Đi tìm câu trả lời về 'ý thức nảy sinh' trong bộ não con người

Siêu máy tính có thể đánh bại chúng ta trong cờ vua và thực hiện nhiều phép tính mỗi giây hơn bộ não con người. Nhưng có những nhiệm vụ khác mà bộ não của chúng ta thực hiện thường xuyên nhưng máy tính đơn giản không thể làm được - đó là diễn giải các sự kiện và tình huống cũng như sử dụng trí tưởng tượng, óc sáng tạo và các kỹ năng giải quyết vấn đề. Bộ não của chúng ta là những chiếc máy tính cực kỳ mạnh mẽ, không chỉ sử dụng các nơ-ron mà cả các kết nối giữa các nơ-ron để xử lý và giải thích thông tin.

Và sau đó là ý thức, dấu hỏi khổng lồ của khoa học thần kinh. Điều gì tạo ra ý thức? Làm thế nào nó phát sinh từ một khối lộn xộn các tế bào thần kinh và khớp thần kinh? Xét cho cùng, những thứ này có thể vô cùng phức tạp, nhưng chúng ta vẫn đang nói về một “khối ẩm” gồm các phân tử và xung điện.

Một số nhà khoa học nghi ngờ rằng các quá trình lượng tử, bao gồm cả sự liên đới, có thể giúp chúng ta giải thích sức mạnh to lớn của bộ não và khả năng tạo ra ý thức của nó. Gần đây, các nhà khoa học tại Trinity College Dublin, sử dụng một kỹ thuật để kiểm tra lực hấp dẫn lượng tử, cho rằng sự liên đới lượng tử (*) có thể đang hoạt động trong não của chúng ta. Nếu kết quả của họ được xác nhận, đó có thể là một bước tiến lớn để hiểu cách thức bộ não của chúng ta, bao gồm cả ý thức, hoạt động.

Các quá trình lượng tử trong não

Thật ngạc nhiên, chúng ta đã thấy một số dấu hiệu cho thấy các cơ chế lượng tử đang hoạt động trong bộ não của chúng ta. Một số cơ chế này có thể giúp não xử lý thế giới xung quanh thông qua đầu vào cảm giác. Ngoài ra còn có một số đồng vị nhất định trong não của chúng ta có spin thay đổi cách cơ thể và não của chúng ta phản ứng. Ví dụ, xenon có spin hạt nhân bằng 1/2 có thể có đặc tính gây mê, trong khi xenon không có spin thì không thể. Và các đồng vị khác nhau của liti với số spin khác nhau sẽ thay đổi sự phát triển và khả năng nuôi dạy con cái ở chuột.

Bất chấp những phát hiện hấp dẫn như vậy, bộ não hầu như được coi là một hệ thống cổ điển.

Nếu các quá trình lượng tử đang hoạt động trong não, sẽ rất khó để quan sát cách chúng hoạt động và những gì chúng làm. Thật vậy, việc không biết chính xác những gì chúng ta đang tìm kiếm khiến cho quá trình lượng tử trở nên rất khó tìm.

Christian Kerskens, một nhà nghiên cứu khoa học thần kinh tại Trinity cho biết: “Nếu bộ não sử dụng tính toán lượng tử, thì những toán tử lượng tử đó có thể khác với những toán tử được biết đến từ các hệ thống nguyên tử. Vậy làm thế nào để đo lường một hệ thống lượng tử chưa biết, đặc biệt là khi chúng ta không có bất kỳ thiết bị nào để đo lường các tương tác bí ẩn, chưa biết?

Bài học từ lực hấp dẫn lượng tử

Lực hấp dẫn lượng tử là một ví dụ khác trong vật lý lượng tử mà chúng ta vẫn chưa biết mình đang giải quyết vấn đề gì.

Có hai lĩnh vực chính của vật lý. Ở thế giới vi mô nhỏ bé - các nguyên tử và photon, hạt và sóng tương tác và hành xử rất không giống với thế giới chúng ta thấy xung quanh mình. Cái sau mới là hấp dẫn, chi phối chuyển động của các hành tinh và các vì sao và giữ cho con người chúng ta bị mắc kẹt trên Trái đất. Thống nhất 2 lĩnh vực này theo một lý thuyết bao trùm là nơi lực hấp dẫn lượng tử xuất hiện - nó sẽ giúp các nhà khoa học hiểu được các lực cơ bản chi phối vũ trụ của chúng ta.

