Kunio Yasue
Research Institute for Informatics and Science
Notre Dame Seishin University
Okayama 700-8516, Japan
量子脳ダイナミクス(QBD)の入門的解説は, 脳の基本的な物理プロセスを場の量子論の領域で記述します。QBDは, 双極子回転下で対称性を持つ双極子ソリトンと水分子の電気双極子場の量子電気力学(QED)に他なりません。脳の高度に体系化された機能は, 自発的な対称性の破れ現象によって実現されることがわかっています。記憶の書き込み, 想起, 減衰プロセスは, それぞれ相転移プロセス, 対称性回復プロセス, 量子トンネルプロセスを表す基本的な物理プロセスによって表されます。
脳組織に高度に体系化された機能を提供する基本的な物理的プロセス(サイバネティクス)の観点から記憶のメカニズムを理解するという問題は, 物理的および生理学的観点から特に興味深い問題である。この問題に興味を持つ現代の物理学者は限られた数しかいないため, 従来のアプローチは現象論的かつマクロ的な性質のままであった。実際, 物理学者や生理学者が記憶のメカニズムを理解するための通常の方法は, せいぜい膜貫通イオン移動現象のいわゆるニューロンネットワークダイナミクスを考慮することであった。ワルダイアー・シェリントンニューロン理論は, それ以上深く検討することなく広く信じられてきた。そこでは, 神経インパルスの経路伝導が脳内の信号伝達および情報処理の唯一の基礎であるという信念が強調されてきた。神経インパルスは, 膜貫通イオン移動現象から生じるマクロな膜電位差である。
この問題に対するこのような巨視的かつ現象論的なアプローチは, さまざまな方向でますます失敗していることが示されており, 微視的観点からのさらなる理論的アプローチが期待されている。一連の論文で, 梅澤と同僚ら(Ricciardi and Umezawa 1967; Stuart et al. 1978; 1979)は, 場の量子論の領域内で脳のダイナミクスのまったく新しい枠組みを提案した。彼らは, 脳を, 巨視的なニューロンシステムと追加の微視的なシステムで構成される混合物理システムとみなした。前者は, 神経インパルスの経路伝導からなる。後者は, 巨視的なニューロンシステムと相互作用する量子力学的多体系であると想定されている。そこで彼らは, ゴールドストーンモード型の長距離相関が, 脳のダイナミクスをより秩序立てて体系化する上で重要な役割を果たしているという事実に注目することの重要性を強調した。実際, 彼らは脳内の非局在記憶の場の量子論モデルを開発した。このモデルでは, 記憶の保存は自発的対称性の破れ型の真空状態に他ならない。このような真空状態は, 量子ゆらぎに至るまですべての要素が強く相関した均質な構成を示す空間領域として実現される。言い換えれば, 記憶は超伝導媒体のボーズ・アインシュタイン凝縮体のように, 場の量子論の真空状態の非局在領域に保存される。したがって, それは長距離相関と長期安定性を示す。量子真空状態のこれらの特性は, 記憶の非局所的存在と長期安定性の両方をよく説明する。
梅澤らが提案した混合物理システムの理論は, 場の量子論の従来の物理原理に基づいて脳情報処理の基本プロセスを記述する物理的枠組みを開発する最初のアプローチであると思われる。したがって, この理論を「量子脳ダイナミクス」と呼び, 「QBD」と略してもいいかもしれない。
QBDは, マクロなニューロンシステムと相互作用する 2 つの異なるタイプの成分からなるマクロな多体系の量子力学に他なりません。最初の成分はコルチコンと呼ばれ, ミクロなシステムの基本的な動的要素であると想定されています。コルチコンは, 各ニューロン内に空間的に閉じ込められていません。それらはニューロン膜の内側と外側の両方に分布しており, むしろ動的交換ポイントのあいまいな領域を構成しています。言い換えれば, コルチコンは脳組織の細胞集合体全体にグローバルな分布を示します。2番目の成分は交換ボソンです。コルチコンは脳組織の細胞集合体全体にグローバルな分布を示します
