La physique quantique peut-elle expliquer la conscience?

La simple mention de la «conscience quantique» fait frémir la plupart des physiciens, car cette phrase semble évoquer les rêveries vagues et insipides d’un gourou du Nouvel Âge. Mais si une nouvelle hypothèse s’avère correcte, les effets quantiques pourraient en effet jouer un certain rôle dans la cognition humaine. Matthew FISHER, physicien à l’Université de Californie à Santa Barbara, a fait sourciller l’année dernière en publiant un article dans Annals of Physics proposant que les spins nucléaires d’atomes de phosphore puissent servir de «qubits»1  rudimentaires dans le cerveau – permettre au cerveau de fonctionner comme un ordinateur quantique.

Il y a encore 10 ans, l’hypothèse de FISHER aurait été rejetée par beaucoup comme un non-sens. Les physiciens ont déjà été critiqués par ce genre de choses, notamment en 1989, lorsque Roger PENROSE a proposé que de mystérieuses structures protéiques appelées «microtubules» jouent un rôle dans la conscience humaine en exploitant les effets quantiques. Peu de chercheurs pensent qu’une telle hypothèse soit plausible. Patricia CHURCHLAND, neurophilosophe de l’Université de Californie à San Diego, a déclaré qu’il était tout à fait possible d’invoquer «la poussière de Fée ! » dans les synapses pour expliquer la cognition humaine.

L’hypothèse de FISHER se heurte au même obstacle redoutable que celui qui a affecté les microtubules: un phénomène appelé décohérence quantique. Pour créer un ordinateur quantique opérationnel, vous devez connecter des bits quantiques ou qubits1 (bits d’information quantiques) selon un processus appelé encapsulé ou enchevêtrement. Mais les qubits1  encapsulés existent dans un état instable. Ils doivent être soigneusement protégés de tout « bruit » dans l’environnement. Un seul photon pénétrant dans votre qubit suffirait pour que tout le système «disparaisse», détruisant l’enchevêtrement et effaçant les propriétés quantiques du système. Faire un traitement quantique dans un environnement de laboratoire soigneusement contrôlé est assez difficile, sans parler du désordre chaud, humide et compliqué qu’est la biologie humaine, où il est presque impossible de maintenir la cohérence pendant de longues périodes.

  • En informatique quantique, un qubitou qu-bit (quantum + bit ; prononcé /kju.bit/), parfois écrit qbit, est l’état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d’information quantique. C’est l’analogue quantique du bit.

Au cours de la dernière décennie, toutefois, de plus en plus de preuves suggèrent que certains systèmes biologiques pourraient utiliser la mécanique quantique. Dans la photosynthèse, par exemple, les effets quantiques aident les plantes à transformer la lumière du soleil en « carburant ». Les scientifiques ont également proposé que les oiseaux migrateurs disposent d’une “boussole quantique” leur permettant d’exploiter les champs magnétiques de la Terre pour la navigation ou que le sens de l’odorat humain puisse être intégrer à la mécanique quantique.

La théorie de FISHER quant au traitement quantique dans le cerveau s’inscrit dans ce domaine émergent de la biologie quantique. Appelez ça neuroscience quantique. Il a développé une hypothèse complexe, intégrant la physique nucléaire et quantique, la chimie organique, les neurosciences et la biologie. Alors que ses idées ont suscité beaucoup de scepticisme justifiable, certains chercheurs commencent à y prêter attention. “Ceux qui liront son article (et j’espère que beaucoup le feront) sont tenus de conclure: ce vieil homme n’est pas si fou”, écrit John PRESKILL, physicien au California Institute of Technology, après que FISHER y ait prononcé un discours. «Il peut être sûr de quelque chose, au moins, il soulève des questions très intéressantes. ”

Senthil TODADRI, physicien au Massachusetts Institute of Technology et ami de longue date de FISHER, est sceptique, mais il pense que FISHER a reformulé la question centrale : le traitement quantique est-il en train de se passer dans le cerveau? La méthode pour tester l’hypothèse doit être faite manière rigoureuse. «L’hypothèse générale est qu’il n’existe bien entendu aucun traitement de l’information quantique dans le cerveau», a déclaré TODADRI. «Il explique qu’il existe précisément une autre voie. La prochaine étape consiste donc à voir si cette échappatoire peut être comblée. » En effet, FISHER a commencé à rassembler une équipe pour effectuer des tests de laboratoire afin de répondre à cette question une fois pour toutes.

