Stuart Hameroff, um médico especializado em anestesiologia, sabia que as forças de Van der Waals-London em bolsões hidrofóbicos de várias proteínas neuronais haviam sido propostas como os mecanismos pelos quais os gases anestésicos apagam seletivamente a consciência. Os anestésicos se ligam, por meio de suas próprias forças de atração de London, às nuvens eletrônicas do bolsão hidrofóbico, presumivelmente prejudicando as forças de London que normalmente governam a troca de proteínas necessária para a consciência.

O biólogo Charles Sherrington especulou na década de 1950 que a informação poderia ser armazenada no cérebro em microtúbulos, redes de dímeros de tubulina. Hameroff concluiu que os fragmentos de informação poderiam ser armazenados em estados discretos da tubulina, interagindo por meio de interações dipolo-dipolo com estados de tubulina vizinhos. Essas estruturas são ordens de magnitude menores que as células biológicas, proporcionando uma vasta quantidade de armazenamento potencial de informação.

Uma cavidade hidrofóbica na tubulina desenvolve anéis de ressonância eletrônica em seu interior. Elétrons individuais em cada anel se repelem mutuamente, à medida que o momento dipolar resultante de sua nuvem eletrônica se inverte sob a ação de oscilações externas da força de London.

Embora Hameroff não tenha fornecido um mecanismo específico de leitura e escrita, ele modelou os estados da tubulina como autômatos celulares (essas "células" são as unidades fundamentais do "Jogo da Vida" de John Conway ) que precisariam mudar de estado em intervalos de tempo sincronizados, governados por oscilações coerentes de voltagem. (Embora as oscilações das ondas cerebrais sejam bem conhecidas, as observadas ocorrem em frequências muito baixas em comparação com a oscilação proposta nos microtúbulos - 10⁹ ^/ seg.) Cada célula do autômato interage com suas células vizinhas em intervalos de tempo discretos e sincronizados, sendo o estado de cada célula em qualquer intervalo de tempo específico determinado por seu estado e pelos estados de suas células vizinhas no intervalo de tempo anterior, bem como por regras que governam as interações. Dessa forma, usando interações simples entre vizinhos em grades de rede simples, os autômatos celulares poderiam realizar cálculos complexos e gerar padrões complexos.

O processamento total estimado de informações na tubulina de um único neurônio é da mesma ordem de grandeza que o de todo o cérebro, se o armazenamento ocorrer nas sinapses das redes neurais. Isso surpreendeu (e irritou) alguns cientistas cognitivos, mas, novamente, nenhum mecanismo plausível de leitura/escrita foi proposto para nenhum dos modelos computacionais.

Em 1989, Roger Penrose publicou A Nova Mente do Imperador , seguido em 1994 por Sombras da Mente . Nele, ele propôs uma solução para o problema da medição na mecânica quântica, estendendo a ideia padrão de um colapso (ou redução) aleatório da função de onda com um colapso mais "objetivo" que ele chamou de "redução objetiva" (RO).

A redução objetiva encerraria a evolução determinística da função de onda prevista pela equação de Schrödinger. (Outro esquema para forçar o colapso foi proposto por Ghirardi, Rimini e Weber .) Inicialmente, Penrose considerou a gravidade quântica como a força motriz por trás da redução objetiva.

Note que a conexão tradicional entre consciência e o colapso da função de onda foi resultado dos primeiros trabalhos de John von Neumann e Eugene Wigner . Eles assumiram que um observador consciente era necessário para realizar uma medição (produzindo pelo menos um bit de informação). Sem um observador, argumentavam eles, a função de onda não colapsaria, levando a paradoxos como o Gato de Schrödinger . Muitos outros físicos negam que um observador consciente seja necessário para uma medição física. [Veja nossa solução para o problema da medição .]

Hameroff e Penrose começaram a trabalhar juntos na década de 1990 para desenvolver uma versão "orquestrada" da redução objetiva.

De acordo com a Teoria Ortológica da Redução (OR), a redução (objetiva) não é o processo inteiramente aleatório da teoria padrão, mas age segundo alguma nova física não computacional (ver Penrose 1989, 1994). A ideia é que a consciência está associada a esse processo de OR (gravitacional), mas ocorre de forma significativa apenas quando as alternativas fazem parte de alguma estrutura altamente organizada, de modo que tais ocorrências de OR acontecem de forma extremamente orquestrada. Somente então ocorre um evento reconhecidamente consciente. Por outro lado, podemos considerar que qualquer ocorrência individual de OR seria um elemento de protoconsciência.

