffecten goed vast te pinnen en een sluitend bewijs te krijgen.’

Laureys wil echter niet uitsluiten dat de quantummechanica een belangrijke rol kan spelen. ‘Het zou dogmatisch zijn om te zeggen dat dit niet de moeite waard is om naar te kijken’, zegt hij. ‘Maar het venijn zit natuurlijk in de details. Het is aan de wetenschappelijke gemeenschap om hiernaar te kijken.’

Quantumtransport

Om het controversiële idee over quantumeffecten te ondersteunen, moeten soortgelijke effecten ook worden aangetoond in levende neuronen en bij temperaturen die in het menselijk lichaam worden aangetroffen. ‘We zijn nog niet op het niveau om dit fysiologisch te interpreteren en te zeggen ‘Ja, hier begint het bewustzijn.’ Maar het zou kunnen’, zegt Tuszynski.

‘We hebben nog een lange weg te gaan’, zegt Hameroff, die de Orch OR-theorie mede ontwikkelde. Hij is tegenwoordig verbonden aan de Universiteit van Arizona en werkte mee aan het onderzoek van Tuszynski. De groep is nu van plan de experimenten bij mensen te herhalen met allerlei anesthetica van verschillende sterktes. Ze willen achterhalen of de microtubuli dan hetzelfde reageren.

Volgens Vedral zou het aantonen van quantumtransport in cellen een big deal zijn, ook als dat niks te maken heeft met het bewustzijn. ‘Het is zeker de moeite van het onderzoeken waard. Zelfs als je alleen zou kunnen stellen dat celdeling op een of andere manier wordt ondersteund door bepaalde quantumeffecten, zou dat een enorme mijlpaal zijn voor de biologie’, zegt hij.