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FISHER appartient à une sorte de dynastie de la physique: son père, Michael E. FISHER, est un physicien de premier plan de l’université du Maryland College Park, dont les travaux en physique statistique ont été récompensés par de nombreux honneurs et récompenses au cours de sa carrière. Son frère, Daniel FISHER, est un physicien appliqué à la Stanford University spécialisé dans la dynamique de l’évolution. Matthew FISHER a suivi leurs traces en se forgeant une carrière en physique très réussie. Il a partagé le prestigieux prix Oliver E. Buckley en 2015 pour ses recherches sur les transitions de phase quantiques.

Alors, qu’est-ce qui l’a poussé à s’éloigner de la physique traditionnelle pour se diriger vers l’interface controversée et notoirement désordonnée de la biologie, de la chimie, des neurosciences et de la physique quantique? Ses propres luttes contre la dépression clinique.

FISHER se souvient très bien de ce jour de février 1986 où il s’est réveillé engourdi et en décalage horaire, comme s’il n’avait pas dormi depuis une semaine. «Je me sentais comme si j’avais été drogué», a-t-il déclaré. Un sommeil supplémentaire n’a pas aidé. Ajuster son régime alimentaire et son régime d’exercice s’est avéré futile et les tests sanguins n’ont rien révélé. Mais son état a persisté pendant deux années complètes. «Chaque minute, je ressentais une migraine sur tout le corps», a-t-il déclaré. La situation était si mauvaise qu’il envisageait de se suicider, bien que la naissance de sa première fille lui ait donné une raison de continuer à se battre dans le brouillard de la dépression.

Finalement, il trouva un psychiatre qui lui avait prescrit un antidépresseur tricyclique et, au bout de trois semaines, son état mental commença à se dégrader. «Le brouillard métaphorique qui m’avait tellement couvert que je ne pouvais même pas voir le soleil – ce nuage était un peu moins dense et j’ai vu qu’il y avait une lumière derrière lui», a déclaré FISHER. Au bout de neuf mois, il se sentait renaître, malgré certains effets secondaires importants du médicament, notamment une pression artérielle élevée. Il est ensuite passé au Prozac et depuis, il a suivi et peaufiné son traitement médicamenteux spécifique.

Son expérience l’a convaincu que les médicaments marchaient. Mais FISHER a été surpris de découvrir que les neuroscientifiques comprennent peu les mécanismes précis de leur fonctionnement. Cela a éveillé sa curiosité et, compte tenu de son expertise en mécanique quantique, il s’est imaginé la possibilité d’un traitement quantique dans le cerveau. Il y a cinq ans, il s’est lancé dans l’approfondissement du sujet, s’inspirant de sa propre expérience des antidépresseurs.

Comme presque tous les médicaments psychiatriques sont des molécules compliquées, il s’est concentré sur l’un des plus simples, le lithium (numéro atomique 3), qui est seulement constitué d’un atome (1 électron, 1 neutron et  1 proton pour le noyau), une « chose sphérique », pour ainsi dire, qui serait un modèle plus facile à étudier que le Prozac, par exemple. L’analogie est particulièrement appropriée car un atome de lithium est une sphère d’électrons entourant le noyau, a déclaré FISHER. Il a mis le doigt sur le fait que le lithium disponible sur ordonnance de votre pharmacie locale est principalement un isotope commun appelé lithium-7. Un isotope différent, comme le lithium-6, beaucoup plus rare, produirait-il les mêmes résultats? En théorie, cela devrait être le cas, car les deux isotopes sont chimiquement identiques. Ils ne diffèrent que par le nombre de neutrons dans le noyau.

