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Reducción objetiva orquestada

La reducción objetiva orquestada (Orch-Or en inglés) es una hipótesis que establece que la conciencia del cerebro se origina de procesos dentro de las neuronas, y no de procesos entre neuronas (la visión convencional). El mecanismo es un proceso cuántico llamado reducción objetiva, el cual es orquestado por estructuras moleculares llamadas microtúbulos. Se propone que la reducción objetiva es influida por factores no computables en la geometría espacio-tiempo, lo cual puede explicar el Problema difícil de la consciencia. La hipótesis se desarrolló a principios de 1990 por el físico teórico Roger Penrose y el anestesiólogo y psicólogo Stuart Hameroff.

Introducción editar

La hipótesis afirma que la conciencia se origina en un nivel más profundo, de actividades cuánticas más pequeñas, presentes en las neuronas. Combina enfoques de biología molecular, neurociencia, física cuántica, farmacobiología, filosofía, información y comunicación cuántica, y gravedad cuántica.[1][2]

Teorías populares aseguran que la conciencia emerge del aumento de la complejidad de las computaciones realizadas por neuronas celulares,[3][4]​ por otro lado, Orch-OR postula que la conciencia está basada en "procesos cuánticos no computables" realizados por "qbits", formados colectivamente en microtúbulos celulares, un proceso amplificado significativamente en las neuronas.[5]​ Los qbits están basados en dipolos oscilantes que forman anillos de resonancia en patrones helicoidales superpuestos, a lo largo de un entramado de microtúbulos . Las oscilaciones pueden ser eléctricas, debido a la separación de las cargas por las fuerzas de London, o (más favorablemente) magnéticas, debido al espín del electrón, y posiblemente también debido a spins nucleares (los cuales pueden permanecer aislados por periodos más largos) que ocurren en los rangos de frecuencia de Gigahertz, Megahertz, y kilohertz.[1][6]​ La orquestación (u organización), se refiere al proceso hipotético por el cual proteínas conectivas, como las proteínas asociadas a microtúbulos (MAPs), influyen u orquestan estados de reducción del qbit, modificando la separación espacio-tiempo de sus estados superpuestos.[7]​ Esto último se basa en la teoría de colapso objetivo de Penrose, para la interpretación cuántica, la cual postula la existencia de un límite objetivo que gobierna los colapsos de estados cuánticos, relacionado con la diferencia de la "curvatura espacio-tiempo" de estos estados en la estructura de "pequeña escala" del universo.[8]

Las bases del Orch-OR han sido criticadas desde su comienzo por matemáticos,[9][10][11]​ filósofos ,[12][13][14][15][16][17]​ y científicos[18][19]​,[20][21][22]​ incitando a los autores a revisar y elaborar varias de las teorías de conjeturas periféricas, reteniendo la hipótesis central,[23]​ las críticas se concentran en tres problemas: la interpretación de Penrose del "teorema de Godel"; el "razonamiento abductivo" de Penrose, ligando procesos cuánticos no computacionales, y la inadecuación del cerebro para tener tales fenómenos cuánticos requeridos por la teoría, ya que es considerada muy "cálida, húmeda y ruidosa" para evitar decoherencia. En otras palabras, hay una relación no encontrada entre la física y la neurociencia,[24]​ y a la fecha, es prematuro afirmar que la hipótesis Orch-OR es correcta o incorrecta.

Argumento de Penrose-Lucas editar

El argumento de Penrose-Lucas establece que, ya que los humanos son capaces de conocer la verdad de los Teoremas de incompletitud de Godel, el pensamiento humano necesariamente es no computable.[25]

En 1931, el matemático y lógico Kurt Gödel probó que cualquier teoría "efectivamente generada" capaz de probar aritmética básica no puede ser ni probar su propia consistencia ni ser completa (la completitud supone la posibilidad de demostrar la veracidad o falsedad de toda proposición bien formada). Incluso, mostró que cualquier teoría que incluya una declaración de su propia consistencia, es inconsistente. Un elemento clave de la prueba es el uso de la "numeración de Gödel" para construir un enunciado de Gödel para la teoría, lo cual codifica un postulado de su propia incompletitud, e.g. "Esta teoría no puede afirmar la verdad de esta afirmación." Esta afirmación no es ni verdadera pero improbable (incompletitud) ni falsa y probable (inconsistente). Una afirmación análoga se ha usado para probar que los humanos están sujetos a los mismos límites que las máquinas.[26]

Sin embargo, en su primer libro sobre conciencia, "La nueva mente del emperador" (1989), Penrose hizo el teorema de Gödel la base de lo que pronto se convirtió en una polémica afirmación.[25]​ Él argumentó que si bien un sistema de prueba formal no puede probar su propia consistencia, era posible probar los resultados no-probables de Gödel para matemáticos humanos. Él considera que esta disparidad significa que los matemáticos humanos no se pueden describir como sistemas formales de prueba, y por ello son capaces de lograr un algoritmo no-computable. Afirmaciones similares sobre las implicaciones del teorema de Gödel fueron expuestas por el filósofo "John Lucas" del "Merton College, Oxford" en 1961.[27]

La inevitable conclusión parece ser: Los matemáticos no están utilizando procedimientos y cálculos bien informados para determinar una verdad matemática. Deducimos que el entendimiento matemático - los medios por los cuales los matemáticos llegan a conclusiones con respecto a la verdad matemática - ¡no pueden ser reducidas a cálculos ciegos!
Roger Penrose[28]

Reducción objetiva editar

articulo principal: interpretación de Penrose

Motivación editar

De ser correcto, el argumento de Penrose-Lucas crea una necesidad de entender las bases físicas del comportamiento no computable del cerebro. La mayoría de las leyes físicas son computables, y por lo tanto, algorítmicas. Sin embargo, Penrose determinó que un "Colapso de la función de onda" era el candidato principal para un proceso no-computable.

En "mecánica cuántica", las partículas son consideradas distintas a los objetos de la "mecánica clásica". Las partículas son descritas por medio de "Funciones de onda" que evolucionan conforme a la "ecuación de Schrödinger". Funciones de onda no estacionaras son "combinaciones lineales" de los "eigenestados" del sistema, un fenómeno conocido como "superposición cuántica". Cuando un sistema cuántico interactúa con un sistema clásico - i.e. cuando una "observable" es medido - el sistema parece "colapsar" a un eigenestado aleatorio de ese observable desde un punto de vista clásico.

