04/06/2020
Conscience quantique
Ci-dessous vous pouvez trouver une traduction complète d'un article du 1er Mars 2018 paru dans le Discovermagazine présentant la théorie ORCH OR (Réduction Objective orchestrée) de Stuart Hameroff et Roger Penrose.
Cette théorie suggère que la conscience serait liée à un phénomène quantique dans les microtubules cellulaires des neurones.
La physique quantique peut-elle expliquer la conscience? Un scientifique pense que cela se pourrait.
Ses collègues scientifiques l'ont qualifié de cinglé. Maintenant, les théories de la conscience quantique de Stuart Hameroff reçoivent le soutien de milieux improbables.
Par Steve Volk 1 mars 2018 18h00
L'anesthésiste Stuart Hameroff pense que de minuscules structures dans nos cellules appelées microtubules pourraient expliquer la conscience. (Crédit: Steve Craft)
Hameroff est surtout connu comme "la mouche du coche" dans les domaines des neurosciences et de la philosophie. Il a émergé en 1994 des entrailles sans fenêtre de l'hôpital de l'Arizona où il travaille toujours comme anesthésiste pour proposer ce qui semblait - à l'époque - certaines des idées les plus bizarres sur le cerveau humain.
La plupart des neuroscientifiques affirment que les pensées naissent de cellules cérébrales appelées neurones. Hameroff suggère que l'action la plus significative se produit au niveau quantique incroyablement petit, où les particules subatomiques comme les photons et les électrons présentent un comportement bizarre. La physique quantique anime la conscience, croit-il.
Si Hameroff a proposé ces idées lui-même, il aurait pu être ignoré, mais son co-théoricien était Sir Roger Penrose, une figure estimée de la physique mathématique. Leur théorie, surnommée «réduction objective orchestrée» ou Orch-OR, suggère que des structures appelées microtubules, qui transportent du matériel à l'intérieur des cellules, sous-tendent notre pensée consciente.
Mais le modèle Penrose-Hameroff de ce que vous appelleriez la conscience quantique n'était pas scientifique. D'éminents experts ont carrément rejeté le nouveau modèle. Les effets quantiques, selon la critique, sont notoirement difficiles à maintenir en laboratoire, nécessitant des températures ultra-froides et un blindage pour se protéger contre les interférences les plus légères. Les critiques ont déclaré que les êtres vivants sont tout simplement trop «chauds, humides et bruyants» pour permettre la persistance d'importants effets quantiques. De plus, selon les neuroscientifiques, le modèle de Penrose-Hameroff n'offrait aucune hypothèse vérifiable.
Le physicien mathématicien Sir Roger Penrose prend la parole lors de la conférence 2017 Science of Consciousness. (Crédit: Brad Buhr)
Les deux parties ont exprimé leur désaccord sans équivoque, produisant de plus en plus de documents au fil des ans.. Mais alors que la réputation de Penrose est trop imposante pour être détruite, Hameroff semble trouver sa base la plus ferme dans la culture pop. Il a embrassé le soutien de Deepak Chopra, un auteur et gourou du New Age des théories de la conscience quantique. Il a également figuré dans What the Bleep Do We Know? , un film qui a mis en colère les scientifiques pour avoir promu un mysticisme quantique qui serait à la base de notre existence..
En cours de route en 2006, Hameroff a donné une conférence qui résumait sa relation avec la communauté scientifique. Lors d'une conférence intitulée "Beyond Belief" qui était remplie de sommités de nombreuses disciplines, il a présenté ses théories sur tout, de la conscience jusqu'à une "spiritualité" basée sur la mécanique quantique. À la fin, l'éminent physicien Lawrence Krauss a pris la parole depuis son siège dans l'auditoire. «Du point de vue de la physique», a-t-il dit, «tout ce que vous avez dit n'a pas de sens.»
Beaucoup considèrent Hameroff comme un non-sens, une créature tirée d'une histoire de Lewis Carroll criant de dessous un champignon que nous avons tout faux, qu'une sorte de magie quantique sous-tend notre fonctionnement cérébral.
Mais à peine quatre ans plus tard, un changement était en cours. En 2010, Hameroff a été invité à prendre la parole lors d'une réunion moins publique, sur le campus de Google à Mountain View, en Californie. Sa présentation a suggéré qu'il pourrait avoir une vision plus ferme de la réalité que certains ne le pensaient.
Hameroff et plusieurs autres scientifiques ont été invités par Hartmut Neven, un chercheur de Google sur les technologies de recherche visuelle. À ce moment-là, les scientifiques essayaient déjà d'exploiter les lois de la physique quantique pour construire des ordinateurs plus petits et plus intelligents . Et les biologistes avaient commencé à soupçonner que la physique quantique pouvait être importante pour des processus comme la photosynthèse et la migration en utilisant le champ magnétique terrestre. Neven dit qu'il était intéressé par les recherches de Hameroff, car la compréhension de l'efficacité du cerveau pourrait entraîner d'énormes économies pour Google.
"Je pense qu'il est assez remarquable que le cerveau humain soit capable d'accomplir ses exploits extraordinaires avec juste une cuillerée de sucre par jour", dit Neven.
Il s'est passé quelque chose de drôle lors du voyage de Hameroff dans les champs de la dérision scientifique : Des données sont apparues.
Les données ne sont pas suffisantes pour confirmer Orch-OR, mais les nouvelles découvertes suggèrent que certaines des affirmations de Hameroff sont plus plausibles qu'on ne le pensait auparavant. De plus, le microtubule - les minuscules structures qui, selon Hameroff, abritent des opérations quantiques dans le cerveau - est soudainement un sujet brûlant. Et deux chercheurs découvrent que l'ancien anesthésiste pourrait avoir raison: la physique quantique pourrait être vitale pour notre conscience, notre cognition et même notre mémoire.
Le problème difficile
Malgré la position controversée de Hameroff dans la communauté scientifique, les conférences qu'il organise restent un bon atout pour les chercheurs et les philosophes en neurosciences. Lors de sa première conférence sur la conscience à Tucson, Arizona, en 1994, un jeune philosophe du nom de David Chalmers - un Australien avec une veste en cuir, et surmonté de longs cheveux hirsutes d'un fan de heavy metal - a fait des vagues avec une nouvelle interprétation d'une question ancienne. .
Chalmers a soutenu que certains problèmes associés aux études cognitives sont relativement «faciles» à résoudre. La plupart du traitement de l'information, comme la conduite d'une voiture, n'est qu'un simple calcul. Et pour cela, la mise à feu des neurones suffit. Le «problème difficile», dit-il, est l'existence de la conscience elle-même . Le même câblage dans notre cerveau nous permet de profiter de manger une pomme et nous permet également d'imaginer en manger une quand aucune pomme réelle n'est autour. La science ne peut pas expliquer précisément comment. Les théories abondaient déjà et des chercheurs comme le neuroscientifique Christof Koch - en partenariat avec Francis Crick, le co-découvreur de la molécule d'ADN - ont cherché ce qu'il appelait les corrélats neuronaux de la conscience.
Mais là où la plupart sont restés fidèles à la compréhension orthodoxe de la physique et des neurosciences, Hameroff est venu vanter ses idées les plus lointaines.
Lors de la conférence Tucson Science of Consciousness de 2016, Hameroff a été traité avec le respect accordé à un organisateur de la conférence et a également fait l'objet de blagues occasionnelles. Des gémissements audibles se faisaient entendre dans le public, par exemple, lorsque Hameroff prenait le micro et reliait ce qui venait d'être présenté à sa propre théorie.
Mais au cours du déjeuner, par une journée particulièrement chaude à mi-parcours de la conférence, M. Hameroff a cherché une place à l'ombre et a fait valoir qu'il se contentait de donner ce qu'il reçoit : Ses détracteurs peuvent exprimer leurs jugements par des subtilités académiques, dit-il, mais ils disent essentiellement qu'il a gâché sa carrière dans une tentative malavisée d'orienter la neuroscience vers la pure spéculation et la courtoisie quantique.
"Roger est toujours à bord", dit-il à propos de Penrose. "Pour être honnête, nous avons un peu d'aller très haut."
Penrose reste fidèle à ce que le couple a co-publié au fil des ans - la science théorique. Ils se distinguent en dehors de leurs écrits. Penrose a surtout été muet sur les implications philosophiques de leur théorie. Hameroff a librement spéculé sur ce que tout cela signifie. Par exemple, il a avancé que les expériences de mort imminente pourraient refléter quelque chose de réel : une vie quantique potentiellement éphémère après la mort.