Considera-se que o processo OR ocorre quando superposições quânticas entre espaços-tempos ligeiramente diferentes acontecem, diferindo entre si por uma medida integrada de espaço-tempo que se compara com a escala fundamental e extremamente pequena de Planck (4 volumes) da geometria do espaço-tempo. Como esta é uma medida de Planck de 4 volumes, envolvendo tanto tempo quanto espaço, descobrimos que a medida de tempo seria particularmente pequena quando a medida da diferença espacial é relativamente grande (como no caso do gato de Schrödinger), mas para medidas de diferença espacial extremamente pequenas, a medida de tempo poderia ser bastante longa, como uma fração significativa de segundo. Veremos isso com mais detalhes em breve, juntamente com sua relevância particular para os microtúbulos. Em qualquer caso, reconhecemos que os elementos da protoconsciência estariam intimamente ligados aos ingredientes mais primitivos da geometria do espaço-tempo, em escala de Planck. Esses supostos "ingredientes" são considerados absurdamente pequenos, na ordem de 10⁻³⁵ ^m e 10⁻⁴³ ^s , uma distância e um tempo cerca de 20 ordens de magnitude menores do que as escalas normais da física de partículas e seus processos mais rápidos. Essas escalas referem-se apenas às diferenças normalmente extremamente pequenas na geometria do espaço-tempo entre diferentes estados em superposição, e considera-se que a OR ocorre quando tais diferenças espaço-temporais atingem a escala de Planck. Devido à extrema fraqueza das forças gravitacionais em comparação com as forças químicas e elétricas da biologia, a energia E_{_G} tende a ser muito menor do que qualquer energia que surja diretamente de processos biológicos. Contudo, E _G não deve ser considerada como competindo diretamente com nenhuma das energias biológicas usuais, pois desempenha um papel completamente diferente, fornecendo uma incerteza energética necessária que permite a escolha entre as geometrias espaço-temporais separadas. É o ingrediente chave no cálculo do tempo de redução τ. Não obstante, a extrema fraqueza da gravidade indica que deve haver uma quantidade considerável de material envolvida no deslocamento coerente de massa entre estruturas sobrepostas para que τ seja pequeno o suficiente para desempenhar seu papel necessário nos processos de OR relevantes no cérebro. Essas estruturas sobrepostas também devem processar informações e regular a fisiologia neuronal. De acordo com a OR Orch, os microtúbulos são essenciais para essas estruturas, e alguma forma de computação quântica biológica em microtúbulos (muito provavelmente, principalmente nos microtúbulos da rede A, mais simétricos) teria que ter evoluído para fornecer uma conexão sutil, porém direta, com a geometria em escala de Planck, levando, eventualmente, a momentos discretos de experiência consciente real.

("Consciência no Universo: Neurociência, Geometria Quântica do Espaço-Tempo e Orch OR ," Journal of Cosmology , 2011, Vol. 14)

Hameroff e seus colegas Travis Craddock e Jack Tuszynski apresentaram argumentos convincentes para o armazenamento de memória em microtúbulos, independentemente das afirmações do esquema Orch-OR de Penrose-Hameroff. Os microtúbulos são estruturas minúsculas, porém altamente organizadas, que podem codificar vastas quantidades de informação por neurônio. Em um artigo de 2012, Hameroff sugere que o complexo Ca²⁺ ^- Calmodulina CaMKII pode codificar informações nos microtúbulos. A CaMKII é uma proteína quinase serina-treonina que há anos desempenha um papel importante na sinalização celular e também pode funcionar como uma chave molecular, permanecendo em estado ativo mesmo após os picos de Ca²⁺ pós-sináptico ^retornarem aos níveis basais. A CaMKII está implicada na teoria padrão da potenciação de longo prazo pela geração de novas sinapses. Ela representa mais de um por cento de todas as proteínas do cérebro.

Hameroff observa que a geometria da CaMKII - um hexágono duplo em forma de floco de neve, composto por anéis hexaméricos gêmeos - e o diâmetro - 20 nm - fazem com que a CaMKII se encaixe perfeitamente nos microtúbulos - 15 nm de diâmetro interno e 25 nm de diâmetro externo (e até 25 micrômetros de comprimento!).