Si el colapso es realmente aleatorio, entonces ningún proceso ni algoritmo podría predecir el resultado de manera determinística. Esto le proporcionó a Penrose un candidato para la base física del proceso no computable que, según su hipótesis, existe en el cerebro. Sin embargo, no le gustaba la naturaleza aleatoria del colapso inducido por el medio ambiente, ya que la aleatoriedad no era una base prometedora para la comprensión matemática. Penrose propuso que los sistemas aislados aún pudieran sufrir una nueva forma de colapso de la función de onda, lo que él llamó reducción objetiva (OR).[7]

Detalles editar

Penrose buscó conciliar la relatividad general y la teoría cuántica utilizando sus propias ideas sobre la posible estructura del espacio-tiempo.[25][29]​ Sugirió que, en la escala de Planck, el espacio-tiempo curvo no es continuo sino discreto. Penrose postuló que cada superposición cuántica separada tiene su propia pieza de curvatura espacio-tiempo, una burbuja en espacio-tiempo. Penrose sugiere que la gravedad ejerce una fuerza sobre estas burbujas espaciotemporales, que se vuelven inestables por encima de la escala de Planck ( )

y colapso a solo uno de los estados posibles. El umbral aproximado para OR está dado por el principio de indeterminación de Penrose:

Donde: 

-   es el tiempo hasta que OR ocurra,

-   es su propia energía gravitacional o el grado de separación espacio-tiempo dada por la masa superpuesta, y

-   es la "constante de Planck reducida.

Por lo tanto, cuanto mayor sea la masa-energía del objeto, más rápido ocurrirá el OR y viceversa. Las superposiciones de nivel atómico requerirían 10 millones de años para alcanzar el punto O, mientras que un objeto aislado de 1 kilogramo alcanzaría el punto O en ##10−37 s. Los objetos en algún lugar entre estas dos escalas podrían colapsarse en una escala de tiempo relevante para el procesamiento neuronal.[7]

Una característica esencial de la teoría de Penrose es que la elección de los estados cuando se produce la reducción objetiva no se selecciona al azar (como lo son las opciones que siguen al colapso de la función de onda) ni algorítmicamente. Más bien, los estados se seleccionan por una influencia "no computable" incorporada en la escala de Planck de la geometría del espacio-tiempo. Penrose afirmó que dicha información es platónica, que representa la verdad matemática pura, los valores estéticos y éticos en la escala de Planck. Esto se relaciona con las ideas de Penrose acerca de los tres mundos: físico, mental y el mundo matemático platónico. En su teoría, el mundo platónico corresponde a la geometría del espacio-tiempo fundamental que se afirma que apoya el pensamiento no computacional.[7]

Ninguna evidencia apoya la reducción objetiva de Penrose, pero la teoría se considera comprobable y se ha sugerido el FELIX (experimento) para evaluar y medir el criterio objetivo.[30]

En agosto de 2013, Penrose y Hameroff informaron que los experimentos habían sido realizados por Bandyopadhyay et al., Apoyando la teoría de Penrose en seis de sus veinte tesis, sin invalidar ninguna de las otras. Posteriormente respondieron a las críticas, incluida una crítica de 2009 de un grupo liderado por Jeffrey Reimers.[7][31][32]

La creación del modelo Orch-OR editar

Penrose y Hameroff inicialmente desarrollaron sus ideas por separado, y fue solo en la década de 1990 que cooperaron para producir la teoría de Orch-OR. Penrose llegó al problema desde el punto de vista de las matemáticas y, en particular, del teorema de Gödel, mientras que Hameroff lo abordó desde una carrera en investigación del cáncer y anestesia que le había dado interés en las estructuras cerebrales. Específicamente, cuando Penrose escribió su primer libro de conciencia, La nueva mente del emperador en 1989, carecía de una propuesta detallada de cómo se podrían implementar tales procesos cuánticos en el cerebro. Posteriormente, Hameroff leyó La nueva mente del emperador y sugirió a Penrose que ciertas estructuras dentro de las células cerebrales (neuronas) eran sitios candidatos adecuados para el procesamiento cuántico y, en última instancia, para la conciencia.[33][34]​ La teoría de Orch-OR surgió de la cooperación de estos dos científicos y se desarrolló en el segundo libro de conciencia de Penrose, Sombras de la mente (1994).[29]

La contribución de Hameroff a la teoría derivada del estudio de las células cerebrales. Su interés se centró en el citoesqueleto, que proporciona una estructura de soporte interno para las neuronas, y en particular en los microtúbulos,[34]​ que son el componente más importante del citoesqueleto. A medida que la neurociencia ha progresado, el papel del citoesqueleto y los microtúbulos ha adquirido mayor importancia. Además de proporcionar soporte estructural, las funciones de los microtúbulos incluyen el transporte axoplasmático y el control del movimiento, crecimiento y forma de la célula.[34]

Condensados de microtúbulos editar

Hameroff propuso que los microtúbulos eran candidatos adecuados para el procesamiento cuántico.[34]​ Los microtúbulos se componen de subunidades de proteína tubulina. Los dímeros de proteína tubulina de los microtúbulos tienen bolsas hidrófobas que pueden contener electrones π deslocalizados. La tubulina tiene otras regiones no polares más pequeñas, por ejemplo, 8 triptófanos por tubulina, que contienen π anillos de indol ricos en electrones distribuidos a través de la tubulina con separaciones de aproximadamente 2 nm. Hameroff afirma que esto está lo suficientemente cerca como para que los electrones de la tubulina π se vuelvan entrelazados cuánticos.[35]​ Durante el entrelazamiento, los estados de las partículas se correlacionan inseparablemente.