Lorsque FISHER a effectué des recherches dans la littérature, il a découvert qu’une expérience comparant les effets du lithium-6 et du lithium-7 avait été réalisée. En 1986, des scientifiques de l’Université Cornell ont examiné les effets des deux isotopes sur le comportement des rats. Les rates gravides ont été séparées en trois groupes: un groupe a reçu du lithium-7, un groupe a reçu l’isotope lithium-6 et le troisième a servi de groupe témoin. Une fois les petits nés, les mères rates recevant du lithium-6 ont montré des comportements maternels beaucoup plus forts, tels que le toilettage, l’allaitement et la construction d’un nid, que les rats du groupe lithium-7 ou du groupe témoin.

Ce fait étonne FISHER. Non seulement la chimie des deux isotopes devrait être la même, mais la légère différence de masse atomique disparaît en grande partie dans l’environnement aqueux du corps. Alors, comment expliquer les différences de comportement observées par les chercheurs?

FISHER pense que le secret pourrait être dans le spin nucléaire, une propriété quantique qui affecte la durée pendant laquelle chaque atome peut rester cohérent, c’est-à-dire isolé de son environnement. Plus le spin est faible, moins le noyau interagit avec les champs électriques et magnétiques, et moins il se décolle rapidement.

Comme le lithium 7 et le lithium 6 ont des nombres de neutrons différents, ils ont également des spins différents. En conséquence, le lithium-7 décolle trop rapidement aux fins de la connaissance quantique, alors que le lithium-6 peut rester encapsulé plus longtemps.

(Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine)

FISHER avait trouvé deux substances, identiques à tous égards importants, à l’exception du spin quantique, et avait constaté qu’elles pouvaient avoir des effets très différents sur le comportement. Pour FISHER, il s’agissait d’une allusion tentante au fait que les processus quantiques pourraient effectivement jouer un rôle fonctionnel dans le traitement cognitif.

 

Cela dit, passer d’une hypothèse intéressante à démontrer que le traitement quantique joue un rôle dans le cerveau est un défi de taille. Le cerveau aurait besoin d’un mécanisme pour stocker des informations quantiques dans des bits suffisamment longtemps. Il doit exister un mécanisme permettant l’enchevêtrement de plusieurs qubits, et cet enchevêtrement doit alors avoir un moyen chimiquement réalisable d’influencer la manière dont les neurones se déclenchent. Il doit également y avoir un moyen de transporter des informations quantiques stockées dans les qubits à travers le cerveau.

C’est un défi de taille. Au cours de ses cinq années de recherche, FISHER a identifié un seul candidat crédible pour stocker des informations quantiques dans le cerveau: les atomes de phosphore, qui sont le seul élément biologique commun autre que l’hydrogène avec une rotation de moitié, un nombre faible qui permet des temps de cohérence plus longs. Le phosphore ne peut pas produire un qubit stable tout seul, mais son temps de cohérence peut être prolongé davantage, selon FISHER, si vous liez le phosphore avec des ions calcium pour former des grappes.

En 1975, Aaron POSNER, un scientifique de l’Université Cornell, remarqua une étrange concentration d’atomes de calcium et de phosphore dans ses rayons X sur os. Il a dessiné la structure de ces grappes: neuf atomes de calcium et six atomes de phosphore, appelés plus tard «molécules de POSNER» en son honneur. Les grappes sont apparues à nouveau dans les années 2000, lorsque des scientifiques simulant la croissance osseuse dans un fluide artificiel ont remarqué qu’elles flottaient dans le fluide. Des expériences ultérieures ont mis en évidence des amas dans le corps. FISHER pense que les molécules de POSNER pourraient également constituer un qubit naturel dans le cerveau.

