計画的な目標削減

オーケストレーションされた客観的還元（Orch OR）は、意識はニューロン内の量子レベルで発生する（神経接続の産物ではなく）という仮説を唱える、非常に議論の多い理論です。そのメカニズムは、微小管と呼ばれる細胞構造によってオーケストレーションされる客観的還元と呼ばれる量子プロセスであると考えられています。この理論は、意識の難問に答え、自由意志のメカニズムを提供する可能性があると提案されています。^{[1]この仮説は、1990年代初頭に}ノーベル物理学賞受賞者のロジャー・ペンローズと麻酔科医のスチュアート・ハメロフによって初めて提唱されました。この仮説は、分子生物学、神経科学、薬理学、哲学、量子情報理論、量子重力からのアプローチを組み合わせたものです。^{[2] [3]}

他の理論では、脳のニューロンによって実行される計算の複雑さが増すにつれて意識が出現すると主張しているが、^{[4] [5]} Orch OR は、意識は細胞の微小管上に集合的に形成された量子ビットによって実行される計算不可能な量子処理に基づいており、ニューロンで大幅に増幅されるプロセスであると仮定している。量子ビットは、微小管の格子全体のらせん状の経路に重ね合わせた共鳴リングを形成する振動双極子に基づいています。振動は、ロンドン力からの電荷分離による電気的振動、またはギガヘルツ、メガヘルツ、キロヘルツの周波数範囲で発生する電子スピンによる磁気振動 (さらに長時間分離されたままになる可能性がある)のいずれかです。 ^{[2] [6]}オーケストレーションとは、微小管関連タンパク質(MAP) などの結合タンパク質が、重ね合わせた状態の時空分離を変更することによって量子ビットの状態の縮小に影響を及ぼ^[7]後者は量子力学を解釈するためのペンローズの客観的崩壊理論に基づいており、宇宙の微細構造におけるこれらの状態の時空曲率の違いに関連した量子状態の崩壊を支配する客観的閾値の存在を仮定している。^[8]

組織化された客観還元は、その発端から数学者、哲学者、^{[9] [10] [11] [12 ] [13]}および科学者^{[14] [15] [16]}によって批判されてきた。批判は、ペンローズによるゲーデルの定理の解釈、非計算可能性と量子イベントを結び付けるペンローズの帰納的推論、そして、脳は「暖かく、湿っていて、ノイズが多い」ためデコヒーレンスを避けることができないと考えられているため、理論で要求される量子現象をホストするのに脳が不適切であるという、3つの問題に集中していた。

1931年、数学者で論理学者のクルト・ゲーデルは、基本的な算術を証明できる効果的に生成された理論は、一貫性と完全性の両方を持つことはできないことを証明しました。言い換えれば、数学的に健全な理論には、それ自身を証明する手段が欠けているのです。 [ ^17]意識に関する最初の著書『皇帝の新しい心』 （1989年）で、ロジャー・ペンローズは、「ゲーデル型の命題」と同等の主張が最近提唱されたと主張しました。^[18]

ペンローズ＝ルーカスの議論は、ゲーデルの議論に部分的に応えて、計算不可能な振る舞いの物理的基礎の問題を未解決のまま残している。ほとんどの物理法則は計算可能であり、したがってアルゴリズム的である。しかし、ペンローズは、波動関数の崩壊が計算不可能なプロセスの第一候補であると判断した。量子力学では、粒子は古典力学の対象とは異なる扱いを受ける。粒子は、シュレーディンガー方程式に従って発展する波動関数によって記述される。非定常波動関数は、システムの固有状態の線形結合であり、重ね合わせ原理によって記述される現象である。量子システムが古典システムと相互作用するとき、つまり観測量が測定されるとき、システムは古典的な観点からはその観測量のランダムな固有状態に 崩壊するように見える。