Le défi, alors, est de mettre de côté les spéculations de Hameroff et de regarder plutôt ce que lui et Penrose ont publié, et comment ce couple étrange est devenu partenaire en premier lieu.
La biographie de Hameroff, et au moins certaines de ses affirmations, sont plus fermement ancrées dans la science que ne le permettent normalement ses critiques.
Fils d'un aboyeur de Carnaval
Hameroff est né en 1947 à Buffalo, New York. Son père, Harry, s'est produit comme aboyeur de carnaval et comédien au théâtre burlesque et au vaudeville. Son grand-père Abraham a eu une énorme influence sur lui. Il achetait les jeunes livres de Stuart sur la science et lui parlait d'Einstein. «Il était une sorte de dilettante intellectuel», explique Hameroff. "Il en savait beaucoup sur beaucoup."
Lorsqu'il était temps de poursuivre des études supérieures, Hameroff était déjà profondément intéressé par le «problème corps-esprit» - en substance, le «problème difficile» de Chalmers avant qu'il n'invente le terme.
Hameroff a choisi l'école de médecine, mais trouver une spécialité lui a posé problème. Neurologie? Psychiatrie? Lors d'un stage au Tucson Medical Center, le président du département d'anesthésiologie lui a dit que l'anesthésiologie était la clé pour comprendre la conscience. Hameroff a donc enquêté et sa carrière en anesthésiologie a rapidement pris forme.
Hameroff affirme qu'un patient sous anesthésie présente des fonctions cérébrales relativement normales, à l'exception d'une chose : la conscience. Les neurones continuent de fonctionner et même les signaux de douleur suivent leur cheminement normal. Mais cette douleur n'est jamais ressentie, jamais vécue. La science de l'anesthésie se trouve au cœur du problème - permettant aux processus informatiques "faciles" de se poursuivre tout en éliminant sélectivement l'expérience subjective. Mais personne ne sait vraiment comment.
Au début de sa carrière, Hameroff soupçonnait que les microtubules pourraient apporter une réponse. Les microtubules ont été découverts par accident dans les années 1960. Au cours des décennies suivantes, elles se sont révélées être parmi les structures biologiques les plus polyvalentes de la nature. La tubuline, une protéine flexible, s'assemble en une longue chaîne pour créer des microtubules. Ces tubes de 25 nanomètres de large - des milliers de fois plus petits qu'un globule rouge - se trouvent dans chaque cellule des plantes et des animaux.
Ces structures cylindriques creuses sont constituées de deux types de protéines de tubuline - appelées alpha et bêta - qui se lient ensemble en une seule unité. Ces unités s'assemblent en chaînes, formant le microtubule. Présent dans toutes les cellules végétales et animales, les microtubules servent à diverses fins, des structures de soutien aux tapis roulants, et peut-être même au siège de la conscience. (Crédit: Alison Mackey / Découvrir)
Les microtubules agissent comme le cytosquelette crucial, soutenant la structure des cellules vivantes; comme des tapis roulants, déplaçant les composants chimiques d'une cellule à une autre; et en tant que moteurs eux-mêmes, prenant différentes formations et divisant les chromosomes. Pendant la division cellulaire, les microtubules déplacent les chromosomes d'une extrémité à l'autre de la cellule, puis positionnent les chromosomes dans les nouvelles cellules filles. Les microtubules entrent même en jeu à l'extérieur des cellules, formant des cils et des flagelles qui permettent le mouvement des cellules. Cela fait de ces structures quelque chose comme les transformateurs de la biologie.
Un microscope à fluorescence spécial révèle les structures cytosquelettiques qui aident à donner forme et support mécanique aux cellules. Ce cytosquelette est en grande partie fabriqué à partir des protéines de tubuline qui forment des filaments de microtubules. (Crédit: Gopal Murti / Source scientifique)
Hameroff en est venu à croire que le microtubule joue un rôle déterminant dans les effets de l'anesthésie - dans la conscience. Il montre la paramécie unicellulaire comme preuve. «La paramécie n'a pas de système nerveux central», dit-il. «Pas de cerveau, pas de neurones, mais elle nage, trouve de la nourriture, trouve un compagnon et évite le danger.Il semble faire des choix et semble définitivement traiter l'information. »
Comment ? Ou plutôt, où, selon Hameroff ? Dans quelle partie de la paramécie ce genre de connaissance grossière se produit-elle ? Hameroff pensait pouvoir trouver les réponses dans la seule structure interne de la paramécie : les microtubules, le cytosquelette de la paramécie. Et comme il s'agit de structures à l'échelle nanométrique, il a également commencé à penser que la physique quantique pourrait jouer un rôle. Mais tout au long des années 1980, ses recherches n'ont pas été reconnues par le public. Puis, un soir de 1990, il s'est assis pour lire le livre de Penrose, The Emperor's New Mind, un best-seller surprenant qui parcourt la physique, la cosmologie, les mathématiques et la philosophie avant de marquer un arrêt final, slam-bang, à la conscience.
(Crédit: Dennis Kunkel Microscopy / Science Source)
Dans ses dernières pages, Penrose se demande comment la mise à feu des neurones génère de l'expérience. Il pense que la physique quantique pourrait être nécessaire pour comprendre la conscience.
Mais où dans le corps - un endroit inhospitalier pour de délicates perturbations quantiques - de tels événements pourraient-ils se produire ? Hameroff a ressenti un lien immédiat avec Penrose. Et bien sûr, il pensait que les microtubules détenaient la réponse.
De loin, les deux semblaient être un couple étrange: Penrose est l'un des scientifiques les plus respectés du dernier demi-siècle, et ses travaux en cosmologie et en relativité générale lui ont valu de grands honneurs. Hameroff était un relatif inconnu , criant au sujet d' une structure biologique obscure. Mais en quelques années, ils ont co-écrit des articles ensemble et attiré le mépris d'une génération de collègues scientifiques.
Les organismes unicellulaires comme cette paramécie semblent traiter l'information même sans cerveau ni neurones. Hameroff pense que les microtubules pourraient expliquer comment. (Crédit: Ted Kinsman / Science Source)
Les données arrivent
En somme, Orch-OR propose que la conscience provienne des microtubules et des actions à l'intérieur des neurones, plutôt que des connexions entre les neurones. Frappez une balle de tennis avec une raquette, et ensuite vous pouvez utiliser la physique traditionnelle pour prédire où elle se trouve à un moment donné. Mais dans le domaine quantique, de telles attentes ne sont pas satisfaites. Selon l'interprétation traditionnelle de la mécanique quantique, les mouvements sont inconnus tant qu'ils ne sont pas observés. Les physiciens appellent cette dernière observation, qui détermine ce qui s'est passé, une onde "s'effondrant" dans un état unique.
Dans les systèmes quantiques à l'intérieur du neurone, Hameroff et Penrose soutiennent que c'est chaque effondrement de la fonction d'onde qui produit un moment conscient.
Hameroff et Penrose étaient coupables d'avoir invoqué un mystère pour en résoudre un autre: nous ne comprenons pas la conscience et nous ne comprenons pas la physique quantique, alors peut-être qu'ils s'expliquent l'un l'autre?
Orch-OR était et reste vulnérable aux attaques - et beaucoup le font avec grand d'enthousiasme. Il y a vingt ans, la neurophilosophe Patricia Churchland et le physicien Max Tegmark faisaient partie de ceux qui ont ouvert le bal. Hameroff et Penrose ont répondu, et Hameroff a publié une liste de 20 prédictions testables fournies par Orch-OR.
Cette théorie de la conscience quantique développée par Stuart Hameroff et Sir Roger Penrose suggère que de minuscules structures cellulaires appelées microtubules sous-tendent la pensée consciente. (Crédit: Alison Mackey / Découvrir)
Cependant, la théorie plus large sert en quelque sorte à détourner l'attention de certaines des idées d'Hameroff : que la physique quantique pourrait jouer un rôle non négligeable dans la cognition et la conscience humaines, et que les microtubules - activité à l'intérieur du neurone - pourraient abriter ces événements quantiques.
"Si vous aviez spéculé dans ce sens, disons il y a 10 ans, vous auriez été catalogué comme un fou", dit Neven de Google.