Hameroff sugirió originalmente en el Journal of Cosmology, que los electrones de la subunidad de la tubulina formarían un condensado de Bose-Einstein.[36]​ Luego propuso un condensado de Frohlich, una hipotética oscilación coherente de moléculas dipolares. Sin embargo, esto también fue rechazado por el grupo de Reimers. Hameroff.[37]​ luego respondió a Reimers. "Reimers et al. Definitivamente no han demostrado que la condensación de Frohlich fuerte o coherente en microtúbulos sea inviable. El modelo de microtúbulo en el que se basan su hamiltoniano no es una estructura de microtúbulos, sino una simple cadena lineal de osciladores". Hameroff razonó que tal comportamiento de condensado magnificaría los efectos cuánticos nanoscópicos para tener influencias a gran escala en el cerebro.

Hameroff propuso que los condensados en microtúbulos en una neurona pueden vincularse con los condensados de microtúbulos en otras neuronas y células gliales a través de las uniones de las sinapsis eléctricas.[38][39]​ Hameroff propuso que la brecha entre las células es lo suficientemente pequeña como para que los objetos cuánticos puedan atravesarla, lo que les permite extenderse a través de una gran área del cerebro. Además, postuló que la acción de esta actividad cuántica a gran escala es la fuente de ondas gamma de 40 Hz (no confundir con rayos gamma), basándose en la teoría mucho menos controvertida de que las uniones de brecha están relacionadas con la oscilación gamma.[40]

Consecuencias editar

La teoría de Orch-OR combina el argumento de Penrose-Lucas con la hipótesis de Hameroff sobre el procesamiento cuántico en microtúbulos. Propone que cuando los condensados en el cerebro experimentan una reducción objetiva de la función de onda, su colapso conecta la toma de decisiones no computacional con experiencias incrustadas en la geometría fundamental del espacio-tiempo.

La teoría además propone que los microtúbulos influyen y están influenciados por la actividad convencional en las sinapsis entre las neuronas.

En 1998, Hameroff hizo 8 supuestos probables y 20 predicciones comprobables para respaldar su propuesta.[41]

En enero de 2014, Hameroff y Penrose anunciaron que el descubrimiento de vibraciones cuánticas en microtúbulos por Anirban Bandyopadhyay del Instituto Nacional para la Ciencia de los Materiales en Japón[42][43]​ proporciona evidencia favorable a la hipótesis de Orch-OR.[23][31]

Críticas editar

La teoría de Orch-OR fue criticada por los físicos[18][19][37][44][45]​ y los neurocientíficos[20][46][47][48]​ que lo consideraron un modelo deficiente de fisiología cerebral.

Argumento de Penrose-Lucas editar

El argumento de Penrose-Lucas sobre las implicaciones del teorema de incompletitud de Gödel para las teorías computacionales de la inteligencia humana fue criticado por matemáticos,[9][11][10]​ informáticos,[17]​ y filósofos,[12][13][14][15][16]​ y el consenso entre los expertos en estos campos es que el argumento falla,[49][50][51]​ con diferentes autores que atacan diferentes aspectos del argumento.[51][52]

LaForte señaló que para conocer la verdad de una sentencia de Gödel no comprobable, uno ya debe saber que el sistema formal es consistente. Haciendo referencia a Benacerraf, luego demostró que los humanos no pueden probar que son consistentes,[9]​ y, con toda probabilidad, los cerebros humanos son inconsistentes. Señaló las contradicciones dentro de los escritos de Penrose como ejemplos. De manera similar, Minsky argumentó que debido a que los humanos pueden creer que las ideas falsas son verdaderas, la comprensión matemática humana no necesita ser consistente y la conciencia puede fácilmente tener una base determinística.[53]

Feferman desaprobó los puntos detallados en el segundo libro de Penrose, Shadows of the Mind. Argumentó que los matemáticos no progresan mediante la búsqueda mecánica a través de pruebas, sino mediante el razonamiento, la percepción y la inspiración de prueba y error, y que las máquinas no comparten este enfoque con los humanos. Señaló que las matemáticas cotidianas pueden formalizarse. También rechazó el platonismo de Penrose.[10]

Searle criticó la apelación de Penrose a Gödel porque se basaba en la falacia de que todos los algoritmos computacionales deben ser capaces de una descripción matemática. Como ejemplo contrario, Searle citó la asignación de números de matrículas a números de identificación específicos del vehículo, como parte del registro del vehículo. De acuerdo con Searle, ninguna función matemática se puede usar para conectar un VIN conocido con su LPN, pero el proceso de asignación es bastante simple, es decir, "primero en llegar, primero en ser atendido", y puede ser realizado por completo por una computadora.[54]​ Sin embargo, dado que un algoritmo (tal como se define en el Oxford American Dictionary) es un 'conjunto de reglas que se deben seguir en los cálculos o las operaciones de resolución de problemas', la asignación de LPN a un VIN no es un algoritmo como tal, simplemente el uso de una base de datos en la que cada VIN tiene un LPN correspondiente. Ningún algoritmo podría arbitrariamente 'calcular' las asignaciones de base de datos. Por lo tanto, el contraejemplo de Searle no describe un algoritmo computacional que no se pueda describir matemáticamente.

Decoherencia en organismos vivos editar

En el 2000, Tegmark afirmó que cualquier sistema coherente cuántico en el cerebro sufriría un colapso efectivo de la función de onda debido a la interacción ambiental mucho antes de que pudiera influir en los procesos neuronales (el argumento "cálido, húmedo y ruidoso", como se conoció más adelante).[18]​ Determinó que la escala de tiempo de decoherencia del enredo de los microtúbulos a temperaturas cerebrales es del orden de los femtosegundos, demasiado breve para el procesamiento neural. Christof Koch y Klaus Hepp también estuvieron de acuerdo en que la coherencia cuántica no juega, o no necesita jugar ningún papel importante en la neurofisiología.[22][21]​ Koch y Hepp concluyeron que "la demostración empírica de bits cuánticos lentamente decoherentes y controlables en neuronas conectadas por sinapsis eléctricas o químicas, o el descubrimiento de un algoritmo cuántico eficiente para los cálculos realizados por el cerebro, ayudaría mucho para traer estas especulaciones desde "muy lejano" a "improbable".[21]

En respuesta a las afirmaciones de Tegmark, Hagan, Tuszynski y Hameroff[55][56]​ afirmaron que Tegmark no abordaba el modelo Orch-OR, sino un modelo de su propia construcción. Esto involucró superposiciones de cuantos separados por 24 nm en lugar de las separaciones mucho más pequeñas estipuladas para Orch-OR. Como resultado, el grupo de Hameroff reclamó un tiempo de decoherencia de siete órdenes de magnitud mayor que el de Tegmark, aunque todavía muy por debajo de los 25 ms. El grupo de Hameroff también sugirió que la capa de contraiones Debye podría detectar las fluctuaciones térmicas, y que el gel de actina circundante podría mejorar el ordenamiento del agua, además de ayudar a proyectar el sonido. También sugirieron que la energía metabólica incoherente podría ordenar más agua, y finalmente que la configuración de la red de microtúbulos podría ser adecuada para la corrección de errores cuánticos, un medio para resistir la decoherencia cuántica.