もし崩壊が本当にランダムなら、いかなるプロセスやアルゴリズムもその結果を決定論的に予測することはできない。これはペンローズに、脳内に存在すると彼が仮定した計算不可能なプロセスの物理的基盤の候補を与えた。しかし、彼は環境によって引き起こされる崩壊のランダムな性質を嫌った。ランダム性は数学的理解の有望な基盤ではないからだ。ペンローズは、孤立系でも新しい形の波動関数崩壊が起こる可能性があると提唱し、それを客観的縮約 (OR) と呼んだ。^[7]

ペンローズは、時空の可能な構造についての彼自身の考えを用いて、一般相対性理論と量子論を調和させようとした。^{[18] [要ページ] [19]彼は、}プランクスケールでは曲がった時空は連続的ではなく離散的であると示唆した。彼はさらに、分離された量子重ね合わせのそれぞれが独自の時空曲率、つまり時空の水疱を持っていると仮定した。ペンローズは、重力がこれらの時空水疱に力を及ぼし、プランクスケールを超えると水疱は不安定になり、可能な状態のうちの1つに崩壊すると示唆している。ORのおおよその閾値は、ペンローズの不確定性原理によって与えられる。 ${\displaystyle 10^{-35}{\text{m}}}$

${\displaystyle \tau \approx \hbar /E_{G}}$

どこ：

• ${\displaystyle \tau}$ORが発生するまでの時間です。
• ${\displaystyle E_{G}}$は重力の自己エネルギー、または重ね合わせた質量によって与えられる時空の分離の度合いであり、
• ${\displaystyle \hbar}$は換算プランク定数です。

したがって、物体の質量エネルギーが大きいほど、OR の進行が速くなり、逆もまた同様です。メソスコピック物体は、神経処理に関連する時間スケールで崩壊する可能性があります。^{[7] [追加の引用が必要]}

ペンローズの理論の本質的な特徴は、客観的な縮小が起こるときの状態の選択がランダムに（波動関数の崩壊に続く選択のように）選ばれることも、アルゴリズム的に選ばれることもないことである。むしろ、状態は時空幾何学のプランクスケールに埋め込まれた「計算不可能な」影響によって選ばれる。ペンローズは、そのような情報はプラトン的であり、純粋に数学的な真実を表していると主張した。これは、物理的世界、精神的世界、プラトン的数学的世界という3つの世界に関するペンローズの考えと関連している。ペンローズは『心の影』（1994年）で、このプラトン的世界には美的価値や倫理的価値も含まれる可能性があることを簡潔に示しているが、この仮説をこれ以上推し進めてはいない。^[19]

ペンローズ＝ルーカスの議論は数学者^{[20] [21] [22]}、コンピュータ科学者^[12]、哲学者^{[23] [24] [9] [10] [11]}から批判され、これらの分野の専門家の間では議論が成り立たないという点で一致しており^{[25] [26] [27]}、さまざまな著者が議論のさまざまな側面を攻撃している。^{[27] [28]} ミンスキーは、人間は誤った考えを真実だと信じることができるので、人間の数学的理解は一貫している必要はなく、意識は容易に決定論的な基盤を持つことができると主張した。^[29] フェファーマンは、数学者は証明を通して機械的な探索によって進歩するのではなく、試行錯誤による推論、洞察、ひらめきによって進歩し、機械は人間とこのアプローチを共有しないと主張した。^[21]

ペンローズは著書『皇帝の新しい心』でオーチORの前身となる理論を概説し、数学的観点から、特にゲーデルの定理から問題に取り組んだが、量子プロセスを脳内でどのように実装できるかについての詳細な提案はなかった。スチュアート・ハメロフはガン研究と麻酔の研究をしており、脳のプロセスに興味を持った。ハメロフはペンローズの本を読み、ニューロン内の微小管が量子処理、そして最終的には意識に適した候補部位であるとペンローズに示唆した。^{[30] [31]} 1990年代を通して、2人はオーチOR理論の共同研究を行い、ペンローズはそれを『心の影』（1994年）で発表した。^[19]

ハメロフの理論への貢献は、神経細胞骨格、特に微小管に関する研究から生まれたものである。^[31]神経科学が進歩するにつれて、細胞骨格と微小管の役割はより重要になってきた。構造的支持を提供することに加えて、微小管の機能には、軸索輸送と細胞の動き、成長、形状の制御が含まれる。^[31]

