¿Es relevante la mecánica cuántica para la comprensión científica del problema mente-cerebro?

Autor: Javier Sánchez-Cañizares js.canizares@unav.es
Publicado en: F.J. Soler Gil – M. Alfonseca (coords.), "60 preguntas sobre ciencia y fe respondidas por 26 profesores de universidad". Madrid: Stella maris,  pp. 245-51
Fecha de publicación: 2014

Introducción

En las últimas décadas, los avances en el campo de las neurociencias han renovado el interés por entender las relaciones entre la mente y el cerebro humano. La Mecánica Cuántica (MC) ha estado presente en este debate desde sus comienzos a través de la conocida "paradoja de la medida". La interpretación estándar de la MC asume la existencia de dos procesos irreducibles entre sí: (a) la evolución determinista según la ecuación de Schrödinger de la función de onda que representa el estado físico del sistema, una vez que se han establecido sus condiciones iniciales; y (b) el "colapso" indeterminista de dicha función de onda en un estado compatible con el resultado de la medida de un observable concreto *(1). De este modo, la MC estaría señalando los límites de una visión puramente determinista de la naturaleza y, en particular, de los cerebros. Cabría esperar, por tanto, que la investigación neurocientífica del cerebro se tropezase en algún momento con la fenomenología cuántica.

Durante estos años, diferentes modelos teóricos han intentado explicar el modo específico en que la MC estaría jugando un papel apreciable en la fisiología cerebral. No obstante, dichas teorías no han gozado en general de la estima de los neurólogos por falta de plausibilidad científica. Antes de realizar una somera descripción de los modelos, hay que señalar que en la actualidad existe una línea de investigación que utiliza el formalismo de la MC para describir algunos fenómenos de conciencia y comportamiento humanos *(2). Se pretenden aplicar ciertas características formales de la MC a determinados fenómenos mentales, mas sin entrar en la física subyacente a estos fenómenos, sobre la que se suspende el juicio. Ciertamente, la aplicación directa del formalismo de la MC a los estados mentales permite un valioso ajuste de muchos datos empíricos, pero dice muy poco acerca de la realidad que los causa. No obstante, esta línea de investigación podría ofrecer una determinación de la relevancia de la MC en el problema mente-cerebro, en la medida en que muestre la incapacidad de los modelos clásicos de probabilidad condicionada *(3) para explicar algunos de los resultados actualmente disponibles.

Modelos cuánticos de la conciencia

A lo largo de la historia de la MC, diversos científicos han profundizado en el comportamiento del cerebro a escala microscópica y sus amplificaciones a nivel macroscópico en busca de un posible sustrato de fenómenos cuánticos. Dichos fenómenos podrían explicar las propiedades de la psique humana de manera más convincente que la neurociencia cognitiva tradicional. Entre los representantes más activos de esta línea de investigación se cuentan: (a) Stuart Hameroff y Roger Penrose, para quienes la conciencia estaría íntimamente ligada al colapso objetivo y estructurado de la función de onda en los microtúbulos *(4) de las neuronas, causado por la interacción gravitatoria; (b) Stuart Kauffman, quien considera el cerebro como un sistema que pasa continuamente de la decoherencia a la recoherencia cuántica; y (c) el equipo dirigido por Giuseppe Vitiello, que aplica un formalismo disipativo de teoría cuántica de campos *(5) para explicar los diversos patrones de actividad coherente que se darían en el cerebro humano en contacto con múltiples estímulos exteriores. El problema fundamental de estas teorías es que, incluso si llegaran a tener éxito desde un punto de vista empírico (mediante la explicación y predicción de nuevos fenómenos fuera del alcance de una teoría clásica), darían lugar únicamente a un pequeño avance en la comprensión del problema mente-cerebro, pues siguen sin dar una respuesta a cómo se produce la transición o conversión de lo físico a lo mental (y viceversa).

Existen otros modelos que recurren a la MC para explicar esta última transición, considerando la conciencia y las actividades mentales como realidades primarias, que tendrían manifestaciones en el mundo físico únicamente comprensibles desde la MC. A título de ejemplo, se pueden citar: (a) Friedrich Beck y John Eccles, quienes propusieron un modelo de potenciación cuántica de la comunicación a través de las sinapsis; (b) Henry Stapp, que recurre al efecto Zenón cuántico para explicar cómo la atención consciente es capaz de fijar relaciones entre estados físicos y mentales; y (c) Efstratios Manousakis, para quien las actividades de nuestro cerebro, el flujo perceptual de los eventos y la mismísima MC emergerían a partir de operaciones primarias de la conciencia. Sin embargo, cómo sea posible que determinados eventos físicos tengan efectos en nuestra conciencia quedaría sin explicar en este tipo de modelos, que tampoco alcanzan a dar una explicación de la paradoja de la medida en MC *(6).