La mécanique quantique traditionnelle dit qu'un système physique n'a pas de propriétés définies jusqu'à ce qu'il soit observé - un acte connu sous le nom d'effondrement d'une fonction d'onde. Par exemple, dans l'expérience de pensée classique d'Erwin Schrödinger, un chat dans une boîte est à la fois mort et vivant - connu sous le nom de superposition - jusqu'à ce qu'il soit observé comme l'un ou l'autre. Ainsi, une observation, ou la conscience elle-même, provoque l'effondrement de la vague. OU propose le contraire: l'effondrement fait naître la conscience. (Crédit: Alison Mackey / Découvrir)
Mais les chercheurs ont récemment découvert que les effets quantiques sont importants pour certains processus biologiques, comme la photosynthèse. Lorsqu'un photon frappe un électron dans une feuille, l'électron le livre à une autre molécule surnommée le centre de réaction, qui convertit cette lumière en énergie chimique pour nourrir la plante. Les scientifiques ont toujours pensé que le processus semblait presque trop efficace car très peu d'énergie excédentaire était perdue dans le processus.
Puis, en 2007, les chercheurs ont commencé à soupçonner que la physique quantique était à l'origine de cette efficacité. L'électron pourrait utiliser l'effet quantique de la superposition, où une particule peut se trouver à deux endroits à la fois, pour tester plusieurs voies vers le centre de réaction où la photosynthèse a lieu, et prendre la plus efficace. Le concept n'est pas encore éprouvé, mais il a gagné en popularité. Neven dit que les scientifiques font maintenant attention à ne pas rejeter carrément de telles idées.
Par exemple, dans un récent article de Nature Physics , le physicien Neill Lambert de l'Institut des sciences avancées du Japon a qualifié de nouvelles recherches sur la photosynthèse de remarquables juste pour suggérer que des effets quantiques peuvent se produire dans les systèmes biologiques à température ambiante.
Et plus récemment, Rod Eckenhoff, chercheur à l'Université de Pennsylvanie et critique de Hameroff, a donné des anesthésiques aux têtards pour comprendre à quelles molécules ils se lient. Son équipe a découvert que les protéines de tubuline en faisaient partie, puis a découvert que si une sorte d'agent inverse était administré - un médicament stabilisant les microtubules - les effets anesthésiques l'étaient également. Il reste un critique des théories «spéculatives» de Hameroff, mais dit que ses recherches suggèrent que les microtubules pourraient jouer «un certain rôle» dans la conscience.
Pourtant, Hameroff reste controversé. Koch, le chercheur sur le cerveau et expert en conscience, a refusé de commenter, affirmant qu'il ne voulait pas être le «critique éternel» auquel tout le monde s'adressait pour les démolitions de la théorie de Hameroff-Penrose. Mais certains s'en sortent.
«J'ai toujours été assez sceptique quant aux affirmations de Stuart concernant les microtubules», explique Anthony Hudetz, neuroscientifique au département d'anesthésiologie de l'Université du Michigan. «Mais maintenant, il y a des données. Et je dois dire que je pense que Stuart a un certain élan maintenant. »
Hudetz voit les microtubules comme un bon mécanisme potentiel pour expliquer l'anesthésie. "J'ai le sentiment que toute cette théorie des microtubules a bien mûri", dit-il. Pour Hudetz, la clé pour l'avenir est de tester si les événements moléculaires à l'intérieur des microtubules sont réellement liés aux événements quantiques comme le propose Hameroff.
Et maintenant, deux scientifiques travaillant indépendamment l'un de l'autre, mais tous deux ouvertement inspirés par Hameroff, amènent la recherche sur les microtubules à un tout autre niveau.
À l'intérieur du neurone
Anirban Bandyopadhyay a résumé ses recherches dans un exposé lors de la conférence sur la science de la conscience de Hameroff en 2016. Grand et mince, avec des cheveux noirs et sombres et un large sourire joyeux, Bandyopadhyay occupe un "emploi de prune" pour un scientifique au début de la quarantaine, dirigeant son propre groupe de recherche à l'Institut national des sciences des matériaux (NIMS) au Japon. En tant que physicien, il a étudié le fonctionnement interne des cerveaux naturels et artificiels. Pour comprendre le fonctionnement du cerveau, M. Bandyopadhyay pense que les scientifiques doivent comprendre les rouages à l'intérieur du neurone, y compris le microtubule.
La vision conventionnelle est que les neurones se déclenchent lorsqu'un canal à l'intérieur de la membrane cellulaire s'ouvre, inondant le neurone d'ions chargés positivement. Une fois qu'un seuil spécifique est atteint, un signal électrique descend l'axone - les fibres nerveuses à l'intérieur du neurone - et le neurone se déclenche. Les axones sont de longs fils qui connectent les neurones à d'autres cellules. Et à l'intérieur de chaque axone se trouve un faisceau de nanofils, y compris le microtubule.
Bandyopadhyay a découvert qu'il pouvait appliquer l'une de ces charges spécifiques au microtubule, provoquant une accumulation d'activité dans le neurone. En permettant au courant de continuer, il pourrait provoquer le déclenchement du neurone, ou - en coupant le signal - l'empêcher de se déclencher complètement.
Il dit que ce faisceau de nanofils résonne comme une corde de guitare, se déclenchant des milliers de fois plus rapidement que l'activité normale d'un neurone. Le neurone, pensait-il, contrairement à toute compréhension scientifique actuelle, n'était pas la cause essentielle, ni la première cause du processus de pensée humaine.
«[Les neuroscientifiques] doivent aller plus loin - dans le microtubule», dit-il.
Pour Bandyopadhyay, l'accent mis par la science du cerveau moderne sur le neurone est erroné. Parfois effronté, il qualifie les neurosciences de dermatologie.
«Le neurone est la peau», dit-il. "C'est important, oui, mais pas tout."
Frange ou frontière?
Les travaux de Bandyopadhyay en 2013 sur le microtubule ont nécessité la remise en place d'un microscope spécial et la conclusion d'un contrat avec une entreprise extérieure pour créer une aiguille avec une pointe de 1 sur 1 nanomètre - la plus petite jamais construite, dit Bandyopadhyay. Son équipe l'a utilisé pour scruter l'intérieur du microtubule avec une précision incroyable.
Bandyopadhyay a inséré l'aiguille dans un neurone de rat pour voir le microtubule. Comme il l'a fait, les écrans d'un des murs de la pièce ont clignoté avec des images du plus petit niveau de la biologie animale. La série d'expériences suivante consistait à appliquer diverses charges électriques et à observer la "peau" du neurone ainsi que l'intérieur du microtubule. Au début, il ne s'est rien passé. Mais lorsqu'il a commencé à appliquer des charges énergétiques spécifiques au microtubule, celui-ci a réagi, vibrant et conduisant l'électricité. C'était curieux et excitant.
Anirban Bandyopadhyay, un physicien qui étudie les cerveaux artificiels et naturels, a appliqué des courants aux microtubules pour voir comment ils réagissent. (Crédit: Brad Buhr)
Un microtubule est composé de nombreuses sous-unités individuelles. S'ils fonctionnaient de manière purement classique, en tant qu'isolateurs - comme le bois, le verre et d'autres matériaux courants qui empêchent le courant électrique de circuler librement - la quantité de résistance à travers le microtubule devrait augmenter. Mais Bandyopadhyay a trouvé quelque chose de très différent lorsqu'il a appliqué des charges spécifiques de courant alternatif. Les niveaux de résistance ont augmenté d'un facteur 1 milliard. Le microtubule agissait comme un semi-conducteur, l'un des développements les plus importants de l'électronique. Il était là, émerveillé par ses propres résultats.
«Lorsque vous obtenez des résultats comme celui-ci», dit-il, «vous avez peur. Est-ce que je me trompe en quelque sorte? "
Mais il a vérifié, même si des collègues à l'extérieur de son laboratoire au NIMS examinaient ses résultats. Dans des expériences ultérieures, il a vu que cette activité conductrice dans le microtubule précédait la cuisson neuronale ou membranaire. Ses recherches sur les microtubules ont été publiées dans la revue Biosensors and Bioelectronics . Et il a une autre étude en cours d'examen par les pairs.
Les résultats doivent encore être reproduits par d'autres scientifiques. Mais ceux qui vantent les conclusions de Bandyopadhyay sont philosophiques quant à sa position.