Orch OR は、ペンローズ-ルーカスの議論と、微小管における量子処理に関するハメロフの仮説を組み合わせたものです。脳内の凝縮体が客観的な波動関数の縮小を受けると、その崩壊によって非計算的な意思決定が時空の基本幾何学に埋め込まれた経験と結びつくと提唱しています。さらに、この理論では、微小管はニューロン間のシナプスにおける通常の活動に影響を与え、またその活動から影響を受けると提唱しています。

ハメロフは、微小管が量子処理に適した候補であると提案した。^{[31]微小管は}チューブ リンタンパク質サブユニットで構成されている。微小管のチューブリンタンパク質二量体には疎水性ポケットがあり、非局在化したπ電子が含まれている可能性がある。チューブリンには他にも小さな非極性領域があり、例えばチューブリンあたり8個のトリプトファンがあり、そこにはπ電子が豊富なインドール環がチューブリン全体に約2nm間隔で分布している。ハメロフは、これはチューブリンのπ電子が量子もつれになるのに十分近いと主張している。^[32]もつれの間、粒子の状態は不可分に相関する。

ハメロフは当初、異端の雑誌「宇宙論」で、チューブリンサブユニットの電子がボーズ・アインシュタイン凝縮を形成すると示唆した。^[33]その後、彼は双極子分子の仮説的なコヒーレント振動であるフレーリッヒ凝縮を提案した。しかし、これもライマースのグループによって拒否された。^[34]ハメロフとペンローズは、ライマースの微小管モデルが単純化されすぎているとして、この結論に異議を唱えた。^[35]

ハメロフはその後、あるニューロンの微小管の凝縮物が、電気シナプスのギャップ結合を介して他のニューロンやグリア細胞の微小管凝縮物と結合できると提唱した。^{[36] [37]}ハメロフは、細胞間のギャップは十分に小さいため、量子物体がそこを通り抜けることができ、脳の広い領域に広がることができると提唱した。彼はさらに、ギャップ結合がガンマ振動に関連しているという、それほど議論の余地のない理論に基づいて、この大規模な量子活動の作用が 40 Hzガンマ波の源であると仮定した。^[38]

ハメロフが参加した研究で、アルバータ大学のジャック・トゥシンスキーは、麻酔薬が遅延発光と呼ばれるプロセスの持続時間を早めることを実証した。遅延発光では、微小管とチューブリンが閉じ込められた光を再放射する。トゥシンスキーは、この現象は量子起源であり、超放射が1つの可能性として調査されていると疑っている（2024年の研究では、超放射は微小管に含まれるトリプトファンのネットワークで発生することが確認されている）。 ^{[39] [40]}トゥシンスキーはニューサイエンティスト誌に「これを生理学的に解釈して『そうだ、ここから意識が始まる』と言えるレベルには達していないが、そうなる可能性はある」と語った。^[41]

2024年に行われた「生物学的構造におけるトリプトファンの巨大ネットワークからの紫外線超放射」という研究は、The Journal of Physical Chemistryに掲載され、トリプトファンのネットワークにおける超放射を確認した。^{[39] [40]}トリプトファンの大規模ネットワークは暖かくノイズの多い環境であり、量子効果は通常は発生しないと予想される。^[39]この研究結果は理論的に予測され、その後研究者によって実験的に確認された。^{[39] [40]実験チームを率いた} Majed Cherguiは、「素晴らしい結果です。標準的なタンパク質分光法を非常に正確かつ慎重に適用する必要がありましたが、協力者の理論的予測に導かれて、ミクロン規模の生物学的システムにおける超放射の驚くべき特徴を確認することができました」と述べた。 [ ³⁹ ]理論量子光学の分野で有名な物理学者マーラン・スカリーは、「今後何年にもわたって、生体システムにおける量子効果への影響を綿密に調査していくことになるだろう」と述べている。 ^[39]この研究では、「これらの生物学的に重要な構造に存在するトリプトファンのメガネットワークの電磁場との結合を分析することで、集団的な量子光学効果、すなわち超放射およびサブ放射固有モードの出現を発見した。…私たちの研究は、トリプトファンのメガネットワークにおける集団的かつ協調的な紫外線励起が、タンパク質凝集体の堅牢な量子状態をサポートし、熱平衡条件下でもその結果が観察されることを実証している」と述べている。^[40]