梅澤と同僚は, コルチコンと交換ボソンのミクロなシステムの長距離秩序真空状態の観点から, 記憶の書き込みと想起のプロセスの興味深いモデルを提示しました。大まかに言えば, 記憶の書き込みプロセスは, 自発的な対称性の破れ型であると想定されるQBD真空状態の相転移プロセスに他なりません。したがって, 想起のプロセスは, ゴールドストーンモード(または同等のゴールドストーンボソン), つまりエネルギー要件がゼロの長距離相関波の作成プロセスにすぎません。
QBDの領域では, 自発的対称性の破れタイプの真空状態として保存されたメモリが量子トンネル効果によって不安定になることも示されています。メモリの減衰プロセスは, 想起プロセスがゴールドストーンボソンの概念によって記述されるのと同様に, インスタントンの概念によって記述されます。
本記事の目的は, 医学, 生物学, およびコンピューター科学の研究者に QBD の入門的な説明を提供することです。したがって, 数学的表記法や方程式の使用を避け, QBD の概念的側面をより明確にします。
マクロスケールの物質は, アボガドロ数と同じ数の原子成分からできています。したがって, 原子成分の動力学の最も基本的な原理である量子力学から始めて, 直接的な物理解析を行うことは困難です。調和振動子, 水素原子, ヘリウムプラスイオンなどのより単純なシステムは, 量子力学を直接使用することで完全に解くことができます。しかし, より多くの原子成分を持つ複雑なシステムは解くことができません。もちろん, これはもはや量子力学の不完全性を意味するものではありません。むしろ, 量子力学の基本方程式, つまり複雑なシステムに対するシュレーディンガー方程式またはディラック方程式を解く適切な数学的方法を見つけられないことが私たちの問題です。
この問題の難しさにより, 物理学者はマクロスケールの物質の特定の物理的側面を定性的に十分に理解できるように適切な近似値を見つけることを余儀なくされました。物理学者は, マクロな物質の典型的な物理的側面を知ったり推測したりしながら, 量子力学の基本方程式を解く近似的な方法, または扱いやすい特定の現象論的または経験的方程式でマクロな物質の典型的な物理的側面を記述する方法を模索しています。たとえば, マクロなスケールの無生物のほとんどは, 古き良き熱力学によって現象論的に記述される共通の物理的側面を持っています。この典型的な物理的側面は熱平衡と言われています。そして, 熱平衡にある原子成分の複雑なシステムを記述または分析するのに適した体系的な近似が得られました。それは量子統計力学または平衡量子統計力学と呼ばれています。マクロなスケールの無生物の物理的分析に関する理論的結果のほとんどは, 量子統計力学の領域内で与えられています。言い換えれば, 量子統計力学は, マクロなスケールの無生物の典型的な物理的側面を理解するのに大いに成功しました。
ここで, 量子統計力学の成功が何を意味するかに注目することが重要と思われます。量子統計力学の基本的な仮定は, 熱平衡状態にあるマクロ物質の典型的な物理的特性は, 相互相関のない理想的な無秩序な原子成分のより複雑でないシステムのそれと同じであるという近似的な観点を取り入れることである。量子統計力学がマクロスケールの非生物物質の典型的な物理的側面を理解するのにそれほど成功していないという事実は, 実際の状況ではそのような物質に相互相関がないことを単に主張しているに過ぎない。言い換えれば, 熱平衡状態にあるマクロ物質は, 完全に無秩序な(つまり, 無相関または熱平衡化された)ダイナミクスを示す原子成分の複雑なシステムと考えることができるため, 量子統計力学は適切な近似を与える。
この成功に勇気づけられ, 量子統計力学は熱平衡から外れた複雑なシステムもカバーできるように少し拡張されました。そして, 原子成分の化学反応と生化学反応は, 最近の分子生物学が広範囲に発展した現代物理分析の競争に陥るようになりました。つまり, 今日では医学と生物科学は量子統計力学に物理的および理論的基礎を見出し, 生物に関与する特定の生化学プロセスの詳細な微視的理解を提供しています。量子統計力学は, 相互相関のない原子成分の複雑なシステムにその有効性を制限する近似的な枠組みであると明示的に言及する物理学者はほとんどいないため, 医学と生物科学の研究者は, 量子力学の微視的観点から生物の分析にも信頼できる最も基本的な物理法則であると信じています。