Desde la década de 1990, existían numerosas contraobservaciones al argumento "cálido, húmedo y ruidoso" a temperatura ambiente, in vitro[23][42]​ e in vivo (es decir, fotosíntesis, navegación de aves). Por ejemplo, los investigadores de Harvard lograron estados cuánticos que duraron 2 segundos a temperatura ambiente con diamantes.[57][58]​ Las plantas utilizan de manera rutinaria el transporte de electrones coherente cuántico a temperaturas ambientales en la fotosíntesis.[59]​ En 2014, investigadores utilizaron la biofísica cuántica teórica y simulaciones por computadora para analizar la coherencia cuántica entre los anillos de resonancia de triptófano π en tubulina. Afirmaron que el acoplamiento de dipolo cuántico entre nubes de resonancia de triptófano π, mediado por salto de excitón o transferencia de energía de resonancia de Forster (FRET) a través de la proteína tubulina es plausible.[60]

En 2007, Gregory S. Engel, profesor de química en la Universidad de Chicago, afirmó que todos los argumentos acerca de que el cerebro era "demasiado cálido y húmedo" se habían disipado, ya que se habían descubierto múltiples procesos cuánticos "cálidos y húmedos".[59][61]

En 2009, Reimers et al. y McKemmish et al., publicaron evaluaciones críticas.[19][37][44]​ Las versiones anteriores de la teoría habían requerido que los electrones de tubulina formaran condensados de Bose-Einsteins o Frohlich, y el grupo de Reimers afirmó que estos eran experimentalmente infundados. Además, afirmaron que los microtúbulos solo podían soportar una coherencia 'débil' de 8 MHz. El primer argumento fue anulado por revisiones de la teoría que describía las oscilaciones de dipolos debido a las fuerzas de Londres y posiblemente debido a formaciones de nubes de espín magnético y / o Formaciones de nubes de spin nuclear.[8]​ En el segundo tema, la teoría se modificó de modo que la coherencia de 8 MHz es suficiente para respaldar toda la hipótesis de Orch-OR.

McKemmish et al. hizo dos afirmaciones: que las moléculas aromáticas no pueden cambiar de estado porque están deslocalizadas; y que los cambios en la conformación de la proteína tubulina impulsados por la conversión de GTP darían lugar a un requisito de energía prohibitivo. Hameroff y Penrose respondieron a la primera afirmación afirmando que se referían al comportamiento de dos o más nubes de electrones, inherentemente no localizadas.

Biología de neuronas celulares editar

La hipótesis de Hameroff de 1998 requería que las dendritas corticales contengan principalmente microtúbulos[41]​ de red "A", pero en 1994 Kikkawa et al.[62][63]​ mostró que todos los microtúbulos in vivo tienen una red 'B' y una "costura".

Orch-OR también requería uniones de brecha entre las neuronas y las células gliales, pero Binmöller et Alabama probaron en 1992 que estos no existen en el cerebro adulto.[64]​ La investigación in vitro con cultivos neuronales primarios muestra evidencia de un acoplamiento electrotónico (intersticio) entre neuronas inmaduras y astrocitos obtenidos de embriones de rata extraídos prematuramente a través de "cesárea",[65]​ sin embargo, la afirmación de Orch OR es que las neuronas maduras se acoplan electrotónicamente a los astrocitos en el cerebro adulto. Por lo tanto, Orch OR contradice el desacoplamiento electrotónico bien documentado de las neuronas de los astrocitos en el proceso de maduración neuronal, que se afirma por Fróes et al. como sigue: "La comunicación de unión puede proporcionar interconexiones metabólicas y electrotónicas entre redes neuronales y astrocíticas en etapas tempranas del desarrollo neural y tales interacciones se debilitan a medida que progresa la diferenciación".[65]

En 2001, Hameroff propuso además que la coherencia de los microtúbulos se propaga entre diferentes neuronas a través de cuerpos lamelares dendríticos (DLB) que están conectados directamente con las uniones de los huecos.[66]​ De Zeeuw et al. ya había demostrado que esto era imposible en 1995,[67]​ al demostrar que los DLB se encuentran a micrómetros de distancia de las uniones de brecha.[20]

En 2014, Bandyopadhyay et Alabama especularon que la coherencia cuántica basada en microtúbulos puede extenderse entre diferentes neuronas si se demuestra su noción de transmisión inalámbrica de información a nivel global en todo el cerebro.[68]​ Hameroff y Penrose dudan si una transmisión inalámbrica de este tipo sería capaz de transmitir estados cuánticos superpuestos y se adhiere a su propuesta original de intersección.[6]

Hameroff especuló que los fotones visuales en la retina son detectados directamente por los conos y bastones en lugar de primero descohesionarse y posteriormente conectarse con las células de la glía de la retina a través de las uniones,[41]​ pero esto también fue desmentido.[69]

Se han ofrecido otras críticas basadas en la biología.[70]​ Los documentos de Georgiev[20][62]​ señalan problemas con las propuestas de Hameroff, incluida la falta de explicación de la liberación probabilística de neurotransmisores desde los terminales de axones[71][72][73]​ y un error en el número calculado de dímeros de tubulina por neurona cortical. Hameroff insistió en una entrevista de 2013 que esas falsaciones no eran válidas, pero no proporcionó ninguna explicación respecto a en qué fallaban las falsaciones.[74]