プリンストン大学のグレゴリー・D・ショールズとアーラット・カルラは、レーザーを使ってチューブリン内の分子を励起し、長時間の励起によって微小管を予想以上に遠くまで拡散させた実験を行ったが、麻酔下で繰り返した場合には同じ現象は起こらなかった。 ^[42]しかし、拡散の結果は慎重に解釈する必要がある。なぜなら、古典的な拡散でさえ、液体で満たされた細胞外空間の長さスケールの範囲が広いため、非常に複雑になる可能性があるからだ。^[43]

高濃度（約5 MAC）では、麻酔ガスのハロタンは微小管の可逆的な脱重合を引き起こす。^{[44]しかし、人間の麻酔は1} MACで行われるため、これが麻酔作用のメカニズムではあり得ない。（ペンローズもハメロフも、脱重合がOrch ORの作用機序であると主張していない。）^{[45] [46]}約1 MACのハロタンでは、ハロタンとイソフルランへの曝露後に一次皮質ニューロンでチューブリンタンパク質発現のわずかな変化（約1.3倍）が報告されているが、これはチューブリンが全身麻酔薬と直接相互作用する証拠ではなく、チューブリン産生を制御するタンパク質が麻酔標的である可能性があることを示している。^[47]さらなるプロテオーム研究では、0.5 mMの[ ¹⁴ C]ハロタンが30種類もの他のタンパク質とともにチューブリンモノマーに結合することが報告されている。^[48]さらに、オタマジャクシのアントラセン全身麻酔中に微小管安定性が調整されることが報告されている。^[49]「微小管安定性の直接調整がアントラセン全身麻酔に寄与する」と題されたこの研究は、「神経微小管の不安定化が全身麻酔を達成するための道筋を提供するという強力な証拠」を提供していると主張している。^[49]

ハメロフとペンローズが 1990 年代半ばに提唱した、非常に議論の多い理論は、意識は脳ニューロン内のチューブリン/微小管の量子振動に基づいているというものである。チューブリンの原子構造のコンピューター モデル化^[50]により、麻酔ガス分子が非極性π 電子のアミノ酸芳香族環に隣接して結合し、各チューブリンのすべての π 電子共鳴環間の集団量子双極子振動が 613 THzに共通モード ピークを持つスペクトルを示すことが判明した。^{[51] 8 種類の麻酔ガスをシミュレートすると 613 THz ピークは消失したが、2 種類の非麻酔ガスをシミュレートしても 613} THzピークには影響がなかったことから、微小管のこの 613 THz ピークは意識と麻酔作用に関連している可能性があると推測された。^[51]

ハメロフが参加した別の研究では、「麻酔分子はチューブリンのトリプトファン環の「量子チャネル」におけるπ共鳴エネルギー移動と励起子ホッピングを阻害することができ、それによって麻酔薬が意識と記憶に選択的に作用する理由を説明できる」と主張している。^[52]

2024年8月に発表された研究では、ウェルズリー大学の教授が率いる学部生グループが、微小管に結合する薬剤であるエポチロンBを投与されたラットは、麻酔ガスにさらされたときに意識を失うまでに1分以上長くかかることを発見しました。^[53]

Orch ORは物理学者^{[14] [54] [34] [55] [56]}と神経科学者^{[57] [58] [59]の両方から批判されており、彼らはそれを脳}生理学の貧弱なモデルであると考えている。Orch ORは説明力が欠けていると批判されており、哲学者パトリシア・チャーチランドは「シナプスの妖精の粉は、微小管の量子コヒーレンスと同じくらい説明力がある」と書いている^{[60] 。}