Críticas a la relevancia de la MC para la comprensión del cerebro

Las críticas más importantes a la relevancia de la MC para comprensión científica del problema mente-cerebro provienen del campo experimental. A pesar de la existencia de los modelos mencionados y de los prometedores resultados de la teoría de Hameroff y Penrose *(7), el reproche fundamental de los neurocientíficos es que no se ha presentado hasta ahora ningún experimento que muestre signos inequívocos de efectos cuánticos en el cerebro. Se podría decir que, de facto, no hay una respuesta definitiva acerca de la relevancia empírica de la MC en el cerebro y que ninguno de los modelos propuestos parece gozar a priori de plausibilidad desde el punto de vista neurobiológico. Al mismo tiempo, recurrir para la fundamentación de los procesos neurales a una física pre-cuántica no resultaría adecuado para abordar el problema mente-cerebro en toda su complejidad.

Los detractores de la relevancia de la MC confían en última instancia en el efecto de los procesos de decoherencia a diferentes niveles para asegurar un comportamiento clásico del cerebro. La decoherencia cuántica es en la actualidad el recurso más habitual para tratar de explicar la transición del mundo de posibilidades cuánticas entrelazadas al mundo clásico de acontecimientos reales. La teoría de la decoherencia postula que cuando un sistema interactúa con un entorno físico suficientemente grande, los términos de interferencia en la función de onda del primero tienden a anularse, a causa de la interacción con el segundo. En dicha situación, la interferencia cuántica no llega a darse en el sistema y el régimen clásico emerge de entre las diversas posibilidades cuánticas. La interacción del sistema con su entorno se parece así al proceso de una medida clásica, según la interpretación estándar de la MC. El sistema resulta parcialmente medido por su entorno mediante un proceso gradual de decoherencia, que lleva al sistema de una superposición coherente de posibles estados a un estado "mixto", que refleja únicamente las probabilidades de cada medida *(8). La existencia de procesos de decoherencia es un hecho bien conocido experimentalmente y resulta una de las mayores dificultades para poder construir, por ejemplo, ordenadores cuánticos.

A pesar de todo, el modo específico en que actúan los procesos decoherentes en los sistemas físicos y biológicos es solo entendido en parte. De un lado, la teoría de la decoherencia no proporciona una ontología consistente sobre la realidad del mundo, ofreciendo únicamente un procedimiento para fines prácticos. La decoherencia depende de la representación elegida para la función de onda (de su contextualización según la medida a realizar), de forma que la matriz densidad reducida puede ser diagonal en una representación, pero no en otra *(9). Por otro lado, la teoría de la decoherencia no explica cómo se daría el colapso de la función de onda en sistemas aislados, ni la naturaleza que tendría que tener un aislamiento para que el entorno no resultara involucrado. Y, sobre todo, no dice nada acerca de qué parte de un sistema físico general debe ser considerada como entorno y cual no, pues no proporciona ningún límite definido de alguna variable del sistema que permita asegurar su comportamiento cuántico o clásico.

En qué sentido la MC es relevante para el problema mente-cerebro

Si bien la neurociencia como tal no necesita de momento profundizar en estos problemas conceptuales, limitándose a la evidencia empírica, los filósofos de la mente deberían sacar algunas conclusiones. En particular, la simple referencia a la complejidad clásica como una futura explicación de los fenómenos mentales lleva a una petición de principio. La MC es la teoría física fundamental subyacente a la fisiología del cerebro. En ella, el comportamiento clásico se recupera gracias a los modelos de decoherencia. Mas dichos modelos reclaman un tratamiento ad hoc que hace de la MC una teoría no unificada epistemológicamente. Para que el recurso a la decoherencia funcione, es necesario invocar a priori un trato diferente de las partes que componen el sistema. Este ha de ser dividido en un subsistema (el cerebro o la parte de él cuyo estudio se considera relevante para la conciencia) y un baño térmico (una idealización matemática del entorno), cuyos grados de libertad son promediados y eliminados del problema. En este sentido, la decoherencia como explicación última de la emergencia del mundo clásico en el cerebro y de una actividad mental causada por la complejidad resulta ser una teoría incompleta y esencialmente dualista.