Cada monômero é um motivo EF-hand, constituído por duas alfa-hélices ligadas por uma pequena "região de alça". Cada hélice pode ligar-se a dois íons Ca²⁺ ^e alterar sua configuração, como um dedo indicador e um polegar, para formar um complexo ativo Ca²⁺ ^- Calmodulina. Cada um dos monômeros da quinase pode ser ativado separadamente, fosforilando (ou não) uma proteína substrato. Assim, Hameroff destaca que as doze unidades da holoenzima podem codificar 12 bits de informação digital.

Ele diz:

Neste artigo, avaliamos possíveis entradas de informação para os microtúbulos no contexto da codificação da memória neuronal cerebral e da potenciação de longo prazo (LTP). Um intermediário chave na LTP envolve a holoenzima hexagonal quinase II de cálcio-calmodulina (CaMKII). Quando ativada pelo influxo de cálcio sináptico, a CaMKII, com formato de floco de neve, estende conjuntos de 6 domínios quinase em forma de pé para fora, cada domínio capaz de fosforilar ou não um substrato (transmitindo, assim, 1 bit de informação). Como a ativação da CaMKII representa informação sináptica, a fosforilação subsequente de um substrato específico pela CaMKII pode codificar a memória, por exemplo, como arranjos ordenados de 6 bits (um 'byte'). Utilizamos modelagem molecular para examinar a viabilidade da fosforilação coletiva (e, portanto, da codificação da memória) pelos domínios quinase da CaMKII nas tubulinas em uma rede de microtúbulos.

Em primeiro lugar, demonstramos a complementaridade eletrostática e a atração mútua entre domínios individuais da quinase CaMKII e superfícies de tubulina. Também demonstramos dois sítios plausíveis para a fosforilação direta da tubulina por um domínio da quinase CaMKII e calculamos energias de ligação na faixa de 6 a 36 kcal/mol por evento de fosforilação CaMKII-tubulina. Isso indica uma codificação robusta contra a degradação, porém de baixo custo metabólico, exigindo cerca de 2% do metabolismo cerebral total para a codificação máxima em todos os 10¹¹ ^neurônios .

Em seguida, comparamos o tamanho e a configuração hexagonal dos seis domínios quinase estendidos em forma de pé da CaMKII ativada com as redes hexagonais de proteínas tubulina nos microtúbulos. Descobrimos que o tamanho e a geometria dos 6 domínios quinase estendidos da CaMKII correspondem precisamente aos arranjos hexagonais de tubulina tanto na rede A quanto na rede B.

Conclusão . Demonstramos um mecanismo viável e robusto para codificar informações sinápticas em alterações estruturais e energéticas de redes de microtúbulos (MTs) por meio da fosforilação de CaMKII ativada por cálcio. Sugerimos que tais informações codificadas participam de processos contínuos de informação em MTs, que dão suporte à cognição e ao comportamento, possivelmente gerando padrões de interferência invariantes de escala via reação-difusão ou outros mecanismos. Como os MTs e a CaMKII são amplamente distribuídos em células eucarióticas, os bytes e trítios hexagonais sugeridos aqui podem refletir um código de informação biomolecular em tempo real, semelhante ao código genético.

("Sinalização citoesquelética: a memória é codificada em redes de microtúbulos pela fosforilação de CaMKII" , PLoS Comput Biol. , março de 2012; 8(3): e1002421.)

Hameroff descreve o problema do livre-arbítrio em seu artigo de 2012 intitulado "Como a biologia quântica do cérebro pode resgatar o livre-arbítrio consciente".

O “livre-arbítrio” consciente é problemático porque (1) os mecanismos cerebrais que causam a consciência são desconhecidos, (2) a atividade cerebral mensurável correlacionada com a percepção consciente aparentemente ocorre tarde demais para uma resposta consciente em tempo real, sendo assim considerada uma “ilusão epifenomenal”, e (3) o determinismo, ou seja, nossas ações e o mundo ao nosso redor parecem algorítmicos e inevitáveis.

A teoria de Penrose-Hameroff da “redução objetiva orquestrada (Orch OR)” identifica momentos discretos de consciência com computações quânticas em microtúbulos dentro de neurônios cerebrais, por exemplo, 40/s em sincronia com a atividade gama no EEG. Os microtúbulos organizam o interior dos neurônios e regulam as sinapses. Na Orch OR, as computações quânticas nos microtúbulos ocorrem em fases de integração nos dendritos e corpos celulares de neurônios do tipo “integra e dispara” conectados e sincronizados por junções comunicantes, permitindo o emaranhamento de microtúbulos entre muitos neurônios. As computações quânticas em microtúbulos emaranhados terminam pela “redução objetiva (OR)” de Penrose, uma proposta para a redução do estado quântico e momentos de consciência ligados à geometria fundamental do espaço-tempo. Cada redução OR seleciona estados de microtúbulos que podem desencadear disparos axonais e controlar o comportamento. As computações quânticas são “orquestradas” por entradas sinápticas e memória (daí o nome “Orch OR”).

