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大脑中有光学通讯通道吗?
作者:   来源: DeepTech深科技   发布者:尹海华   日期:2017-09-13   今日/总浏览:5/369

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神经科学家很久前就观察到大脑会产出生物光子。没人知道这些光子有什么用,科学家已经开始研究各种可能性了。

有一个有趣的问题:大脑内是否有光学通讯通道?这是一个很激进的想法,但又有理由相信它是一个很有价值的问题。

很多生物会通过发光进行交流、吸引异性等活动。20年前,生物学家发现老鼠的大脑在某些情况下会产生光子。这种光很微弱,不容易探测到,这一发现让神经学家感到很意外。从那之后,证据越来越多。大脑等组织的分子会通过某种电子激发而衰变,并释放出所谓的生物光子。哺乳动物产生生物光子的波长在200~1300纳米之间,大概是红外光到紫外光波段。

如果大脑细胞能自发释放生物光子,那我们就很自然地会问道,机体是否会利用这种自然机制来传递信息。果真如此,光从一个地方传播到另一个地方就需要类似于光纤之类的波导(定向引导电磁波的结构)。什么样的生物结构才能执行波导功能呢?

在加拿大卡尔加里大学(University of Calgary)的帕里萨·扎尔克希安(Parisa Zarkeshian)等人的研究基础上,我们得到了一些答案。他们研究了神经细胞轴突的光学特性,并且得出结论:在几厘米的距离内,光子在大脑内传播完全是可行的。该研究重复了之前的轴突研究和实验。团队首先通过求解麦克斯韦电磁方程组来计算轴突的光学特性,并确定细胞的光学特性。

研究表明,轴突外层的髓鞘可以作为生物光子的波导。同时,还有很多因素会通过散射和吸收而影响光的传播。这些因素包括轴突的弯曲程度、髓鞘的半径变化、非圆截面等。扎尔克希安和同事得到的结论是:生物光子在大脑中长度为2毫米的轴突内的传输效率为46%~96%。“值得注意的是,光子能沿两个方向传播:从轴突末端到轴突丘,或者沿着相反的方向。”团队人员介绍说。

大脑中有光学通讯通道吗?

随后,团队又计算了这种传播方式的数据通信速率。生物学家测到老鼠大脑产生生物光子的速率是每个神经细胞每分钟一个光子。听起来似乎不多,但人脑有1011个神经元,也就是说每秒会产生超过10亿个光子。“这种机制足以传输大量信息,甚至可以产生大量量子纠缠。” 扎尔克希安介绍道。当然,这些计算也有很多不确定因素。比如,没人知道髓鞘确切的光学特性,因为从来没人测过。

为了取得进一步发现,最好的方法是测试脑组织的光传输特性。扎尔克希安和同事提出的一些简单直接的实验或许会推动该领域的进展。“一种方法是用光照射大脑切片的一端,然后在轴突另一端寻找光点。”研究团队介绍。可能还有很多种其他方法,不过这需要神经学家多花点时间研究。

所有这些都指向一个更大的难题——如果大脑有光通讯通道,那它们的作用是什么?关于这一问题有很多天马行空的猜测。

其中一个猜测思路基于这样一个事实,即光子是量子信息的良好载体。很多人认为,很多大脑活动都与量子进程有关,尤其是意识本身。扎尔克希安和同事很“迷恋”这一观点。但这也只是一种疯狂的猜测而已。量子通讯需要的不仅是光学通道,还要有编码、接收和处理量子信息的机制。大脑中可能存在光敏分子,但尚缺乏证据证实,它们能否作为量子处理器更是不得而知。

尽管如此,这种观点还是很让人兴奋,并且值得进行基础研究。如果自然界产生了生物光子,进化机制就有办法利用它,问题是如何利用它。


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