有名な数学者フォン・ノイマンは, 粘性のない完全な流体のオイラー方程式を使用して科学者が水のダイナミクスを調査しているのを見て, それを「乾いた」水のダイナミクスだと笑いながら言いました。同様に, 分子生物学や生化学が量子統計力学の観点から研究している生物の図は, 実際のものではなく, 「乾燥した」生物の図であることを心に留めておく必要があります。この警告の意味は, 生物は相互に相関のない原子成分の複雑なシステムではなく, 相互に強い相関があるということです。シュレーディンガーが有名な記念碑的な講義 (Schrodinger 1944) で指摘したように, 生物は入ってくる情報ゲインに頼らずにネゲントロピーを生み出すという特徴があります。言い換えれば, 生物は完全に熱化され無秩序な形でエネルギーが供給され てもエントロピーを減らし, 秩序を増やしますが, 熱平衡にある非生物は最大エントロピー (つまり無秩序) です。したがって, 生物の正しい物理的側面を調査するには, 量子力学の基本的な観点から, 相互に強い相関のある原子成分の複雑なシステムをうまく記述できる別の近似的な枠組みが必要です。ある意味では, 原子成分の相互相関が完全に無視される量子統計力学とは正反対かもしれません。
上記の非常に重要な事実は, 1960年代初頭に物理学者梅澤博臣によって最初に強調されました。彼は, 生物物質の典型的な物理的側面を記述および調査するには場の量子論の出現が必要であると主張しました。なぜなら, 生物物質のように相互相関が強い原子成分の複雑なシステムは, 量子統計力学では扱えず, 場の量子論でしか扱えないからです。1967年, 彼はイタリア人の同僚のL. M. Ricciardiとともに, Kybernetikで記念碑的な論文を発表しました(Ricciardi and Umezawa 1967)。そこでは, 生物物質の典型的な側面の最も精緻な例として, 脳組織の高度に体系化された機能に焦点を当て, 相互相関が強い原子成分の複雑なシステムの場の量子論における集団モードとゴールドストーンモードの役割に重点が置かれています。量子統計力学による, 相関が消える原子成分の複雑なシステムの近似的な物理解析において熱平衡が重要な概念であるのと同様に, 強い相関を持つシステムでは集団モードとゴールドストーンモードが重要な概念です。
後続のセクションで QBD の概念的説明に進む前に, ここで梅澤の最初の提案(Ricciardi and Umezawa 1967)の後の歴史を少し紹介します。少し後に, 別の物理学者H. Froehlichも, マクロスケールの原子成分の集団モードまたは長距離コヒーレントダイナミクスが, 生物システムのエネルギー貯蔵に重要な役割を果たす可能性があると指摘しました(Froehlich 1968)。コヒーレント双極子波伝搬は, 生物細胞の細胞骨格構造に存在し, 外部の電磁場とエネルギーを交換することが示されています。このようなコヒーレント双極子波伝搬は, タンパク質分子の1次元鎖に捕捉された非局在電子とその中で繰り返される水素結合によって維持される多数の双極子振動の集団モードに他なりません。Froehlichの推定により, コヒーレント双極子波伝搬は, フレーリッヒ周波数と呼ばれる1011 から1012 sec－1の周波数領域で縦方向電気モードの分岐を実現します。そして, 生物細胞の細胞骨格構造に供給されるフレーリッヒ周波数×プランク定数より大きいエネルギーは完全に熱化されるのではなく, 高度に秩序だった形で蓄えられると結論付けられる。熱化されたエネルギーまたは熱は, 相互相関が消える原子成分の複雑なシステムに特有のエネルギーの形態であることに注意してください。
1970年代, 梅澤は, 場の量子論の集団モードとゴールドストーンモードの観点から, 生きている物質の典型的な物理的側面を説明する独自のアイデアを展開し, 場の量子論の既知の事実を使用して, 脳内の記憶の書き込みと想起のプロセスをうまく調査できるようにしました。彼は, 同僚の C.I.J.M.Stuart および Y. Takahashi と共同で発表した2つの論文で, 記憶の書き込みと想起の基本プロセスの興味深い物理的図式を提示しました(Stuart ら 1978; 1979)。