«Si vous êtes à la recherche de la science pionnière, vous devez aller au bord de ce qui est connu», explique David Sonntag, un toxicologue qui travaillait auparavant à Tokyo pour l'aile de recherche et développement de l'US Air Force et a aidé à financer certaines des recherches de Bandyopadhyay.
«Si vous prenez un mauvais virage», dit-il, «vous rencontrerez son voisin fou, la science marginale. Le problème est de comprendre quand vous êtes au point de bifurcation. Quand la frange devient-elle la frontière? »
Pour l'instant, Bandyopadhyay reste clairement en marge. Mais il a apporté quelque chose de nouveau au débat: une expérience qui peut être reproduite ou non, et une perspective différente sur Hameroff.
Il prend soin de se distancier de la théorie plus large de la conscience de Hameroff. «Ce n'est pas ma préoccupation», dit-il. Pourtant, il décrit Hameroff comme le père de ses propres recherches. «Cet homme parlait de microtubules en 1982», dit-il. «Rien que par la pensée, sans pouvoir les étudier comme j'ai pu le faire, il savait , et si loin devant tout le monde. Je me suis demandé: "Quel genre de cerveau a-t-il?" "
Élément manquant d'un circuit
Il y a aussi un autre scientifique beaucoup plus expérimenté qui travaille dans la même veine de recherche et voit des résultats spectaculaires concernant le microtubule.
Jack Tuszynski, biophysicien à l'Université de l'Alberta, est un collaborateur de longue date de Hameroff qui crée des médicaments contre le cancer. Ses dernières découvertes suggèrent que les microtubules ont des propriétés conductrices intéressantes, mais indiquent qu'ils pourraient également être ce que l'on appelle des «memristors». Le memristor est le quatrième élément très recherché d'un circuit électrique, théorisé pour la première fois par Leon Chua, ingénieur électricien à l'Université de Californie à Berkeley.
Chua a repéré quelque chose d'évident. Les trois éléments de circuit existants - résistance, condensateur et inductance - dépendent des relations entre les paires qui contrôlent la façon dont l'électricité circule, comment elle est stockée et comment elle change au fur et à mesure qu'elle se déplace dans un circuit:
• résistance (tension + courant)
• condensateur (tension + charge)
• inductance (flux magnétique + courant)
En étudiant les paires, Chua a théorisé qu'il devrait y avoir un quatrième élément de circuit régissant la relation entre la paire «manquante» - charge et flux. Chua a inventé le terme memristor , jouant sur les mots mémoire et résistance , et à partir de là, son travail était strictement mathématique. Si un tel élément de circuit existait, que ferait-il? Les équations de Chua suggéraient que la résistance électrique ou la conductivité d'un memristor ne serait pas constante, comme celle d'une ampoule, mais dynamique, et déterminée par l'histoire du courant qui avait traversé l'appareil.
Les circuits électriques utilisent quatre variables fondamentales: courant, tension, charge et liaison de flux magnétique. Les relations entre ces variables ont conduit aux composants classiques d'un circuit - résistance, condensateur, inductance - à l'exception d'un appariement: charge + flux. Le memristor remplit ce trou, créant un quatrième élément de circuit qui fonctionnerait comme une résistance avec mémoire. (Crédit: Alison Mackey / Découvrir)
Quel est le problème? Dans les transistors, toute interruption du flux d'électrons entraîne une perte de données. Les memristors, cependant, incorporent à la fois le flux d'électrons et les ions - des atomes chargés électriquement.
Parce qu'ils se souviennent de la charge qui a précédemment transité par le matériel, les informations peuvent être conservées même lorsqu'elles sont désactivées. Dans les ordinateurs, l'innovation signifie qu'il n'y a plus de redémarrage. Les ordinateurs s'allumeraient comme des ampoules électriques et les disques durs deviendraient une chose du passé.
La course est lancée pour construire des puces memristor à un coût évolutif pour les ordinateurs grand public, et pour cause: les memristors nécessitent peut-être 1% de l'énergie d'une puce standard. Et tandis que les puces informatiques standard sont limitées au code binaire de 0 et de 1, les memristors traitent en unités fractionnaires d'information - un développement considéré comme clé dans la construction d'ordinateurs qui se comportent comme le cerveau humain.
Tuszynski ne connaissait pas les memristors jusqu'à ce qu'il rencontre Chua lors d'une conférence en 2015 en Inde. "Je pense que les microtubules sont des memristors", lui a dit Chua, révélant un intérêt de longue date pour le travail de Hameroff. Chua a été particulièrement frappé, dit-il, lorsqu'il a entendu Hameroff souligner que les microtubules sont omniprésents dans la nature, contrairement aux neurones. Cette perspicacité - vraiment, une simple déclaration de fait - a semblé cruciale à Chua. «Tous ces systèmes biologiques se livrent à une sorte de traitement de l'information», dit-il. "Alors, comment font-ils?"
Il pensait que Hameroff avait trouvé la réponse dans des microtubules.
Tuszynski est très différent de Hameroff, son collaborateur de recherche de longue date. Solide et pratique, il a publié plus de 400 articles dans des publications à comité de lecture, travaillant dans les domaines terrestres de la médecine de précision et de la biologie computationnelle. "Stuart, je pense, est très enclin à la spéculation", dit-il. «À bien des égards, il est son pire ennemi et serait mieux s'il se limitait un peu. Mais Stuart est un génie. Son travail sur les microtubules, avant même de s'impliquer dans Penrose, est brillant, et c'est la raison pour laquelle je travaille sur les microtubules aujourd'hui. »
Pour tester la théorie des memristors, l'équipe de Tuszynski a rempli une boîte de microtubules, de protéines de tubuline et d'une solution tampon, puis a ajouté de l'électricité. Au cours de plusieurs semaines, il a trouvé un résultat fascinant. Plus il a remplacé la solution tampon par plus de microtubules, meilleure fût la conductance.
«La conductance a été multipliée par deux ou trois par la présence accrue de microtubules», explique Tuszynski, suggérant que les microtubules étaient plus efficaces pour conduire l'énergie que la solution tampon.
De plus, il a trouvé l'effet "mémristor signature": lorsqu'il inversait le flux d'électricité, comme dans un courant alternatif, l'efficacité de la conductance augmentait, comme si le microtubule s'était souvenu du courant qui le traversait auparavant.
Le laboratoire de Tuszynski a publié un article l'été dernier sur les propriétés conductrices des microtubules dans Nature Scientific Reports , et il prépare un article sur les microtubules en tant que memristors. Si ces résultats se maintiennent, cela pourrait soutenir le cas de Hameroff.
Le royaume quantique
Le dernier matin de la conférence à Tucson, Hameroff déroule lentement une valise dans le hall et se laisse tomber sur une chaise longue pour s'acquitter de quelques tâches administratives supplémentaires.
"Je pense que ça s'est bien passé", dit-il. "Les gens me disent qu'ils ont apprécié. J'ai organisé ça, donc ça pourrait être des conneries. Mais je crois qu'ils le pensent vraiment."
Ceci étant une production Hameroff, il y avait une bonne quantité de combat. Chalmers a accusé Hameroff d'avoir poussé la conférence trop loin dans le domaine quantique.
Hameroff a une réponse prête. Il a pu inclure autant de sessions de conférence orientées quantique, dit-il, parce que la biologie quantique est un domaine en pleine croissance.
Bien sûr, rien de tout cela ne veut dire que Hameroff remporte ce débat. Il n'a pas encore recadré la frange comme frontière, et il ne le fera peut-être jamais. Mais en ce moment, le succès scientifique étant en partie une simple fonction des mathématiques - une idée gagne-t-elle ou perd-elle des adhérents? - il est clairement en train de monter, et ce n'est peut-être jamais aussi apparent que lorsqu'il se lève pour partir.
Avec une main sur la poignée de ses bagages, il est immédiatement arrêté. Hudetz, l'anesthésiste qui avait autrefois dédaigné Hameroff, s'approche pour lui dire bonjour. Il dit à son hôte, avec un sérieux apparent, «Ce fut une très bonne conférence, Stuart. J'ai passé un bon moment."
Hameroff le remercie. Ils plaisantent un peu et Hudetz se tourne pour s'éloigner. "Vous savez," dit Hameroff, en l'arrêtant, "vous devriez faire des recherches sur les microtubules."
«C'est drôle que tu dises ça», répond Hudetz. «Parce que nous en parlons dans mon laboratoire. Il y a un certain intérêt. Nous pourrions simplement le faire. "
Steve Volk est un éditeur collaborateur de Discover.