Véase también editar

-Teorías electromagnéticas de la conciencia

-Teoría del cerebro holomónico

-Interpretación de Penrose

-"Quantum Aspects of Life" (libro)

-Mente cuántica

-Red neuronal cuántica

Referencias editar

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reducción, objetiva, orquestada, reducción, objetiva, orquestada, orch, inglés, hipótesis, establece, conciencia, cerebro, origina, procesos, dentro, neuronas, procesos, entre, neuronas, visión, convencional, mecanismo, proceso, cuántico, llamado, reducción, o. La reduccion objetiva orquestada Orch Or en ingles es una hipotesis que establece que la conciencia del cerebro se origina de procesos dentro de las neuronas y no de procesos entre neuronas la vision convencional El mecanismo es un proceso cuantico llamado reduccion objetiva el cual es orquestado por estructuras moleculares llamadas microtubulos Se propone que la reduccion objetiva es influida por factores no computables en la geometria espacio tiempo lo cual puede explicar el Problema dificil de la consciencia La hipotesis se desarrollo a principios de 1990 por el fisico teorico Roger Penrose y el anestesiologo y psicologo Stuart Hameroff Indice 1 Introduccion 2 Argumento de Penrose Lucas 3 Reduccion objetiva 3 1 Motivacion 3 2 Detalles 4 La creacion del modelo Orch OR 4 1 Condensados de microtubulos 4 2 Consecuencias 5 Criticas 5 1 Argumento de Penrose Lucas 5 2 Decoherencia en organismos vivos 5 3 Biologia de neuronas celulares 6 Vease tambien 7 ReferenciasIntroduccion editarLa hipotesis afirma que la conciencia se origina en un nivel mas profundo de actividades cuanticas mas pequenas presentes en las neuronas Combina enfoques de biologia molecular neurociencia fisica cuantica farmacobiologia filosofia informacion y comunicacion cuantica y gravedad cuantica 1 2 Teorias populares aseguran que la conciencia emerge del aumento de la complejidad de las computaciones realizadas por neuronas celulares 3 4 por otro lado Orch OR postula que la conciencia esta basada en procesos cuanticos no computables realizados por qbits formados colectivamente en microtubulos celulares un proceso amplificado significativamente en las neuronas 5 Los qbits estan basados en dipolos oscilantes que forman anillos de resonancia en patrones helicoidales superpuestos a lo largo de un entramado de microtubulos Las oscilaciones pueden ser electricas debido a la separacion de las cargas por las fuerzas de London o mas favorablemente magneticas debido al espin del electron y posiblemente tambien debido a spins nucleares los cuales pueden permanecer aislados por periodos mas largos que ocurren en los rangos de frecuencia de Gigahertz Megahertz y kilohertz 1 6 La orquestacion u organizacion se refiere al proceso hipotetico por el cual proteinas conectivas como las proteinas asociadas a microtubulos MAPs influyen u orquestan estados de reduccion del qbit modificando la separacion espacio tiempo de sus estados superpuestos 7 Esto ultimo se basa en la teoria de colapso objetivo de Penrose para la interpretacion cuantica la cual postula la existencia de un limite objetivo que gobierna los colapsos de estados cuanticos relacionado con la diferencia de la curvatura espacio tiempo de estos estados en la estructura de pequena escala del universo 8 Las bases del Orch OR han sido criticadas desde su comienzo por matematicos 9 10 11 filosofos 12 13 14 15 16 17 y cientificos 18 19 20 21 22 incitando a los autores a revisar y elaborar varias de las teorias de conjeturas perifericas reteniendo la hipotesis central 23 las criticas se concentran en tres problemas la interpretacion de Penrose del teorema de Godel el razonamiento abductivo de Penrose ligando procesos cuanticos no computacionales y la inadecuacion del cerebro para tener tales fenomenos cuanticos requeridos por la teoria ya que es considerada muy calida humeda y ruidosa para evitar decoherencia En otras palabras hay una relacion no encontrada entre la fisica y la neurociencia 24 y a la fecha es prematuro afirmar que la hipotesis Orch OR es correcta o incorrecta Argumento de Penrose Lucas editarEl argumento de Penrose Lucas establece que ya que los humanos son capaces de conocer la verdad de los Teoremas de incompletitud de Godel el pensamiento humano necesariamente es no computable 25 En 1931 el matematico y logico Kurt Godel probo que cualquier teoria efectivamente generada capaz de probar aritmetica basica no puede ser ni probar su propia consistencia ni ser completa la completitud supone la posibilidad de demostrar la veracidad o falsedad de toda proposicion bien formada Incluso mostro que cualquier teoria que incluya una declaracion de su propia consistencia es inconsistente Un elemento clave de la prueba es el uso de la numeracion de Godel para construir un enunciado de Godel para la teoria lo cual codifica un postulado de su propia incompletitud e g Esta teoria no puede afirmar la verdad de esta afirmacion Esta afirmacion no es ni verdadera pero improbable incompletitud ni falsa y probable inconsistente Una afirmacion analoga se ha usado para probar que los humanos estan sujetos a los mismos limites que las maquinas 26 Sin embargo en su primer libro sobre conciencia La nueva mente del emperador 1989 Penrose hizo el teorema de Godel la base de lo que pronto se convirtio en una polemica afirmacion 25 El argumento que si bien un sistema de prueba formal no puede probar su propia consistencia era posible probar los resultados no probables de Godel para matematicos humanos El considera que esta disparidad significa que los matematicos humanos no se pueden describir como sistemas formales de prueba y por ello son capaces de lograr un algoritmo no computable Afirmaciones similares sobre las implicaciones del teorema de Godel fueron expuestas por el filosofo John Lucas del Merton College Oxford en 1961 27 La inevitable conclusion parece ser Los matematicos no estan utilizando procedimientos y calculos bien informados para determinar una verdad matematica Deducimos que el entendimiento matematico los medios por los cuales los matematicos llegan a conclusiones con respecto a la verdad matematica no pueden ser reducidas a calculos ciegos Roger Penrose 28 Reduccion objetiva editararticulo principal interpretacion de Penrose Motivacion editar De ser correcto el argumento de Penrose Lucas crea una necesidad de entender