記憶の書き込みは, 脳組織(皮質)の無秩序なダイナミクスから秩序のあるダイナミクスへの相転移という物理的プロセスによって維持されます。これは, 皮質と呼ばれる原子成分の複雑なシステムとして見られます。記憶の想起は, 秩序のあるダイナミクスに典型的な対称性の回復という物理的プロセスによって維持されます。これは, ゴールドストーンモードまたはゴールドストーンボソンの生成プロセスと見なすことができます。無秩序なダイナミクスから秩序のあるダイナミクスへの相転移と対称性の回復プロセスは, 場の量子論における集団モードとゴールドストーンモードを理解するための中心的な概念です。
1960年代に梅澤とフレーリッヒが始めた場の量子論による物理分析法を生体物質の研究に取り入れた結果に大いに刺激され, 1980年代には多くの物理学者が生体物質の生物学的システムを, エネルギー移動がマクスウェルの悪魔, つまり熱化の影響を受けない, 強い相互相関を持つ原子成分の複雑なシステムとして考え始めました。彼らは, 生体物質の生物学的システムに関与するさまざまな基本プロセスの物理的分析に場の量子論を適用し続け, 梅澤とフレーリッヒの独自のアイデアを確証しました(Davydov 1982; Del Giudice et al. 1982; 1985; 1986; 1988: 1992: Sivakami and Srinivasan 1983; Jibu and Yasue 1993; 1995; 1997a; 1997b)。これらの広範な研究活動のおかげで, 私たちは今日, 量子場の理論という非常に基本的な観点から, 物質のさまざまな典型的な物理的側面を理解するのに最適な立場にあります。QBD は, そのような側面を理解する多くの例の1つです。
本稿の第二の目的は, 今後, 医学および生物科学の分野に, 強い相互相関と高度に体系化された秩序を持つ原子成分の複雑なシステムに特徴的な集団モードとゴールドストーンモードの観点から, この物理学者の新しい生物物質像の種を蒔くことです。
生物物質のほとんどは, 特定の存在形態, つまり生物細胞を呈することが知られています。これは, 生物システムの最も基本的な要素として理解できます。言い換えれば, もちろん人体を含むほとんどの生物システムは, 生物細胞で構成されています。議論を可能な限り一般的なものにするために, 生物システムの典型的な形態を生物細胞のマクロな集合体と見なし, それを細胞集合体と呼びます。生物細胞は, 生物物質のマクロな構造でもあり, 強い相互相関を持つ非常に多数の(つまりアボガドロ数)原子成分の複雑なシステムと見なすことができます。
マクロ的な視点から見ると, 生物細胞は本質的には細胞質と呼ばれる生物物質が細胞膜と呼ばれる別の生物物質によってマクロスケールの空間領域内に閉じ込められていると考えることができます。もちろん, 細胞質には細胞核, ゴルジ体, ミトコンドリアなどの他のマクロな構造が埋め込まれていますが, それらは問題の生物細胞内で協力している他の生物細胞と考えることができます。ミクロ的な視点から見ると, 細胞質は水分子とタンパク質分子の複雑なシステムであり, 細胞膜は液体分子とタンパク質分子のシステムです。前者は, 水分子に囲まれた細胞骨格構造と呼ばれるタンパク質フィラメント(つまり, タンパク質分子の1次元鎖)の密で動的な3次元ネットワーク構造を示し, 後者は, タンパク質フィラメントの動的な2次元ネットワーク構造によって内側と外側の両方からパッチされた脂質分子の2層2次元表面構造を示します。細胞膜の脂質二重層には, 生物細胞のイオン代謝の能動ゲートの役割を果たすタンパク質分子が多数埋め込まれています。これらのタンパク質ゲートの機能は, 分子生物学で集中的に研究されてきました。現在では, これらのゲートが生物細胞の内外間のさまざまなイオンの拡散プロセスを制御することが知られています。