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Conscience quantique
Ci-dessous vous pouvez trouver une traduction complète d'un article du 1er Mars 2018 paru dans le Discovermagazine présentant la théorie ORCH OR (Réduction Objective orchestrée) de Stuart Hameroff et Roger Penrose.
Cette théorie suggère que la conscience serait liée à un phénomène quantique dans les microtubules cellulaires des neurones.
La physique quantique peut-elle expliquer la conscience? Un scientifique pense que cela se pourrait.
Ses collègues scientifiques l'ont qualifié de cinglé. Maintenant, les théories de la conscience quantique de Stuart Hameroff reçoivent le soutien de milieux improbables.
Par Steve Volk 1 mars 2018 18h00
L'anesthésiste Stuart Hameroff pense que de minuscules structures dans nos cellules appelées microtubules pourraient expliquer la conscience. (Crédit: Steve Craft)
Hameroff est surtout connu comme "la mouche du coche" dans les domaines des neurosciences et de la philosophie. Il a émergé en 1994 des entrailles sans fenêtre de l'hôpital de l'Arizona où il travaille toujours comme anesthésiste pour proposer ce qui semblait - à l'époque - certaines des idées les plus bizarres sur le cerveau humain.
La plupart des neuroscientifiques affirment que les pensées naissent de cellules cérébrales appelées neurones. Hameroff suggère que l'action la plus significative se produit au niveau quantique incroyablement petit, où les particules subatomiques comme les photons et les électrons présentent un comportement bizarre. La physique quantique anime la conscience, croit-il.
Si Hameroff a proposé ces idées lui-même, il aurait pu être ignoré, mais son co-théoricien était Sir Roger Penrose, une figure estimée de la physique mathématique. Leur théorie, surnommée «réduction objective orchestrée» ou Orch-OR, suggère que des structures appelées microtubules, qui transportent du matériel à l'intérieur des cellules, sous-tendent notre pensée consciente.
Mais le modèle Penrose-Hameroff de ce que vous appelleriez la conscience quantique n'était pas scientifique. D'éminents experts ont carrément rejeté le nouveau modèle. Les effets quantiques, selon la critique, sont notoirement difficiles à maintenir en laboratoire, nécessitant des températures ultra-froides et un blindage pour se protéger contre les interférences les plus légères. Les critiques ont déclaré que les êtres vivants sont tout simplement trop «chauds, humides et bruyants» pour permettre la persistance d'importants effets quantiques. De plus, selon les neuroscientifiques, le modèle de Penrose-Hameroff n'offrait aucune hypothèse vérifiable.
Le physicien mathématicien Sir Roger Penrose prend la parole lors de la conférence 2017 Science of Consciousness. (Crédit: Brad Buhr)
Les deux parties ont exprimé leur désaccord sans équivoque, produisant de plus en plus de documents au fil des ans.. Mais alors que la réputation de Penrose est trop imposante pour être détruite, Hameroff semble trouver sa base la plus ferme dans la culture pop. Il a embrassé le soutien de Deepak Chopra, un auteur et gourou du New Age des théories de la conscience quantique. Il a également figuré dans What the Bleep Do We Know? , un film qui a mis en colère les scientifiques pour avoir promu un mysticisme quantique qui serait à la base de notre existence..
En cours de route en 2006, Hameroff a donné une conférence qui résumait sa relation avec la communauté scientifique. Lors d'une conférence intitulée "Beyond Belief" qui était remplie de sommités de nombreuses disciplines, il a présenté ses théories sur tout, de la conscience jusqu'à une "spiritualité" basée sur la mécanique quantique. À la fin, l'éminent physicien Lawrence Krauss a pris la parole depuis son siège dans l'auditoire. «Du point de vue de la physique», a-t-il dit, «tout ce que vous avez dit n'a pas de sens.»
Beaucoup considèrent Hameroff comme un non-sens, une créature tirée d'une histoire de Lewis Carroll criant de dessous un champignon que nous avons tout faux, qu'une sorte de magie quantique sous-tend notre fonctionnement cérébral.
Mais à peine quatre ans plus tard, un changement était en cours. En 2010, Hameroff a été invité à prendre la parole lors d'une réunion moins publique, sur le campus de Google à Mountain View, en Californie. Sa présentation a suggéré qu'il pourrait avoir une vision plus ferme de la réalité que certains ne le pensaient.
Hameroff et plusieurs autres scientifiques ont été invités par Hartmut Neven, un chercheur de Google sur les technologies de recherche visuelle. À ce moment-là, les scientifiques essayaient déjà d'exploiter les lois de la physique quantique pour construire des ordinateurs plus petits et plus intelligents . Et les biologistes avaient commencé à soupçonner que la physique quantique pouvait être importante pour des processus comme la photosynthèse et la migration en utilisant le champ magnétique terrestre. Neven dit qu'il était intéressé par les recherches de Hameroff, car la compréhension de l'efficacité du cerveau pourrait entraîner d'énormes économies pour Google.
"Je pense qu'il est assez remarquable que le cerveau humain soit capable d'accomplir ses exploits extraordinaires avec juste une cuillerée de sucre par jour", dit Neven.
Il s'est passé quelque chose de drôle lors du voyage de Hameroff dans les champs de la dérision scientifique : Des données sont apparues.
Les données ne sont pas suffisantes pour confirmer Orch-OR, mais les nouvelles découvertes suggèrent que certaines des affirmations de Hameroff sont plus plausibles qu'on ne le pensait auparavant. De plus, le microtubule - les minuscules structures qui, selon Hameroff, abritent des opérations quantiques dans le cerveau - est soudainement un sujet brûlant. Et deux chercheurs découvrent que l'ancien anesthésiste pourrait avoir raison: la physique quantique pourrait être vitale pour notre conscience, notre cognition et même notre mémoire.
Le problème difficile
Malgré la position controversée de Hameroff dans la communauté scientifique, les conférences qu'il organise restent un bon atout pour les chercheurs et les philosophes en neurosciences. Lors de sa première conférence sur la conscience à Tucson, Arizona, en 1994, un jeune philosophe du nom de David Chalmers - un Australien avec une veste en cuir, et surmonté de longs cheveux hirsutes d'un fan de heavy metal - a fait des vagues avec une nouvelle interprétation d'une question ancienne. .
Chalmers a soutenu que certains problèmes associés aux études cognitives sont relativement «faciles» à résoudre. La plupart du traitement de l'information, comme la conduite d'une voiture, n'est qu'un simple calcul. Et pour cela, la mise à feu des neurones suffit. Le «problème difficile», dit-il, est l'existence de la conscience elle-même . Le même câblage dans notre cerveau nous permet de profiter de manger une pomme et nous permet également d'imaginer en manger une quand aucune pomme réelle n'est autour. La science ne peut pas expliquer précisément comment. Les théories abondaient déjà et des chercheurs comme le neuroscientifique Christof Koch - en partenariat avec Francis Crick, le co-découvreur de la molécule d'ADN - ont cherché ce qu'il appelait les corrélats neuronaux de la conscience.
Mais là où la plupart sont restés fidèles à la compréhension orthodoxe de la physique et des neurosciences, Hameroff est venu vanter ses idées les plus lointaines.
Lors de la conférence Tucson Science of Consciousness de 2016, Hameroff a été traité avec le respect accordé à un organisateur de la conférence et a également fait l'objet de blagues occasionnelles. Des gémissements audibles se faisaient entendre dans le public, par exemple, lorsque Hameroff prenait le micro et reliait ce qui venait d'être présenté à sa propre théorie.
Mais au cours du déjeuner, par une journée particulièrement chaude à mi-parcours de la conférence, M. Hameroff a cherché une place à l'ombre et a fait valoir qu'il se contentait de donner ce qu'il reçoit : Ses détracteurs peuvent exprimer leurs jugements par des subtilités académiques, dit-il, mais ils disent essentiellement qu'il a gâché sa carrière dans une tentative malavisée d'orienter la neuroscience vers la pure spéculation et la courtoisie quantique.
"Roger est toujours à bord", dit-il à propos de Penrose. "Pour être honnête, nous avons un peu d'aller très haut."
Penrose reste fidèle à ce que le couple a co-publié au fil des ans - la science théorique. Ils se distinguent en dehors de leurs écrits. Penrose a surtout été muet sur les implications philosophiques de leur théorie. Hameroff a librement spéculé sur ce que tout cela signifie. Par exemple, il a avancé que les expériences de mort imminente pourraient refléter quelque chose de réel : une vie quantique potentiellement éphémère après la mort.