las bases fisicas del comportamiento no computable del cerebro La mayoria de las leyes fisicas son computables y por lo tanto algoritmicas Sin embargo Penrose determino que un Colapso de la funcion de onda era el candidato principal para un proceso no computable En mecanica cuantica las particulas son consideradas distintas a los objetos de la mecanica clasica Las particulas son descritas por medio de Funciones de onda que evolucionan conforme a la ecuacion de Schrodinger Funciones de onda no estacionaras son combinaciones lineales de los eigenestados del sistema un fenomeno conocido como superposicion cuantica Cuando un sistema cuantico interactua con un sistema clasico i e cuando una observable es medido el sistema parece colapsar a un eigenestado aleatorio de ese observable desde un punto de vista clasico Si el colapso es realmente aleatorio entonces ningun proceso ni algoritmo podria predecir el resultado de manera deterministica Esto le proporciono a Penrose un candidato para la base fisica del proceso no computable que segun su hipotesis existe en el cerebro Sin embargo no le gustaba la naturaleza aleatoria del colapso inducido por el medio ambiente ya que la aleatoriedad no era una base prometedora para la comprension matematica Penrose propuso que los sistemas aislados aun pudieran sufrir una nueva forma de colapso de la funcion de onda lo que el llamo reduccion objetiva OR 7 Detalles editar Penrose busco conciliar la relatividad general y la teoria cuantica utilizando sus propias ideas sobre la posible estructura del espacio tiempo 25 29 Sugirio que en la escala de Planck el espacio tiempo curvo no es continuo sino discreto Penrose postulo que cada superposicion cuantica separada tiene su propia pieza de curvatura espacio tiempo una burbuja en espacio tiempo Penrose sugiere que la gravedad ejerce una fuerza sobre estas burbujas espaciotemporales que se vuelven inestables por encima de la escala de Planck 10 35 displaystyle 10 35 nbsp y colapso a solo uno de los estados posibles El umbral aproximado para OR esta dado por el principio de indeterminacion de Penrose Donde T h EG displaystyle mathrm T approx h E G nbsp T displaystyle mathrm T nbsp es el tiempo hasta que OR ocurra EG displaystyle E G nbsp es su propia energia gravitacional o el grado de separacion espacio tiempo dada por la masa superpuesta y h displaystyle h nbsp es la constante de Planck reducida Por lo tanto cuanto mayor sea la masa energia del objeto mas rapido ocurrira el OR y viceversa Las superposiciones de nivel atomico requeririan 10 millones de anos para alcanzar el punto O mientras que un objeto aislado de 1 kilogramo alcanzaria el punto O en 10 37 s Los objetos en algun lugar entre estas dos escalas podrian colapsarse en una escala de tiempo relevante para el procesamiento neuronal 7 Una caracteristica esencial de la teoria de Penrose es que la eleccion de los estados cuando se produce la reduccion objetiva no se selecciona al azar como lo son las opciones que siguen al colapso de la funcion de onda ni algoritmicamente Mas bien los estados se seleccionan por una influencia no computable incorporada en la escala de Planck de la geometria del espacio tiempo Penrose afirmo que dicha informacion es platonica que representa la verdad matematica pura los valores esteticos y eticos en la escala de Planck Esto se relaciona con las ideas de Penrose acerca de los tres mundos fisico mental y el mundo matematico platonico En su teoria el mundo platonico corresponde a la geometria del espacio tiempo fundamental que se afirma que apoya el pensamiento no computacional 7 Ninguna evidencia apoya la reduccion objetiva de Penrose pero la teoria se considera comprobable y se ha sugerido el FELIX experimento para evaluar y medir el criterio objetivo 30 En agosto de 2013 Penrose y Hameroff informaron que los experimentos habian sido realizados por Bandyopadhyay et al Apoyando la teoria de Penrose en seis de sus veinte tesis sin invalidar ninguna de las otras Posteriormente respondieron a las criticas incluida una critica de 2009 de un grupo liderado por Jeffrey Reimers 7 31 32 La creacion del modelo Orch OR editarPenrose y Hameroff inicialmente desarrollaron sus ideas por separado y fue solo en la decada de 1990 que cooperaron para producir la teoria de Orch OR Penrose llego al problema desde el punto de vista de las matematicas y en particular del teorema de Godel mientras que Hameroff lo abordo desde una carrera en investigacion del cancer y anestesia que le habia dado interes en las estructuras cerebrales Especificamente cuando Penrose escribio su primer libro de conciencia La nueva mente del emperador en 1989 carecia de una propuesta detallada de como se podrian implementar tales procesos cuanticos en el cerebro Posteriormente Hameroff leyo La nueva mente del emperador y sugirio a Penrose que ciertas estructuras dentro de las celulas cerebrales neuronas eran sitios candidatos adecuados para el procesamiento cuantico y en ultima instancia para la conciencia 33 34 La teoria de Orch OR surgio de la cooperacion de estos dos cientificos y se desarrollo en el segundo libro de conciencia de Penrose Sombras de la mente 1994 29 La contribucion de Hameroff a la teoria derivada del estudio de las celulas cerebrales Su interes se centro en el citoesqueleto que proporciona una estructura de soporte interno para las neuronas y en particular en los microtubulos 34 que son el componente mas importante del citoesqueleto A medida que la neurociencia ha progresado el papel del citoesqueleto y los microtubulos ha adquirido mayor importancia Ademas de proporcionar soporte estructural las funciones de los microtubulos incluyen el transporte axoplasmatico y el control del movimiento crecimiento y forma de la celula 34 Condensados de microtubulos editar Hameroff propuso que los microtubulos eran candidatos adecuados para el procesamiento cuantico 34 Los microtubulos se componen de subunidades de proteina tubulina Los dimeros de proteina tubulina de los microtubulos tienen bolsas hidrofobas que pueden contener electrones p deslocalizados La tubulina tiene otras regiones no polares mas pequenas por ejemplo 8 triptofanos por tubulina que contienen p anillos de indol ricos en electrones distribuidos a traves de la tubulina con separaciones de aproximadamente 2 nm Hameroff afirma que esto esta lo suficientemente cerca