Se correta, a Teoria Orto-Racional (Orch OR) pode explicar a agência causal consciente, resolvendo o problema 1. Em relação ao problema 2, a Orch OR pode causar não-localidade temporal, enviando informações quânticas para trás no tempo clássico, permitindo o controle consciente do comportamento. Três linhas de evidência para os efeitos de retrocesso temporal no cérebro são apresentadas. Em relação ao problema 3, a Teoria Orto-Racional de Penrose (e a Orch OR) invoca influências não computáveis de informações incorporadas na geometria do espaço-tempo, potencialmente evitando o determinismo algorítmico. Em resumo, a Orch OR pode explicar a agência causal consciente em tempo real, evitando a necessidade de a consciência ser vista como uma ilusão epifenomenal. A Orch OR pode resgatar o livre-arbítrio consciente.

("Como a biologia quântica do cérebro pode resgatar o livre-arbítrio consciente", Frontiers in Integrative Neuroscience , 12 de outubro de 2012.)

Hameroff argumenta que sua teoria Orch-OR fornece o modelo de consciência e agência causal necessário para o "livre-arbítrio consciente".

A teoria Orch-OR também aborda o problema do determinismo clássico (o principal obstáculo à crença no livre-arbítrio é que toda ação é predeterminada ). Hameroff afirma:

O universo está se desdobrando (caso em que o livre-arbítrio é possível), ou existe como um "universo em bloco" com linhas de mundo predeterminadas, e nossas ações predeterminadas por processos algorítmicos Em Orch OR, a consciência desdobra o universo. A seleção de estados, segundo Penrose, é influenciada por um fator não computável, um viés devido à estrutura em escala fina da geometria do espaço-tempo. De acordo com Orch OR, as escolhas conscientes não são inteiramente algorítmicas.

("Como a biologia quântica do cérebro pode resgatar o livre-arbítrio consciente", Frontiers in Integrative Neuroscience , 12 de outubro de 2012.)

Mas o principal problema com o livre-arbítrio que Hameroff espera resolver é a objeção levantada pelos experimentos de Libet de que a consciência surge "tarde demais" . Ele afirma que o Orch-OR pode enviar informações quânticas para o passado para resolver esse problema:

Será que a consciência chega tarde demais?

A atividade elétrica cerebral que parece correlacionar-se com a percepção consciente de um estímulo pode ocorrer após respondermos a esse estímulo, aparentemente de forma consciente. Consequentemente, a consciência é considerada epifenomenal e ilusória (Dennett, Wegner). No entanto, evidências de efeitos de retrocesso temporal no cérebro (Libet et al., Bem, Ma et al.) e na física quântica (por exemplo, para explicar o emaranhamento quântico, Penrose, Aharonov e Vaidman, Bennett e Wiesner) sugerem que reduções no estado quântico do receptor Orch-OR podem enviar informações quânticas para trás no tempo (o que percebemos como) na ordem de centenas de milissegundos. Isso permite que a consciência regule os disparos axonais e as ações comportamentais em tempo real, quando a escolha consciente é sentida (e de fato ocorre), livrando assim a consciência de ser necessariamente uma ilusão epifenomenal.

("Como a biologia quântica do cérebro pode resgatar o livre-arbítrio consciente.")

Não fica claro exatamente como funciona a ideia, quase de ficção científica, de enviar informações de volta no tempo, de que algo retorna do futuro sem criar loops temporais infinitamente recursivos. Hameroff discute três casos, dos quais pelo menos dois provavelmente não envolvem informações retrocedendo no tempo: o experimento de Einstein-Podolsky-Rosen e os experimentos de Libet .

Na evolução temporal de um estado emaranhado de duas partículas, de acordo com a equação de Schrödinger, podemos visualizá-lo — assim como visualizamos a função de onda de uma única partícula — como colapsando quando uma medição é feita. O "salto" descontínuo também é descrito como a "redução do pacote de ondas". Isso é apropriado no caso de duas partículas, onde a superposição dos estados | + - > e | - + > é "projetada" ou "reduzida": a um desses estados de duas partículas e, em seguida, reduzida ainda mais ao produto de estados independentes de uma única partícula.