Vì lực hấp dẫn lượng tử và các quá trình lượng tử trong não đều là những ẩn số lớn, nên các nhà nghiên cứu tại Trinity đã quyết định sử dụng cùng một phương pháp mà các nhà khoa học khác đang sử dụng để cố gắng hiểu lực hấp dẫn lượng tử.

Từ liên đới lượng tử ở tim

Sử dụng máy chụp cộng hưởng từ (MRI) có thể cảm nhận được sự liên đới, các nhà khoa học đã xem xét liệu các spin proton trong não có thể tương tác và trở nên liên đới với nhau thông qua một trung gian chưa biết hay không. Tương tự như nghiên cứu về lực hấp dẫn lượng tử, mục tiêu là tìm hiểu một hệ thống chưa biết.

Kerskens giải thích: “Hệ thống chưa biết có thể tương tác với các hệ thống đã biết như proton quay (trong não bộ). Nếu hệ chưa biết đó có thể làm trung gian cho sự liên đới của hệ đã biết, thì nó chứng minh cái chưa biết phải là lượng tử”.

Các nhà nghiên cứu đã quét 40 đối tượng bằng MRI. Sau đó, họ theo dõi những gì đã xảy ra và tương quan hoạt động với nhịp tim của bệnh nhân.

Nhịp tim không chỉ là chuyển động của một cơ quan trong cơ thể chúng ta. Thay vào đó, tim, giống như nhiều bộ phận khác trên cơ thể chúng ta, tham gia vào quá trình giao tiếp hai chiều với não - cả hai cơ quan đều gửi tín hiệu cho nhau. Chúng ta thấy điều này khi trái tim phản ứng với các hiện tượng khác nhau như đau đớn, chú ý và động lực. Ngoài ra, nhịp tim có thể liên quan đến trí nhớ ngắn hạn và lão hóa.

Khi tim đập, nó tạo ra một tín hiệu gọi là điện thế nhịp tim, hay HEP. Với mỗi đỉnh của HEP, các nhà nghiên cứu nhận thấy tín hiệu NMR tăng vọt tương ứng, tương ứng với sự tương tác giữa các spin của proton. Tín hiệu này có thể là kết quả của sự liên đới và việc chứng thực nó có thể cho thấy thực sự có một trung gian phi cổ điển.

Kerskens giải thích: “HEP là một sự kiện điện sinh lý, giống như sóng alpha hoặc beta. HEP gắn liền với ý thức vì nó phụ thuộc vào nhận thức”. Tương tự như vậy, tín hiệu cho thấy sự liên đới chỉ xuất hiện trong quá trình nhận thức có ý thức, điều này được minh họa khi hai đối tượng ngủ thiếp đi trong quá trình chụp cộng hưởng từ. Khi họ như vậy, tín hiệu này mờ dần và biến mất.

Nhìn thấy sự liên đới trong não có thể cho thấy rằng não không phải cấu trúc cổ điển như người ta vẫn nghĩ trước đây, mà là một hệ thống lượng tử mạnh mẽ. Nếu kết quả có thể được xác thực, chúng có thể cung cấp một số dấu hiệu cho thấy bộ não sử dụng các quá trình lượng tử. Điều này có thể bắt đầu làm sáng tỏ cách bộ não của chúng ta thực hiện các tính toán mạnh mẽ và cách nó quản lý ý thức.

* Quantum entanglement, tức liên đới lượng tử hay vướng mắc lượng tử) là một hiệu ứng trong cơ học lượng tử, trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật thể có liên hệ với nhau, dù chúng cách xa tới mức nào, thậm chí khoảng cách lên tới nhiều năm ánh sáng.

Ví dụ, có thể tạo ra hai vật thể, sao cho nếu quan sát thấy spin của vật thứ nhất quay xuống dưới, thì spin của vật kia sẽ phải quay lên trên, hoặc ngược lại; dù cho cơ học lượng tử không tiên đoán trước kết quả phép đo trên vật thứ nhất. Điều này nghĩa phép đo thực hiện trên vật thể này ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái lượng tử trên vật thể (liên đới lượng tử với nó).