como para que los electrones de la tubulina p se vuelvan entrelazados cuanticos 35 Durante el entrelazamiento los estados de las particulas se correlacionan inseparablemente Hameroff sugirio originalmente en el Journal of Cosmology que los electrones de la subunidad de la tubulina formarian un condensado de Bose Einstein 36 Luego propuso un condensado de Frohlich una hipotetica oscilacion coherente de moleculas dipolares Sin embargo esto tambien fue rechazado por el grupo de Reimers Hameroff 37 luego respondio a Reimers Reimers et al Definitivamente no han demostrado que la condensacion de Frohlich fuerte o coherente en microtubulos sea inviable El modelo de microtubulo en el que se basan su hamiltoniano no es una estructura de microtubulos sino una simple cadena lineal de osciladores Hameroff razono que tal comportamiento de condensado magnificaria los efectos cuanticos nanoscopicos para tener influencias a gran escala en el cerebro Hameroff propuso que los condensados en microtubulos en una neurona pueden vincularse con los condensados de microtubulos en otras neuronas y celulas gliales a traves de las uniones de las sinapsis electricas 38 39 Hameroff propuso que la brecha entre las celulas es lo suficientemente pequena como para que los objetos cuanticos puedan atravesarla lo que les permite extenderse a traves de una gran area del cerebro Ademas postulo que la accion de esta actividad cuantica a gran escala es la fuente de ondas gamma de 40 Hz no confundir con rayos gamma basandose en la teoria mucho menos controvertida de que las uniones de brecha estan relacionadas con la oscilacion gamma 40 Consecuencias editar La teoria de Orch OR combina el argumento de Penrose Lucas con la hipotesis de Hameroff sobre el procesamiento cuantico en microtubulos Propone que cuando los condensados en el cerebro experimentan una reduccion objetiva de la funcion de onda su colapso conecta la toma de decisiones no computacional con experiencias incrustadas en la geometria fundamental del espacio tiempo La teoria ademas propone que los microtubulos influyen y estan influenciados por la actividad convencional en las sinapsis entre las neuronas En 1998 Hameroff hizo 8 supuestos probables y 20 predicciones comprobables para respaldar su propuesta 41 En enero de 2014 Hameroff y Penrose anunciaron que el descubrimiento de vibraciones cuanticas en microtubulos por Anirban Bandyopadhyay del Instituto Nacional para la Ciencia de los Materiales en Japon 42 43 proporciona evidencia favorable a la hipotesis de Orch OR 23 31 Criticas editarLa teoria de Orch OR fue criticada por los fisicos 18 19 37 44 45 y los neurocientificos 20 46 47 48 que lo consideraron un modelo deficiente de fisiologia cerebral Argumento de Penrose Lucas editar El argumento de Penrose Lucas sobre las implicaciones del teorema de incompletitud de Godel para las teorias computacionales de la inteligencia humana fue criticado por matematicos 9 11 10 informaticos 17 y filosofos 12 13 14 15 16 y el consenso entre los expertos en estos campos es que el argumento falla 49 50 51 con diferentes autores que atacan diferentes aspectos del argumento 51 52 LaForte senalo que para conocer la verdad de una sentencia de Godel no comprobable uno ya debe saber que el sistema formal es consistente Haciendo referencia a Benacerraf luego demostro que los humanos no pueden probar que son consistentes 9 y con toda probabilidad los cerebros humanos son inconsistentes Senalo las contradicciones dentro de los escritos de Penrose como ejemplos De manera similar Minsky argumento que debido a que los humanos pueden creer que las ideas falsas son verdaderas la comprension matematica humana no necesita ser consistente y la conciencia puede facilmente tener una base deterministica 53 Feferman desaprobo los puntos detallados en el segundo libro de Penrose Shadows of the Mind Argumento que los matematicos no progresan mediante la busqueda mecanica a traves de pruebas sino mediante el razonamiento la percepcion y la inspiracion de prueba y error y que las maquinas no comparten este enfoque con los humanos Senalo que las matematicas cotidianas pueden formalizarse Tambien rechazo el platonismo de Penrose 10 Searle critico la apelacion de Penrose a Godel porque se basaba en la falacia de que todos los algoritmos computacionales deben ser capaces de una descripcion matematica Como ejemplo contrario Searle cito la asignacion de numeros de matriculas a numeros de identificacion especificos del vehiculo como parte del registro del vehiculo De acuerdo con Searle ninguna funcion matematica se puede usar para conectar un VIN conocido con su LPN pero el proceso de asignacion es bastante simple es decir primero en llegar primero en ser atendido y puede ser realizado por completo por una computadora 54 Sin embargo dado que un algoritmo tal como se define en el Oxford American Dictionary es un conjunto de reglas que se deben seguir en los calculos o las operaciones de resolucion de problemas la asignacion de LPN a un VIN no es un algoritmo como tal simplemente el uso de una base de datos en la que cada VIN tiene un LPN correspondiente Ningun algoritmo podria arbitrariamente calcular las asignaciones de base de datos Por lo tanto el contraejemplo de Searle no describe un algoritmo computacional que no se pueda describir matematicamente Decoherencia en organismos vivos editar En el 2000 Tegmark afirmo que cualquier sistema coherente cuantico en el cerebro sufriria un colapso efectivo de la funcion de onda debido a la interaccion ambiental mucho antes de que pudiera influir en los procesos neuronales el argumento calido humedo y ruidoso como se conocio mas adelante 18 Determino que la escala de tiempo de decoherencia del enredo de los microtubulos a temperaturas cerebrales es del orden de los femtosegundos demasiado breve para el procesamiento neural Christof Koch y Klaus Hepp tambien estuvieron de acuerdo en que la coherencia cuantica no juega o no necesita jugar ningun papel importante en la neurofisiologia 22 21 Koch y Hepp concluyeron que la demostracion empirica de bits cuanticos lentamente decoherentes y controlables en neuronas conectadas por sinapsis electricas o quimicas o el descubrimiento de un algoritmo cuantico eficiente para los calculos realizados por el cerebro ayudaria mucho para traer estas especulaciones desde muy lejano a improbable 21 En