このようなイオンの拡散過程は, 量子統計力学によってよく説明される, 完全に熱化された(つまり, 無秩序または非一貫性な)原子成分のダイナミクスの典型的な例です。したがって, 医学および生物学では, これが生物の最も基本的な物理過程であると考えられてきました。これは, 生化学および分子生物学の従来の分析の限界である可能性があります。細胞アセンブリなどの生物の典型的な物理的側面をさらに調査するには, 真に最も基本的な物理過程を量子力学の基本的な観点から検討する必要があります。
生物の基本的な物理過程としてのイオン拡散過程の完全に熱化されたダイナミクスには興味がないため, 梅澤とフレーリッヒの元のアイデアから出発して別の可能性を探ります。細胞アセンブリの完全に熱化されたダイナミクスに関与するすべての原子成分, つまり細胞膜の脂質二重層とそこに埋め込まれたタンパク質分子を無視します。そうすると, 細胞集団のような生物は, 水分子に囲まれ相互作用する巨大で密な三次元タンパク質繊維ネットワークという, かなり単純な微視的構造を呈するようになる。この構造を生物の基本システムと呼ぶ。これに対して, 細胞集団の完全に熱化されたダイナミクスを維持する分子生物学的によく知られた構造を生物の代謝システムと呼ぶ。つまり, 生物は基本システムと代謝システムからなる混合システムである。後者は, ATP循環過程のようなエネルギーを供給する熱機関の役割を果たす原子成分の完全に熱化された(すなわち無秩序で非整合な)ダイナミクスを呈し, 量子統計力学によってよく記述される。前者は逆に, 強い長距離相互相関を持つ原子成分の非熱化された(すなわち秩序があり整合した)ダイナミクスを呈し, その役割と特徴は量子場の理論の適用範囲である。生命体は物理学の基本的な観点から, コヒーレントダイナミクスとインコヒーレントダイナミクスの混合システムであるという考えは, 梅澤によるものです(Ricciardi and Umezawa 1967; Stuart et al. 1978; 1979)。そこでは, 典型的な生命体としての脳組織の基本システムはミクロシステムと呼ばれ, 代謝システムはマクロ(生理学的に非古典的)ニューロンシステムと呼ばれています。
ここで再び注目する価値があるのは, 生命体の基本システムと代謝システムはどちらもアボガドロ数と同じ数の原子成分でできているということです。この意味で, これらは両方とも非常に多くのミクロ(つまり原子)成分からなるマクロシステムです。それらの違いは, その動的特性にのみ現れます。つまり, 基本システムは, 場の量子論によってうまく記述できる, 強力で長距離の相互相関を持つ原子成分の秩序立ったダイナミクスを示します。代謝システムは, イオン拡散などの相互相関が消えた原子成分の無秩序なダイナミクスを呈示し, これは量子統計力学によって十分に調査されてきました。
生命体の基本システムの本質的な特徴について考察してみよう。まず, 生命体の基本システム, すなわち, 水分子に囲まれ相互作用する巨大で密なタンパク質繊維の3次元ネットワークの関連する自由度を視覚化する。タンパク質繊維のネットワークは, タンパク質繊維の空間運動によりその形状と接続性を変化させるが, そのような自由度はもはや基本システムには属さない。これは, ネットワーク構造のそのような動的変化がタンパク質繊維の無秩序なダイナミクスによって駆動され, 生命体の代謝システムに属するからである。実際, タンパク質繊維のネットワーク構造(つまり, 細胞骨格構造)の動的変化は, 原形質流動をもたらす。したがって, 基本システムのダイナミクスと見なすことができる。したがって, 私たちが生命体の基本システムで探している最初の自由度は, 熱化のないタンパク質フィラメントの背景の3次元ネットワーク構造の内部自由度(つまり, マクスウェルの悪魔)として見つかるかもしれません。
