从左到右显示 （a） 沿其长度具有多个髓鞘的神经元，（b） 包裹轴突段的髓鞘段的建模，以及 （c） 磷脂分子，髓鞘的主要成分，其尾部由大量碳氢 （CH） 键组成。图片来源：Physical Review E （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevE.110.024402

理解意识的本质是科学中最困难的问题之一。一些科学家认为，量子力学，尤其是量子纠缠，是解开这一现象的关键。

现在，中国的一个研究小组已经表明，在覆盖神经纤维的髓鞘内可以产生许多纠缠光子。它可以解释神经元之间的快速通信，到目前为止，人们认为神经元的通信速度低于音速，太慢而无法解释神经同步是如何发生的。

该论文发表在《物理评论E》杂志上。

“如果进化的力量是在远距离上寻找方便的行动，那么量子纠缠将是这个角色的理想候选者，”陈永聪在给 Phys.org 的一份声明中说。陈是上海大学上海定量生命科学中心与物理系的教授。

大脑通过在神经元之间发射称为突触的电信号进行内部交流，神经元是神经组织的主要组成部分。它是意识（以及其他大脑业务）所依赖的数百万个神经元的同步活动。但是，这种精确同步的发生方式尚不清楚。

神经元之间的连接被称为轴突——类似于电线的长结构——覆盖它们的是由髓鞘制成的涂层（“鞘”），髓鞘是由脂质制成的白色组织。

髓鞘由多达数百层组成，可以隔离轴突，并塑造轴突并向轴突传递能量。（实际上，一系列这样的鞘延伸到轴突的长度上。髓鞘通常长约 100 微米，它们之间有 1 到 2 微米的间隙。最近的证据表明，髓鞘在促进神经元之间的同步方面也起着重要作用。

但是，信号沿轴突传播的速度低于声速，有时甚至远低于声速——太慢，无法产生数百万个神经元同步，而这些同步是大脑可以做的所有惊人事情的基础。

为了解决这个问题，Chen和他的同事们研究了这个轴突髓鞘系统中是否存在纠缠光子，这些光子可以通过量子纠缠的魔力，在所涉及的距离上立即进行通信。

三羧酸循环释放储存在营养物质中的能量，在循环过程中释放出一连串的红外光子。这些光子与脂质分子中碳氢（CH）键的振动耦合，并将它们激发到更高的振动能量状态。当键过渡到较低的振动能量状态时，它会释放出一连串的光子。

中国研究小组将腔量子电流动力学应用于一个被髓鞘包围的完美圆柱体，并合理地假设髓鞘的外壁是一个完美的圆柱形导电壁。

他们利用量子力学技术，量化了腔内的电磁场和电场，以及光子——也就是说，将它们都视为量子物体——然后，通过一些简化的假设，求解了所得方程。

这样做为两个光子与腔内的物质相互作用的系统提供了波函数。然后，他们通过使用科学博学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）开发的经典熵的扩展，通过确定其量子熵（无序的度量）来计算光子的纠缠程度。

“我们发现，这两个光子确实可以有更高的纠缠率，”陈在他的声明中说。

导电壁限制了圆柱体内部可能存在的电磁波模式，使圆柱体成为一个电磁腔，将大部分能量保持在其中。这些模式不同于自由空间中存在的连续电磁波（“光”）。

正是这些离散模式导致髓鞘腔内频繁产生高度纠缠的光子，与两个未纠缠的光子相比，其产生速率可以显着提高。

纠缠意味着双光子态不是两个光子态的经典组合。相反，测量其中一个光子或与其中一个光子相互作用会立即影响第二个光子的相同特性，无论它相距多远。

对于成员相距超过1000公里的系统，已经证明了纠缠。在经典物理学中不存在类似的东西;它纯粹是一种量子现象。在这里，纠缠将提高沿着包裹轴突长度片段的髓鞘部分发出更快信号的可能性。

作者写道，一种可能性是，光子的纠缠可能会转化为神经元中钾离子通道的纠缠。如果是这样，一个通道的打开和关闭可能会影响另一个通道在其他地方的表现。

陈告诉 Phys.org，他们的结果是两种现象的结合，这两种现象存在，但在很大程度上仍然是神秘的：意识（更不用说量子意识）和量子纠缠。

“我们不会说有直接联系。在这个早期阶段，我们的主要目标是确定神经同步的可能机制，这会影响许多神经生物学过程。通过这项工作，我们希望获得更好的理解。

更多信息：Zefei Liu 等人，髓鞘中的纠缠双光子生成，Physical Review E （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevE.110.024402.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2401.11682

期刊信息： Physical Review E ， arXiv