No caso de duas partículas (em vez de apenas uma partícula aparecer), quando qualquer uma das partículas é medida, sabemos instantaneamente quais propriedades da outra partícula satisfazem as leis de conservação , incluindo sua localização equidistante da fonte, mas em lados opostos, e suas outras propriedades conservadas, como o spin. Nenhuma informação precisa ser "transmitida" para que o experimentador saiba disso.

E é incorreto dizer que uma partícula - A - é enviada em uma direção e outra partícula - B - é enviada na direção oposta, de modo que, quando A é medida, informações devem ser enviadas para B. Nada se sabe até que uma delas seja medida - e que seja qualquer uma delas - visto que são partículas indistinguíveis.

Compare o colapso da amplitude de probabilidade de duas partículas acima com o colapso de partícula única aqui .

Finalmente, como as duas partículas, uma vez medidas, estão separadas por uma distância semelhante à do espaço, não há uma relação clara de "retrocesso no tempo" ou "avanço no tempo" entre elas. Como apontado inicialmente por C.W. Rietdijk em 1966, depois por Hilary Putnam um ano mais tarde, e por Roger Penrose em seu livro de 1989 , "A Nova Mente do Imperador" , em diferentes referenciais, A pode ocorrer antes de B ou vice-versa .

John Bell sugeriu que poderia haver um enquadramento preferencial para analisar o problema do emaranhamento e da não-localidade. O enquadramento preferencial é aquele em que as partículas A e B são medidas simultaneamente, que é o que acontece do ponto de vista das partículas.

Hameroff cita a crença de Benjamin Libet de que algo na experiência consciente deve se referir ao passado.

Para explicar seus resultados, [Libet] concluiu ainda que a informação subjetiva é referida retroativamente no tempo, desde o momento da adequação neuronal até o momento do EP (Figura 9B). A afirmação de Libet sobre o tempo retroativo foi desacreditada e ridicularizada (por exemplo, Churchland (1981), Pockett (2002)), mas nunca refutada (Libet, 2002, 2003).

("Como a biologia quântica do cérebro pode resgatar o livre-arbítrio consciente.")

A crítica de Pockett de 2002 não é a mais importante. Em 2004, ela citou a pesquisa de Daniel Pollen de 1975, que mostrou que a estimulação direta da superfície cortical inibe a atividade neuronal por várias centenas de milissegundos. Essa foi a causa da latência observada por Libet. Não há necessidade de retroceder no tempo.

Além disso, os dados mais conhecidos de Libet sobre o potencial de prontidão podem apenas mostrar a mente desenvolvendo possibilidades alternativas de ação pouco antes de uma decisão consciente e efetiva. A ideia de que o potencial de prontidão inicial já é uma decisão, em vez da formação de uma intenção, é simplesmente uma interpretação equivocada.

As decisões abruptas e rápidas de flexionar um dedo, medidas por Libet, pouco se assemelham aos tipos de decisões deliberadas em duas etapas , para as quais podemos primeiro gerar livremente possibilidades alternativas de ação e, em seguida, avaliar qual é a melhor dessas possibilidades à luz de nossas razões, motivos, valores e desejos – primeiro "livremente", depois "por vontade própria".

Podemos correlacionar o início do potencial de prontidão (350 ms antes do aparecimento do tempo de vontade consciente "W" de Libet) com o estágio inicial do modelo de dois estágios, quando possibilidades alternativas estão sendo geradas, em parte aleatoriamente. O estágio inicial pode ser delegado ao subconsciente, que é capaz de considerar múltiplas alternativas (a "confusão florescente e zumbidora" de William James ) que congestionariam o fluxo único de consciência de baixa taxa de dados.

• Consciência e o Universo: Física Quântica, Evolução, Cérebro e Mente , com Henry Stapp e Roger Penrose.

• Em direção a uma ciência da consciência: as primeiras discussões e debates de Tucson (Sistemas adaptativos complexos)

• Como a biologia quântica do cérebro pode resgatar o livre-arbítrio consciente

• O “piloto consciente” — a sincronia dendrítica percorre o cérebro para mediar a consciência.

• Consciência no Universo: Neurociência, Geometria Quântica do Espaço-Tempo e Orquestração OR

• Sinalização do citoesqueleto: a memória é codificada nas redes de microtúbulos pela fosforilação de CaMKII?