C’est le scénario global, mais une diablerie se cache dans les détails que FISHER a passés à tâtonner ces dernières années. Le processus commence dans la cellule avec un composé chimique appelé pyrophosphate. Il est composé de deux phosphates liés, chacun composé d’un atome de phosphore entouré de multiples atomes d’oxygène à spin nul. L’interaction entre les spins des phosphates provoque leur enchevêtrement. Ils peuvent s’apparier de quatre manières différentes: Trois des configurations totalisent une spirale (un état de «triplet» qui n’est que faiblement enchevêtré), tout comme l’ADN, mais la quatrième possibilité produit un spin nul, ou un état «singlet» de maximum enchevêtrement, ce qui est crucial pour l’informatique quantique.

Ensuite, les enzymes dissocient les phosphates enchevêtrés en deux ions phosphates libres. Point crucial, ceux-ci restent enchevêtrés même lorsqu’ils se séparent. Ce processus se produit beaucoup plus rapidement, affirme FISHER, avec l’état singulier. Ces ions peuvent ensuite se combiner à leur tour avec des ions calcium et des atomes d’oxygène pour devenir des molécules de POSNER. Ni les atomes de calcium ni les atomes d’oxygène n’ont de spin nucléaire, ce qui préserve le spin total d’un demi, déterminant pour l’allongement des temps de cohérence. Ces groupes protègent donc les paires intriquées des interférences extérieures afin qu’elles puissent maintenir la cohérence plus longtemps, FISHER estime à peu près certain que cela pourrait durer des heures, des jours voire des semaines.

De cette façon, l’enchevêtrement peut être distribué sur des distances assez longues dans le cerveau, ce qui influe sur la libération de neurotransmetteurs et le déclenchement de synapses entre neurones, une action fantasmagorique au travail dans le cerveau.

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Les chercheurs de la biologie quantique sont intrigués par la proposition de FISHER. Alexandra Olaya-Castro, physicienne à l’University College London qui a travaillé sur la photosynthèse quantique, appelle cela «une hypothèse bien pensée. Il ne donne pas de réponses, il ouvre des questions qui pourraient ensuite nous amener à tester certaines étapes de l’hypothèse. »

Le chimiste Peter HORE de l’Université d’Oxford, qui étudie si les systèmes de navigation des oiseaux migrateurs utilisent des effets quantiques, est du même avis. “Voici un physicien théoricien qui propose des molécules spécifiques, des mécanismes spécifiques, jusqu’à l’impact sur l’activité cérébrale”, a-t-il déclaré, “Cela ouvre la possibilité d’essais expérimentaux.”

Les tests expérimentaux sont précisément ce que FISHER tente maintenant de faire. Il vient de passer un congé sabbatique à l’Université de Stanford, où il a collaboré avec des chercheurs pour reproduire l’étude de 1986 sur des rates gravides. Il a reconnu que les résultats préliminaires étaient décevants, en ce que les données ne fournissaient pas beaucoup d’informations, mais pense que si elles étaient répétées avec un protocole plus proche de l’expérience initiale de 1986, les résultats pourraient être plus concluants.

FISHER a demandé un financement pour mener d’autres expériences approfondies de chimie quantique. Il a collaboré avec un petit groupe de scientifiques de diverses disciplines à UCSB et à l’Université de Californie à San Francisco. En tout premier lieu, il aimerait savoir si le phosphate de calcium forme réellement des molécules de POSNER stables et si les spins nucléaires phosphores de ces molécules peuvent être empêtrés pendant de longues périodes.

Même HORE et OLAYA-CASTRO sont sceptiques quant à ces derniers, en particulier l’estimation approximative de FISHER selon laquelle la cohérence pourrait durer un jour ou plus. «Honnêtement, je pense que c’est très peu probable», a déclaré OLAYA-CASTRO. «La plus longue échelle de temps pertinente pour l’activité biochimique qui se passe ici est l’échelle de secondes, et c’est trop long.» (Les neurones peuvent stocker des informations pour des microsecondes.) HORE appelle la perspective «à distance», fixant la limite à une seconde au mieux. “Cela n’invalide pas toute l’idée, mais je pense qu’il aurait besoin d’une molécule différente pour obtenir de longs temps de cohérence”, a-t-il déclaré. “Je ne pense pas que la molécule POSNER soit elle. Mais je suis impatient de savoir comment ça se passe. ”

D’autres ne voient pas la nécessité d’invoquer le traitement quantique pour expliquer la fonction cérébrale. «Il est de plus en plus évident que nous pouvons expliquer tout ce qui est intéressant pour l’esprit, en termes d’interactions neuronales», a déclaré Paul NEWGARD, neurophilosophe à l’Université de Waterloo, en Ontario, au Canada. (THAGARD a refusé notre demande de commenter davantage.)