Por otra parte, resulta notable que la decoherencia se dé cuando un sistema físico es definido a priori para obtener información de él a través de algún tipo de medida. En otras palabras, la decisión acerca del sistema a estudiar y la observación que se desea hacer son partes irreducibles del proceso. Debemos decidir a priori qué subsistema físico va a ser relevante y cómo (bajo qué observables) va a serlo, puesto que la teoría de la decoherencia implica la selección de los subsistemas por parte del observador. Así, la interpretación estándar de la MC muestra el límite a partir del cual la separación de la naturaleza y el acceso humano a ella no resulta ya posible. En MC, la lógica, el conocimiento y sus correlatos neurales asumen la misma importancia que las características de lo que se está describiendo. Nos hallamos ante niveles de realidad en que las declaraciones cognitivas sobre las variables dinámicas de la naturaleza se convierten ellas mismas en parte del problema. Se ha de enfatizar, por tanto, que el marco filosófico de la MC es significativo para el problema mente-cerebro no simplemente porque proporcione aleatoriedad frente a determinismo, sino porque reclama una influencia irreducible de la elección de información relevante para el observador en la evolución de la realidad física.

Notas

  1. Mientras que en mecánica clásica un sistema físico es descrito mediante los valores que toman los grados de libertad o variables relevantes del sistema, en MC un sistema físico es descrito por un vector de números complejos al que se llama función de onda. Mientras no se haga ninguna medida, la evolución de la función de onda sigue la ecuación de Schrödinger (una ecuación diferencial análoga a las ecuaciones deterministas de la física clásica). Sin embargo, cuando se realiza la medición de una magnitud física concreta (un observable), el valor de la función de onda ya no se obtiene de la ecuación de Schrödinger, sino que "salta" o "colapsa", de manera indeterminista, a un valor compatible con el resultado de la medida según reglas de probabilidad que se computan a partir de la función de onda. Esta es la interpretación estándar o de Copenhague de la MC.
  2. Una lista de los grupos más relevantes puede verse en Atmanspacher, H. [en línea]: "Quantum approaches to consciousness" en Zalta, E.N. (ed): The Stanford Encyclopedia of Philosophy (2011), http://plato.stanford.edu/archives/sum2011/entries/qt-consciousness/ [Consultado: 27/02/2014].
  3. La probabilidad condicionada es la probabilidad de que ocurra un evento A, sabiendo que también sucede otro evento B. La MC predice resultados (medidos de hecho en otros contextos) que violan las reglas de composición de la probabilidad condicionada y prohíben una interpretación puramente cognoscitiva de la función de onda (como si solo se refiriese al estado de conocimiento del observador). Dicho con otras palabras, la MC logra acceder a una realidad que no es describible mediante el empleo de la mecánica (estadística) clásica y las leyes de la probabilidad condicionada.
  4. Los microtúbulos son estructuras de las células, formados por dos proteínas (alfa y beta tubulina), que se extienden a lo largo de todo el citoplasma.
  5. La teoría cuántica de campos es una generalización de la MC cuando el sistema físico de interés necesita ser descrito por un número continuo e infinito de grados de libertad o variables relevantes.
  6. Una discusión más general sobre cada uno de estos modelos puede encontrarse en Sánchez-Cañizares, J.: "The Mind-Brain Problem and the Measurement Paradox of Quantum Mechanics: Should We Disentangle Them?", en NeuroQuantology 12/1, 2014, en prensa.
  7. Hameroff, S. – Penrose, R. [en línea]: "Consciousness in the universe: A review of the ‘Orch OR' theory", en Physics of Life Reviews, 2013, DOI: 10.1016/j.plrev.2013.08.002 [Consultado 27/02/2014].
  8. Antes de una medida, la función de onda incluye interferencias entre todos los estados posibles del sistema. Se halla en una "superposición coherente" de estados. En general, dichas interferencias tienen efectos apreciables en las probabilidades de medida de los observables (generando novedosos efectos cuánticos). Sin embargo, mediante la interacción con un segundo sistema lo suficientemente grande, los términos de interferencia pueden llegar a anularse y el sistema inicial podría pasar a un estado "mixto" (describible mediante un mero conjunto de probabilidades para cada medida posible), haciéndose "clásico" (describible mediante física no cuántica).
  9. La matriz densidad es otro formalismo de la MC equivalente al de la función de onda. Es especialmente útil cuando se trata con sistemas compuestos. Se llama reducida cuando describe un subsistema después de haber pesado de manera ponderada la influencia del entorno en él. Si la matriz reducida solo tiene elementos no nulos en su diagonal principal, entonces ha habido decoherencia. No obstante, la forma específica de la matriz densidad depende de los observables concretos que se vayan a medir.