Le défi, alors, est de mettre de côté les spéculations de Hameroff et de regarder plutôt ce que lui et Penrose ont publié, et comment ce couple étrange est devenu partenaire en premier lieu.
La biographie de Hameroff, et au moins certaines de ses affirmations, sont plus fermement ancrées dans la science que ne le permettent normalement ses critiques.
Fils d'un aboyeur de Carnaval
Hameroff est né en 1947 à Buffalo, New York. Son père, Harry, s'est produit comme aboyeur de carnaval et comédien au théâtre burlesque et au vaudeville. Son grand-père Abraham a eu une énorme influence sur lui. Il achetait les jeunes livres de Stuart sur la science et lui parlait d'Einstein. «Il était une sorte de dilettante intellectuel», explique Hameroff. "Il en savait beaucoup sur beaucoup."
Lorsqu'il était temps de poursuivre des études supérieures, Hameroff était déjà profondément intéressé par le «problème corps-esprit» - en substance, le «problème difficile» de Chalmers avant qu'il n'invente le terme.
Hameroff a choisi l'école de médecine, mais trouver une spécialité lui a posé problème. Neurologie? Psychiatrie? Lors d'un stage au Tucson Medical Center, le président du département d'anesthésiologie lui a dit que l'anesthésiologie était la clé pour comprendre la conscience. Hameroff a donc enquêté et sa carrière en anesthésiologie a rapidement pris forme.
Hameroff affirme qu'un patient sous anesthésie présente des fonctions cérébrales relativement normales, à l'exception d'une chose : la conscience. Les neurones continuent de fonctionner et même les signaux de douleur suivent leur cheminement normal. Mais cette douleur n'est jamais ressentie, jamais vécue. La science de l'anesthésie se trouve au cœur du problème - permettant aux processus informatiques "faciles" de se poursuivre tout en éliminant sélectivement l'expérience subjective. Mais personne ne sait vraiment comment.
Au début de sa carrière, Hameroff soupçonnait que les microtubules pourraient apporter une réponse. Les microtubules ont été découverts par accident dans les années 1960. Au cours des décennies suivantes, elles se sont révélées être parmi les structures biologiques les plus polyvalentes de la nature. La tubuline, une protéine flexible, s'assemble en une longue chaîne pour créer des microtubules. Ces tubes de 25 nanomètres de large - des milliers de fois plus petits qu'un globule rouge - se trouvent dans chaque cellule des plantes et des animaux.
Ces structures cylindriques creuses sont constituées de deux types de protéines de tubuline - appelées alpha et bêta - qui se lient ensemble en une seule unité. Ces unités s'assemblent en chaînes, formant le microtubule. Présent dans toutes les cellules végétales et animales, les microtubules servent à diverses fins, des structures de soutien aux tapis roulants, et peut-être même au siège de la conscience. (Crédit: Alison Mackey / Découvrir)
Les microtubules agissent comme le cytosquelette crucial, soutenant la structure des cellules vivantes; comme des tapis roulants, déplaçant les composants chimiques d'une cellule à une autre; et en tant que moteurs eux-mêmes, prenant différentes formations et divisant les chromosomes. Pendant la division cellulaire, les microtubules déplacent les chromosomes d'une extrémité à l'autre de la cellule, puis positionnent les chromosomes dans les nouvelles cellules filles. Les microtubules entrent même en jeu à l'extérieur des cellules, formant des cils et des flagelles qui permettent le mouvement des cellules. Cela fait de ces structures quelque chose comme les transformateurs de la biologie.
Un microscope à fluorescence spécial révèle les structures cytosquelettiques qui aident à donner forme et support mécanique aux cellules. Ce cytosquelette est en grande partie fabriqué à partir des protéines de tubuline qui forment des filaments de microtubules. (Crédit: Gopal Murti / Source scientifique)
Hameroff en est venu à croire que le microtubule joue un rôle déterminant dans les effets de l'anesthésie - dans la conscience. Il montre la paramécie unicellulaire comme preuve. «La paramécie n'a pas de système nerveux central», dit-il. «Pas de cerveau, pas de neurones, mais elle nage, trouve de la nourriture, trouve un compagnon et évite le danger.Il semble faire des choix et semble définitivement traiter l'information. »
Comment ? Ou plutôt, où, selon Hameroff ? Dans quelle partie de la paramécie ce genre de connaissance grossière se produit-elle ? Hameroff pensait pouvoir trouver les réponses dans la seule structure interne de la paramécie : les microtubules, le cytosquelette de la paramécie. Et comme il s'agit de structures à l'échelle nanométrique, il a également commencé à penser que la physique quantique pourrait jouer un rôle. Mais tout au long des années 1980, ses recherches n'ont pas été reconnues par le public. Puis, un soir de 1990, il s'est assis pour lire le livre de Penrose, The Emperor's New Mind, un best-seller surprenant qui parcourt la physique, la cosmologie, les mathématiques et la philosophie avant de marquer un arrêt final, slam-bang, à la conscience.
(Crédit: Dennis Kunkel Microscopy / Science Source)
Dans ses dernières pages, Penrose se demande comment la mise à feu des neurones génère de l'expérience. Il pense que la physique quantique pourrait être nécessaire pour comprendre la conscience.
Mais où dans le corps - un endroit inhospitalier pour de délicates perturbations quantiques - de tels événements pourraient-ils se produire ? Hameroff a ressenti un lien immédiat avec Penrose. Et bien sûr, il pensait que les microtubules détenaient la réponse.
De loin, les deux semblaient être un couple étrange: Penrose est l'un des scientifiques les plus respectés du dernier demi-siècle, et ses travaux en cosmologie et en relativité générale lui ont valu de grands honneurs. Hameroff était un relatif inconnu , criant au sujet d' une structure biologique obscure. Mais en quelques années, ils ont co-écrit des articles ensemble et attiré le mépris d'une génération de collègues scientifiques.
Les organismes unicellulaires comme cette paramécie semblent traiter l'information même sans cerveau ni neurones. Hameroff pense que les microtubules pourraient expliquer comment. (Crédit: Ted Kinsman / Science Source)
Les données arrivent
En somme, Orch-OR propose que la conscience provienne des microtubules et des actions à l'intérieur des neurones, plutôt que des connexions entre les neurones. Frappez une balle de tennis avec une raquette, et ensuite vous pouvez utiliser la physique traditionnelle pour prédire où elle se trouve à un moment donné. Mais dans le domaine quantique, de telles attentes ne sont pas satisfaites. Selon l'interprétation traditionnelle de la mécanique quantique, les mouvements sont inconnus tant qu'ils ne sont pas observés. Les physiciens appellent cette dernière observation, qui détermine ce qui s'est passé, une onde "s'effondrant" dans un état unique.
Dans les systèmes quantiques à l'intérieur du neurone, Hameroff et Penrose soutiennent que c'est chaque effondrement de la fonction d'onde qui produit un moment conscient.
Hameroff et Penrose étaient coupables d'avoir invoqué un mystère pour en résoudre un autre: nous ne comprenons pas la conscience et nous ne comprenons pas la physique quantique, alors peut-être qu'ils s'expliquent l'un l'autre?
Orch-OR était et reste vulnérable aux attaques - et beaucoup le font avec grand d'enthousiasme. Il y a vingt ans, la neurophilosophe Patricia Churchland et le physicien Max Tegmark faisaient partie de ceux qui ont ouvert le bal. Hameroff et Penrose ont répondu, et Hameroff a publié une liste de 20 prédictions testables fournies par Orch-OR.
Cette théorie de la conscience quantique développée par Stuart Hameroff et Sir Roger Penrose suggère que de minuscules structures cellulaires appelées microtubules sous-tendent la pensée consciente. (Crédit: Alison Mackey / Découvrir)
Cependant, la théorie plus large sert en quelque sorte à détourner l'attention de certaines des idées d'Hameroff : que la physique quantique pourrait jouer un rôle non négligeable dans la cognition et la conscience humaines, et que les microtubules - activité à l'intérieur du neurone - pourraient abriter ces événements quantiques.
"Si vous aviez spéculé dans ce sens, disons il y a 10 ans, vous auriez été catalogué comme un fou", dit Neven de Google.