De nombreux autres aspects de l’hypothèse de FISHER nécessitent également un examen plus approfondi, et il espère être en mesure de mener les expériences à cet effet. La structure de la molécule POSNER est-elle symétrique? Et à quel point les spins nucléaires sont-ils isolés?

Plus important encore, que se passerait-il si toutes ces expériences prouvaient finalement son hypothèse erronée? Il serait peut-être temps d’abandonner complètement la notion de cognition quantique.

“Je pense que si le spin nucléaire du Phosphore n’est pas utilisé pour le traitement quantique, la mécanique quantique ne fonctionne pas à long terme dans la cognition”, a déclaré FISHER,  «L’ignorer est important scientifiquement. Ce serait bien que la science sache. »

Annexe : Caractéristiques du Lithium

Le lithium est l’élément chimique de numéro atomique 3, de symbole Li. C’est un métal alcalin, situé dans le premier groupe du tableau périodique des éléments.

Les noyaux des deux isotopes stables du lithium (6Li et 7Li) comptent parmi les noyaux atomiques ayant l’énergie de liaison par nucléon la plus faible de tous les isotopes stables, ce qui signifie que ces noyaux sont en fait assez peu stables comparés à ceux des autres éléments légers. C’est pourquoi ils peuvent être utilisés dans des réactions de fission nucléaire comme de fusion nucléaire. C’est également la raison pour laquelle le lithium est moins abondant dans le système solaire que 25 des 32 éléments chimiques les plus légers11. Sa surabondance relative dans la nature par rapport aux prédictions des seules nucléosynthèses primordiale et stellaire s’explique en fait par sa nucléosynthèse interstellaire (phénomène de spallation cosmique) par bombardement d’éléments plus lourds par des rayons cosmiques.

Le lithium joue un rôle important en physique nucléaire. La transmutationd’atomes de lithium en tritium a été la première réaction de fusion nucléaireartificielle, et le deutérure de lithium est le combustible de la bombe H.

Le lithium pur est un métal mou, de couleur gris argenté, qui se ternit et s’oxyde très rapidement au contact de l’air et de l’eau, prenant une teinte gris foncé virant rapidement à l’anthracite et au noir. C’est l’élément solide le plus léger. Comme les autres métaux alcalins, le lithium métallique réagit facilement avec l’air et avec l’eau. Il est pour cette raison conservé dans de l’huile minérale pour le préserver de l’air.

Le lithium est utilisé par l’industrie du verre et des céramiques, pour produire des piles et batteries rechargeables ou à haute-tension, des lubrifiants spéciaux, le traitement de l’air vicié par le CO2, par la métallurgie et l’industrie du caoutchouc et des thermoplastiques, la chimie fine, la production d’alliages.

Très réactif, le lithium n’existe pas à l’état natif dans le milieu naturel, mais uniquement sous la forme de composés ioniques. On l’extrait de roches de type pegmatite, ainsi que d’argiles et de saumures. L’élément chimique est utilisé le plus souvent directement à partir des concentrés miniers. Pour l’obtenir industriellement à l’état métallique, on utilise la technique de l’électrolyse en sel fondu (55 % LiCl et 45 % KCl, à 400 °C).

Les réserves mondiales de lithium étaient estimées par l’USGS à 13 millions de tonnes à la fin de 2010, dont 58 % en Bolivie et 27 % en Chine. En janvier 2018, cette estimation de l’USGS était passée à 16 millions de tonnes, et l’ensemble des ressources identifiées à 53,8 millions de tonnes. La production mondiale, quant à elle, s’est élevée à 43 000 tonnes en 2017, hors États-Unis (dont les données ne sont pas rendues publiques par l’USGS), assurée essentiellement par l’Australie (43 %), le Chili (33 %), l’Argentine (13 %) et la Chine (7 %).