デイヴィッド・チ​​ャーマーズは量子意識に反対している。彼は代わりに量子力学が二元論的意識とどう関係するかを論じている。^[61]チャーマーズは、新しい物理学が意識の難問を解決できるかどうか懐疑的である。^{[62] [63] [64]}彼は、意識の量子理論はより伝統的な理論と同じ弱点を抱えていると主張する。脳内の特定の巨視的物理的特徴が意識を生じさせる特別な理由はないと主張するのと同様に、脳内の電磁場などの特定の量子的特徴が意識を生じさせる特別な理由はないと彼は考えている。^[64]

2000年、マックス・テグマークは、脳内の量子コヒーレントシステムは、神経プロセスに影響を与えるずっと前に、環境との相互作用により波動関数の効果的な崩壊を起こすと主張した（後に「暖かく、湿っていて、ノイズが多い」議論として知られるようになった）。 ^{[14]彼は、脳の温度での微小管の絡み合いのデコヒーレンス時間スケールは}フェムト秒のオーダーであり、神経処理には短すぎると判断した。クリストフ・コッホとクラウス・ヘップも、量子コヒーレンスは神経生理学において大きな役割を果たしていない、または果たす必要がないことに同意した。^{[15] [16]}コッホとヘップは、「電気的または化学的シナプスで接続されたニューロン内のゆっくりとデコヒーレンスし、制御可能な量子ビットの実証、または脳が実行する計算のための効率的な量子アルゴリズムの発見は、これらの推測を​​「遠い」から単なる「非常にありそうもない」にするのに大いに役立つだろう」と結論付けた。^[15]

テグマークの主張に対して、ハガン、トゥシンスキー、ハメロフは、テグマークはOrch ORモデルではなく、彼自身の構築したモデルを扱っていると主張した。これは、Orch ORで規定されているはるかに小さな間隔ではなく、24 nm離れた量子の重ね合わせを伴っていた。その結果、ハメロフのグループは、25ミリ秒をはるかに下回るものの、テグマークの7桁大きいデコヒーレンス時間を主張した。ハメロフのグループはまた、対イオンのデバイ層が熱変動を遮蔽し、周囲のアクチンゲルが水の秩序化を促進してノイズをさらに遮蔽する可能性があることを示唆した。彼らはまた、非コヒーレントな代謝エネルギーが水をさらに秩序化できること、そして最後に、微小管格子の構成が量子デコヒーレンスに抵抗する手段である量子エラー訂正に適している可能性があることを示唆した。^{[65] [66]}

2009年、ライマーズらとマッケミッシュらは批判的な評価を発表した。この理論の以前のバージョンでは、チューブリン電子がボーズ・アインシュタイン凝縮体またはフレーリッヒ凝縮体を形成することが必要であったが、ライマーズらは、そのような凝縮体が発生するという経験的証拠が不足していると指摘した。さらに、彼らは、微小管は弱い8MHzのコヒーレンスしかサポートできないと計算した。マッケミッシュらは、芳香族分子は非局在化しているため状態を切り替えることができず、 GTP変換によってチューブリンタンパク質構造が変化すると、法外なエネルギーが必要になると主張した。 ^{[54] [34] [55]}

2022年、イタリアの物理学者グループがいくつかの実験を行ったが、重力に関連した意識の量子崩壊モデルを支持する証拠を提供できず、意識の量子的説明の可能性が弱まった。^{[67] [68]}

生物学に基づいた批判としては、シナプス前軸索終末からの神経伝達物質の確率的放出に対する説明の欠如^{[69] [70] [71]}や皮質ニューロンあたりのチューブリン二量体の計算値の誤りなどが挙げられる^{[72] 。}

2014年、ペンローズとハメロフは、いくつかの批判に対する回答と、中核となる仮説を維持しながら理論の周辺的な仮定の多くを修正した論文を発表しました。^{[2] [6]}

• 意識研究センター
• ハメロフの「量子意識」サイト
• ハメロフ、スチュアート、バンディオパディアイ、アニルバン、ラウレッタ、ダンテ（2024年5月8日）。「意識は生命に先立っていた」。芸術と思想研究所。
• ペンローズ、ロジャー (1999)。「科学と心」。カブリ理論物理学研究所公開講演。