La mécanique quantique traditionnelle dit qu'un système physique n'a pas de propriétés définies jusqu'à ce qu'il soit observé - un acte connu sous le nom d'effondrement d'une fonction d'onde. Par exemple, dans l'expérience de pensée classique d'Erwin Schrödinger, un chat dans une boîte est à la fois mort et vivant - connu sous le nom de superposition - jusqu'à ce qu'il soit observé comme l'un ou l'autre. Ainsi, une observation, ou la conscience elle-même, provoque l'effondrement de la vague. OU propose le contraire: l'effondrement fait naître la conscience. (Crédit: Alison Mackey / Découvrir)
Mais les chercheurs ont récemment découvert que les effets quantiques sont importants pour certains processus biologiques, comme la photosynthèse. Lorsqu'un photon frappe un électron dans une feuille, l'électron le livre à une autre molécule surnommée le centre de réaction, qui convertit cette lumière en énergie chimique pour nourrir la plante. Les scientifiques ont toujours pensé que le processus semblait presque trop efficace car très peu d'énergie excédentaire était perdue dans le processus.
Puis, en 2007, les chercheurs ont commencé à soupçonner que la physique quantique était à l'origine de cette efficacité. L'électron pourrait utiliser l'effet quantique de la superposition, où une particule peut se trouver à deux endroits à la fois, pour tester plusieurs voies vers le centre de réaction où la photosynthèse a lieu, et prendre la plus efficace. Le concept n'est pas encore éprouvé, mais il a gagné en popularité. Neven dit que les scientifiques font maintenant attention à ne pas rejeter carrément de telles idées.
Par exemple, dans un récent article de Nature Physics , le physicien Neill Lambert de l'Institut des sciences avancées du Japon a qualifié de nouvelles recherches sur la photosynthèse de remarquables juste pour suggérer que des effets quantiques peuvent se produire dans les systèmes biologiques à température ambiante.
Et plus récemment, Rod Eckenhoff, chercheur à l'Université de Pennsylvanie et critique de Hameroff, a donné des anesthésiques aux têtards pour comprendre à quelles molécules ils se lient. Son équipe a découvert que les protéines de tubuline en faisaient partie, puis a découvert que si une sorte d'agent inverse était administré - un médicament stabilisant les microtubules - les effets anesthésiques l'étaient également. Il reste un critique des théories «spéculatives» de Hameroff, mais dit que ses recherches suggèrent que les microtubules pourraient jouer «un certain rôle» dans la conscience.
Pourtant, Hameroff reste controversé. Koch, le chercheur sur le cerveau et expert en conscience, a refusé de commenter, affirmant qu'il ne voulait pas être le «critique éternel» auquel tout le monde s'adressait pour les démolitions de la théorie de Hameroff-Penrose. Mais certains s'en sortent.
«J'ai toujours été assez sceptique quant aux affirmations de Stuart concernant les microtubules», explique Anthony Hudetz, neuroscientifique au département d'anesthésiologie de l'Université du Michigan. «Mais maintenant, il y a des données. Et je dois dire que je pense que Stuart a un certain élan maintenant. »
Hudetz voit les microtubules comme un bon mécanisme potentiel pour expliquer l'anesthésie. "J'ai le sentiment que toute cette théorie des microtubules a bien mûri", dit-il. Pour Hudetz, la clé pour l'avenir est de tester si les événements moléculaires à l'intérieur des microtubules sont réellement liés aux événements quantiques comme le propose Hameroff.
Et maintenant, deux scientifiques travaillant indépendamment l'un de l'autre, mais tous deux ouvertement inspirés par Hameroff, amènent la recherche sur les microtubules à un tout autre niveau.
À l'intérieur du neurone
Anirban Bandyopadhyay a résumé ses recherches dans un exposé lors de la conférence sur la science de la conscience de Hameroff en 2016. Grand et mince, avec des cheveux noirs et sombres et un large sourire joyeux, Bandyopadhyay occupe un "emploi de prune" pour un scientifique au début de la quarantaine, dirigeant son propre groupe de recherche à l'Institut national des sciences des matériaux (NIMS) au Japon. En tant que physicien, il a étudié le fonctionnement interne des cerveaux naturels et artificiels. Pour comprendre le fonctionnement du cerveau, M. Bandyopadhyay pense que les scientifiques doivent comprendre les rouages à l'intérieur du neurone, y compris le microtubule.
La vision conventionnelle est que les neurones se déclenchent lorsqu'un canal à l'intérieur de la membrane cellulaire s'ouvre, inondant le neurone d'ions chargés positivement. Une fois qu'un seuil spécifique est atteint, un signal électrique descend l'axone - les fibres nerveuses à l'intérieur du neurone - et le neurone se déclenche. Les axones sont de longs fils qui connectent les neurones à d'autres cellules. Et à l'intérieur de chaque axone se trouve un faisceau de nanofils, y compris le microtubule.
Bandyopadhyay a découvert qu'il pouvait appliquer l'une de ces charges spécifiques au microtubule, provoquant une accumulation d'activité dans le neurone. En permettant au courant de continuer, il pourrait provoquer le déclenchement du neurone, ou - en coupant le signal - l'empêcher de se déclencher complètement.
Il dit que ce faisceau de nanofils résonne comme une corde de guitare, se déclenchant des milliers de fois plus rapidement que l'activité normale d'un neurone. Le neurone, pensait-il, contrairement à toute compréhension scientifique actuelle, n'était pas la cause essentielle, ni la première cause du processus de pensée humaine.
«[Les neuroscientifiques] doivent aller plus loin - dans le microtubule», dit-il.
Pour Bandyopadhyay, l'accent mis par la science du cerveau moderne sur le neurone est erroné. Parfois effronté, il qualifie les neurosciences de dermatologie.
«Le neurone est la peau», dit-il. "C'est important, oui, mais pas tout."
Frange ou frontière?
Les travaux de Bandyopadhyay en 2013 sur le microtubule ont nécessité la remise en place d'un microscope spécial et la conclusion d'un contrat avec une entreprise extérieure pour créer une aiguille avec une pointe de 1 sur 1 nanomètre - la plus petite jamais construite, dit Bandyopadhyay. Son équipe l'a utilisé pour scruter l'intérieur du microtubule avec une précision incroyable.
Bandyopadhyay a inséré l'aiguille dans un neurone de rat pour voir le microtubule. Comme il l'a fait, les écrans d'un des murs de la pièce ont clignoté avec des images du plus petit niveau de la biologie animale. La série d'expériences suivante consistait à appliquer diverses charges électriques et à observer la "peau" du neurone ainsi que l'intérieur du microtubule. Au début, il ne s'est rien passé. Mais lorsqu'il a commencé à appliquer des charges énergétiques spécifiques au microtubule, celui-ci a réagi, vibrant et conduisant l'électricité. C'était curieux et excitant.
Anirban Bandyopadhyay, un physicien qui étudie les cerveaux artificiels et naturels, a appliqué des courants aux microtubules pour voir comment ils réagissent. (Crédit: Brad Buhr)
Un microtubule est composé de nombreuses sous-unités individuelles. S'ils fonctionnaient de manière purement classique, en tant qu'isolateurs - comme le bois, le verre et d'autres matériaux courants qui empêchent le courant électrique de circuler librement - la quantité de résistance à travers le microtubule devrait augmenter. Mais Bandyopadhyay a trouvé quelque chose de très différent lorsqu'il a appliqué des charges spécifiques de courant alternatif. Les niveaux de résistance ont augmenté d'un facteur 1 milliard. Le microtubule agissait comme un semi-conducteur, l'un des développements les plus importants de l'électronique. Il était là, émerveillé par ses propres résultats.
«Lorsque vous obtenez des résultats comme celui-ci», dit-il, «vous avez peur. Est-ce que je me trompe en quelque sorte? "
Mais il a vérifié, même si des collègues à l'extérieur de son laboratoire au NIMS examinaient ses résultats. Dans des expériences ultérieures, il a vu que cette activité conductrice dans le microtubule précédait la cuisson neuronale ou membranaire. Ses recherches sur les microtubules ont été publiées dans la revue Biosensors and Bioelectronics . Et il a une autre étude en cours d'examen par les pairs.
Les résultats doivent encore être reproduits par d'autres scientifiques. Mais ceux qui vantent les conclusions de Bandyopadhyay sont philosophiques quant à sa position.
«Si vous êtes à la recherche de la science pionnière, vous devez aller au bord de ce qui est connu», explique David Sonntag, un toxicologue qui travaillait auparavant à Tokyo pour l'aile de recherche et développement de l'US Air Force et a aidé à financer certaines des recherches de Bandyopadhyay.