Le lithium est présent à l’état de traces dans les océans et chez tous les êtres vivants. Il ne semble pas avoir de rôle biologique notable car les animaux et les végétaux peuvent vivre en bonne santé dans un milieu dépourvu de lithium. Les éventuelles fonctions non vitales du lithium n’ont pas non plus été élucidées, cependant l’administration d’ions Li+ sous forme de sels de lithium s’est révélée efficace comme thymorégulateur, notamment en cas de trouble bipolaire12.

Selon la théorie moderne de la cosmologie le lithium est l’un des trois éléments synthétisés au cours du Big Bang, sous forme de lithium 728. Bien que la quantité de lithium générée dépende du nombre de photons par baryon, l’abondance du lithium peut être calculée pour les valeurs couramment admises pour ce nombre. Il existe cependant une contradiction cosmologique concernant le lithium dans l’univers, les étoiles les plus anciennes semblant contenir moins de lithium qu’elles ne devraient alors que les plus jeunes en possèdent plus29. Une hypothèse est qu’au sein des étoiles les plus anciennes, le lithium est mélangé et détruit, alors qu’il est produit dans les étoiles les plus jeunes. Bien que le lithium se transmute en deux atomes d’héliumaprès collision avec un proton à des températures supérieures à 2,4 millions de degrés Celsius, l’abondance du lithium dans les étoiles les plus jeunes est plus importante que les modèles numériques ne le prévoient30. En 2017, 12 étoiles de la Voie Lactée contenant jusqu’à 2 800 fois plus de lithium que le Soleil ont été observées ; ces étoiles n’ayant pas atteint la phase de géante rouge, le lithium qu’elles contiennent est supposé dater de la formation de celles-ci mais sa présence demeure largement inexpliquée31.

Bien qu’il soit l’un des trois éléments synthétisés à l’origine de l’univers le lithium, tout comme le béryllium et le bore, est nettement moins abondant que d’autres éléments. Cela s’explique par les faibles températures nécessaires à la destruction du lithium et au manque de processus pour le produire32.

Le lithium a une masse volumique très faible de 0,534 g/cm3, du même ordre de grandeur que le bois de sapin. C’est le moins dense de tous les éléments solides à température ambiante, le suivant étant le potassium avec une densité 60 % plus élevée (0,862 g/cm3). De plus, hormis l’hydrogène et l’hélium, il est moins dense que tous les autres éléments à l’état liquide. Sa densité est de 2/3 celle de l’azote liquide (0,808 g/cm3)43. Le lithium peut flotter sur les huiles d’hydrocarbure les plus légères et est, avec le sodium et le potassium, l’un des rares métaux pouvant flotter sur l’eau.

Le lithium est trouvé à l’état de traces dans le plancton, dans de nombreuses plantes et invertébrés à des concentrations variant de 69 ppb à 5 760 ppb. Dans les tissus et fluides vitaux des vertébrés, la concentration varie de 21 à 763 ppb49. Les organismes marins accumulent davantage de lithium dans leurs tissus que leurs homologues terrestres50.

Le rôle du lithium dans le vivant est encore assez obscur49 mais des études nutritionnelles chez les mammifères l’impliquent comme facteur de bonne santé et suggèrent qu’il doit être considéré comme un élément-trace essentiel avec une DJA de l’ordre de 1 mg/jour51.

Une étude épidémiologique observationnelle récente (2011) indiquerait un lien entre le taux de lithium dans l’eau de boisson et la longévité51.

Le lithium est utilisé depuis longtemps dans le traitement des troubles bipolaires. Il reste le traitement de référence avec lequel les autres thymorégulateurs sont comparés. Le principe actif des sels de lithium est l’ion Li+, bien que les mécanismes d’actions précis soient encore débattus.

 

 

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