respuesta a las afirmaciones de Tegmark Hagan Tuszynski y Hameroff 55 56 afirmaron que Tegmark no abordaba el modelo Orch OR sino un modelo de su propia construccion Esto involucro superposiciones de cuantos separados por 24 nm en lugar de las separaciones mucho mas pequenas estipuladas para Orch OR Como resultado el grupo de Hameroff reclamo un tiempo de decoherencia de siete ordenes de magnitud mayor que el de Tegmark aunque todavia muy por debajo de los 25 ms El grupo de Hameroff tambien sugirio que la capa de contraiones Debye podria detectar las fluctuaciones termicas y que el gel de actina circundante podria mejorar el ordenamiento del agua ademas de ayudar a proyectar el sonido Tambien sugirieron que la energia metabolica incoherente podria ordenar mas agua y finalmente que la configuracion de la red de microtubulos podria ser adecuada para la correccion de errores cuanticos un medio para resistir la decoherencia cuantica Desde la decada de 1990 existian numerosas contraobservaciones al argumento calido humedo y ruidoso a temperatura ambiente in vitro 23 42 e in vivo es decir fotosintesis navegacion de aves Por ejemplo los investigadores de Harvard lograron estados cuanticos que duraron 2 segundos a temperatura ambiente con diamantes 57 58 Las plantas utilizan de manera rutinaria el transporte de electrones coherente cuantico a temperaturas ambientales en la fotosintesis 59 En 2014 investigadores utilizaron la biofisica cuantica teorica y simulaciones por computadora para analizar la coherencia cuantica entre los anillos de resonancia de triptofano p en tubulina Afirmaron que el acoplamiento de dipolo cuantico entre nubes de resonancia de triptofano p mediado por salto de exciton o transferencia de energia de resonancia de Forster FRET a traves de la proteina tubulina es plausible 60 En 2007 Gregory S Engel profesor de quimica en la Universidad de Chicago afirmo que todos los argumentos acerca de que el cerebro era demasiado calido y humedo se habian disipado ya que se habian descubierto multiples procesos cuanticos calidos y humedos 59 61 En 2009 Reimers et al y McKemmish et al publicaron evaluaciones criticas 19 37 44 Las versiones anteriores de la teoria habian requerido que los electrones de tubulina formaran condensados de Bose Einsteins o Frohlich y el grupo de Reimers afirmo que estos eran experimentalmente infundados Ademas afirmaron que los microtubulos solo podian soportar una coherencia debil de 8 MHz El primer argumento fue anulado por revisiones de la teoria que describia las oscilaciones de dipolos debido a las fuerzas de Londres y posiblemente debido a formaciones de nubes de espin magnetico y o Formaciones de nubes de spin nuclear 8 En el segundo tema la teoria se modifico de modo que la coherencia de 8 MHz es suficiente para respaldar toda la hipotesis de Orch OR McKemmish et al hizo dos afirmaciones que las moleculas aromaticas no pueden cambiar de estado porque estan deslocalizadas y que los cambios en la conformacion de la proteina tubulina impulsados por la conversion de GTP darian lugar a un requisito de energia prohibitivo Hameroff y Penrose respondieron a la primera afirmacion afirmando que se referian al comportamiento de dos o mas nubes de electrones inherentemente no localizadas Biologia de neuronas celulares editar La hipotesis de Hameroff de 1998 requeria que las dendritas corticales contengan principalmente microtubulos 41 de red A pero en 1994 Kikkawa et al 62 63 mostro que todos los microtubulos in vivo tienen una red B y una costura Orch OR tambien requeria uniones de brecha entre las neuronas y las celulas gliales pero Binmoller et Alabama probaron en 1992 que estos no existen en el cerebro adulto 64 La investigacion in vitro con cultivos neuronales primarios muestra evidencia de un acoplamiento electrotonico intersticio entre neuronas inmaduras y astrocitos obtenidos de embriones de rata extraidos prematuramente a traves de cesarea 65 sin embargo la afirmacion de Orch OR es que las neuronas maduras se acoplan electrotonicamente a los astrocitos en el cerebro adulto Por lo tanto Orch OR contradice el desacoplamiento electrotonico bien documentado de las neuronas de los astrocitos en el proceso de maduracion neuronal que se afirma por Froes et al como sigue La comunicacion de union puede proporcionar interconexiones metabolicas y electrotonicas entre redes neuronales y astrociticas en etapas tempranas del desarrollo neural y tales interacciones se debilitan a medida que progresa la diferenciacion 65 En 2001 Hameroff propuso ademas que la coherencia de los microtubulos se propaga entre diferentes neuronas a traves de cuerpos lamelares dendriticos DLB que estan conectados directamente con las uniones de los huecos 66 De Zeeuw et al ya habia demostrado que esto era imposible en 1995 67 al demostrar que los DLB se encuentran a micrometros de distancia de las uniones de brecha 20 En 2014 Bandyopadhyay et Alabama especularon que la coherencia cuantica basada en microtubulos puede extenderse entre diferentes neuronas si se demuestra su nocion de transmision inalambrica de informacion a nivel global en todo el cerebro 68 Hameroff y Penrose dudan si una transmision inalambrica de este tipo seria capaz de transmitir estados cuanticos superpuestos y se adhiere a su propuesta original de interseccion 6 Hameroff especulo que los fotones visuales en la retina son detectados directamente por los conos y bastones en lugar de primero descohesionarse y posteriormente conectarse con las celulas de la glia de la retina a traves de las uniones 41 pero esto tambien fue desmentido 69 Se han ofrecido otras criticas basadas en la biologia 70 Los documentos de Georgiev 20 62 senalan problemas con las propuestas de Hameroff incluida la falta de explicacion de la liberacion probabilistica de neurotransmisores desde los terminales de axones 71 72 73 y un error en el numero calculado de dimeros de tubulina por neurona cortical Hameroff insistio en una entrevista de 2013 que esas falsaciones no eran validas pero no proporciono ninguna explicacion respecto a en que fallaban las falsaciones 74 Vease tambien editar Teorias electromagneticas de la conciencia Teoria del cerebro holomonico Interpretacion de Penrose Quantum Aspects of Life libro Mente cuantica Red neuronal cuanticaReferencias editar a b 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