«Si vous prenez un mauvais virage», dit-il, «vous rencontrerez son voisin fou, la science marginale. Le problème est de comprendre quand vous êtes au point de bifurcation. Quand la frange devient-elle la frontière? »
Pour l'instant, Bandyopadhyay reste clairement en marge. Mais il a apporté quelque chose de nouveau au débat: une expérience qui peut être reproduite ou non, et une perspective différente sur Hameroff.
Il prend soin de se distancier de la théorie plus large de la conscience de Hameroff. «Ce n'est pas ma préoccupation», dit-il. Pourtant, il décrit Hameroff comme le père de ses propres recherches. «Cet homme parlait de microtubules en 1982», dit-il. «Rien que par la pensée, sans pouvoir les étudier comme j'ai pu le faire, il savait , et si loin devant tout le monde. Je me suis demandé: "Quel genre de cerveau a-t-il?" "
Élément manquant d'un circuit
Il y a aussi un autre scientifique beaucoup plus expérimenté qui travaille dans la même veine de recherche et voit des résultats spectaculaires concernant le microtubule.
Jack Tuszynski, biophysicien à l'Université de l'Alberta, est un collaborateur de longue date de Hameroff qui crée des médicaments contre le cancer. Ses dernières découvertes suggèrent que les microtubules ont des propriétés conductrices intéressantes, mais indiquent qu'ils pourraient également être ce que l'on appelle des «memristors». Le memristor est le quatrième élément très recherché d'un circuit électrique, théorisé pour la première fois par Leon Chua, ingénieur électricien à l'Université de Californie à Berkeley.
Chua a repéré quelque chose d'évident. Les trois éléments de circuit existants - résistance, condensateur et inductance - dépendent des relations entre les paires qui contrôlent la façon dont l'électricité circule, comment elle est stockée et comment elle change au fur et à mesure qu'elle se déplace dans un circuit:
• résistance (tension + courant)
• condensateur (tension + charge)
• inductance (flux magnétique + courant)
En étudiant les paires, Chua a théorisé qu'il devrait y avoir un quatrième élément de circuit régissant la relation entre la paire «manquante» - charge et flux. Chua a inventé le terme memristor , jouant sur les mots mémoire et résistance , et à partir de là, son travail était strictement mathématique. Si un tel élément de circuit existait, que ferait-il? Les équations de Chua suggéraient que la résistance électrique ou la conductivité d'un memristor ne serait pas constante, comme celle d'une ampoule, mais dynamique, et déterminée par l'histoire du courant qui avait traversé l'appareil.
Les circuits électriques utilisent quatre variables fondamentales: courant, tension, charge et liaison de flux magnétique. Les relations entre ces variables ont conduit aux composants classiques d'un circuit - résistance, condensateur, inductance - à l'exception d'un appariement: charge + flux. Le memristor remplit ce trou, créant un quatrième élément de circuit qui fonctionnerait comme une résistance avec mémoire. (Crédit: Alison Mackey / Découvrir)
Quel est le problème? Dans les transistors, toute interruption du flux d'électrons entraîne une perte de données. Les memristors, cependant, incorporent à la fois le flux d'électrons et les ions - des atomes chargés électriquement.
Parce qu'ils se souviennent de la charge qui a précédemment transité par le matériel, les informations peuvent être conservées même lorsqu'elles sont désactivées. Dans les ordinateurs, l'innovation signifie qu'il n'y a plus de redémarrage. Les ordinateurs s'allumeraient comme des ampoules électriques et les disques durs deviendraient une chose du passé.
La course est lancée pour construire des puces memristor à un coût évolutif pour les ordinateurs grand public, et pour cause: les memristors nécessitent peut-être 1% de l'énergie d'une puce standard. Et tandis que les puces informatiques standard sont limitées au code binaire de 0 et de 1, les memristors traitent en unités fractionnaires d'information - un développement considéré comme clé dans la construction d'ordinateurs qui se comportent comme le cerveau humain.
Tuszynski ne connaissait pas les memristors jusqu'à ce qu'il rencontre Chua lors d'une conférence en 2015 en Inde. "Je pense que les microtubules sont des memristors", lui a dit Chua, révélant un intérêt de longue date pour le travail de Hameroff. Chua a été particulièrement frappé, dit-il, lorsqu'il a entendu Hameroff souligner que les microtubules sont omniprésents dans la nature, contrairement aux neurones. Cette perspicacité - vraiment, une simple déclaration de fait - a semblé cruciale à Chua. «Tous ces systèmes biologiques se livrent à une sorte de traitement de l'information», dit-il. "Alors, comment font-ils?"
Il pensait que Hameroff avait trouvé la réponse dans des microtubules.
Tuszynski est très différent de Hameroff, son collaborateur de recherche de longue date. Solide et pratique, il a publié plus de 400 articles dans des publications à comité de lecture, travaillant dans les domaines terrestres de la médecine de précision et de la biologie computationnelle. "Stuart, je pense, est très enclin à la spéculation", dit-il. «À bien des égards, il est son pire ennemi et serait mieux s'il se limitait un peu. Mais Stuart est un génie. Son travail sur les microtubules, avant même de s'impliquer dans Penrose, est brillant, et c'est la raison pour laquelle je travaille sur les microtubules aujourd'hui. »
Pour tester la théorie des memristors, l'équipe de Tuszynski a rempli une boîte de microtubules, de protéines de tubuline et d'une solution tampon, puis a ajouté de l'électricité. Au cours de plusieurs semaines, il a trouvé un résultat fascinant. Plus il a remplacé la solution tampon par plus de microtubules, meilleure fût la conductance.
«La conductance a été multipliée par deux ou trois par la présence accrue de microtubules», explique Tuszynski, suggérant que les microtubules étaient plus efficaces pour conduire l'énergie que la solution tampon.
De plus, il a trouvé l'effet "mémristor signature": lorsqu'il inversait le flux d'électricité, comme dans un courant alternatif, l'efficacité de la conductance augmentait, comme si le microtubule s'était souvenu du courant qui le traversait auparavant.
Le laboratoire de Tuszynski a publié un article l'été dernier sur les propriétés conductrices des microtubules dans Nature Scientific Reports , et il prépare un article sur les microtubules en tant que memristors. Si ces résultats se maintiennent, cela pourrait soutenir le cas de Hameroff.
Le royaume quantique
Le dernier matin de la conférence à Tucson, Hameroff déroule lentement une valise dans le hall et se laisse tomber sur une chaise longue pour s'acquitter de quelques tâches administratives supplémentaires.
"Je pense que ça s'est bien passé", dit-il. "Les gens me disent qu'ils ont apprécié. J'ai organisé ça, donc ça pourrait être des conneries. Mais je crois qu'ils le pensent vraiment."
Ceci étant une production Hameroff, il y avait une bonne quantité de combat. Chalmers a accusé Hameroff d'avoir poussé la conférence trop loin dans le domaine quantique.
Hameroff a une réponse prête. Il a pu inclure autant de sessions de conférence orientées quantique, dit-il, parce que la biologie quantique est un domaine en pleine croissance.
Bien sûr, rien de tout cela ne veut dire que Hameroff remporte ce débat. Il n'a pas encore recadré la frange comme frontière, et il ne le fera peut-être jamais. Mais en ce moment, le succès scientifique étant en partie une simple fonction des mathématiques - une idée gagne-t-elle ou perd-elle des adhérents? - il est clairement en train de monter, et ce n'est peut-être jamais aussi apparent que lorsqu'il se lève pour partir.
Avec une main sur la poignée de ses bagages, il est immédiatement arrêté. Hudetz, l'anesthésiste qui avait autrefois dédaigné Hameroff, s'approche pour lui dire bonjour. Il dit à son hôte, avec un sérieux apparent, «Ce fut une très bonne conférence, Stuart. J'ai passé un bon moment."
Hameroff le remercie. Ils plaisantent un peu et Hudetz se tourne pour s'éloigner. "Vous savez," dit Hameroff, en l'arrêtant, "vous devriez faire des recherches sur les microtubules."
«C'est drôle que tu dises ça», répond Hudetz. «Parce que nous en parlons dans mon laboratoire. Il y a un certain intérêt. Nous pourrions simplement le faire. "
Steve Volk est un éditeur collaborateur de Discover.
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