1979年に, そのような自由度は, タンパク質フィラメントなどのタンパク質分子の1次元鎖に沿ったコヒーレント双極孤立波伝播としてダビドフによって発見されました(Davydov 1979)。場の量子論では, コヒーレント孤立波伝播は, 熱化による損失なしにエネルギーを維持し運ぶ局所的な自由度と考えられており, ダビドフソリトンまたは双極ソリトンと呼ばれています。つまり, 生命体の代謝システムからATP循環プロセスを介して生命体の基本システムに入るエネルギーは, 各タンパク質フィラメントに局在する最初の双極ソリトンを誘発します。場の量子論におけるソリトンの特殊な性質として, ソリトンの形で蓄えられたエネルギーは熱化から解放され, 生体の基本システムに属するが, ソリトンの生成は代謝システムとの非コヒーレントで無秩序な相互作用によって引き起こされる。言い換えれば, 双極子ソリトンの生成と消滅の過程は, 代謝システムと基本システムの間のゲートウェイの役割を果たす。双極子ソリトンは, タンパク質分子の1次元鎖に捕捉された非局在電子によって維持される多数の双極子振動の集合モードであり, 生体の基本システムの第1自由度と見なすことができる。これは, 背景の各タンパク質フィラメントに局在する電気双極子モーメントを表す量子力学的自由度である。脳組織の場合, Stuart et al. (1978; 1979)はこれをコルチコンと呼んだ。一般的な細胞集合の場合, これを単に双極子ソリトンと呼ぶ。こうして, 生物の基本システムの第1の自由度は, 背景の3次元ネットワーク構造の各タンパク質フィラメントに局在する双極子ソリトンであることがわかりました。これは, 各タンパク質フィラメントに局在する非ゼロの電気双極子モーメントを表す量子力学的変数によって, 物理的観点からよく視覚化できます。
生物の基本システムの第2の自由度を見てみましょう。物質的観点から, 生物の基本システムは, タンパク質フィラメントの巨大で密な3次元ネットワークと, それを取り囲む膨大な数(つまり, アボガドロ数)の水分子で構成されています。前者は, 基本システムの単なる背景構造であると考えられており, 第1の量子力学的自由度, つまり双極子ソリトンの存在をサポートする役割を果たしています。後者は純粋に量子力学的性質のものであり, 膨大な数の原子成分, つまり水分子は, 場の量子論に頼ることを余儀なくさせます。水分子H2Oは, 形は単純だが物理的特性が豊富な典型的な分子です。しかし, その豊かさの起源は, その形の単純さにあります。つまり, 1つの酸素原子に対する2つの水素原子の空間的幾何学的配置により, 水分子は消えない電気双極子モーメントを示します。したがって, 膨大な数の水分子の全体は, 自由に移動および回転する電気双極子モーメントの量子力学的自由度によって物理的観点から十分に説明できます。これは, 生物の基本システムの 2 番目の自由度です。これを水双極子モーメントと呼びます。
ついに, 生物の基本システムの物理的イメージが得られました。これは本質的に, 相互作用する2つの異なる自由度, つまりタンパク質フィラメントの3次元ネットワーク構造の背景に局在する双極子ソリトンと, それを取り囲む水双極子モーメントによって説明される量子力学的多体系です。
生命体の基本システムの物理的イメージを得たことで, 量子脳ダイナミクス, QBDの概念的説明を行うのに最適な立場に立つことができました。梅澤の当初の見解における皮質を, 典型的な生命体としての脳組織の基本システムの双極子ソリトンと同一視することで, 場の量子論の領域内で脳組織に高度に体系化された機能を提供する最も基本的な物理的プロセスを視覚化することができます。したがって, QBDは, 脳組織の基本システムの場の量子論分析に基づいて, 人間を人間にする脳ダイナミクスの基本的な物理的プロセスを記述するまったく新しい理論的枠組みです。
タンパク質フィラメントの3次元ネットワーク構造の背景に局在する双極子ソリトンと周囲の水分子の双極子モーメントを表す2つの異なる自由度を持つ脳組織の基本システムの物理的イメージから始めましょう。最初の自由度, つまり双極子ソリトンは, 各タンパク質フィラメントに沿った非局在電子のコヒーレント孤立波伝播から生じます。双極子ソリトンは, 例えばATP 循環プロセスによる代謝システムからのエネルギー獲得によって, 各タンパク質フィラメントの末端に生成される。
双極子ソリトンの単なる電気双極子モーメントに着目すると, 各タンパク質フィラメント上に閉じ込められた電気双極子場を考えることができる。いったん生成されると, そのような閉じ込められた電気双極子場は, 近くに他の電気双極子モーメントが存在しない限り, そこに保存されたままになる。しかし, 脳組織の基本システムでは, 第2の自由度, つまりタンパク質フィラメントを取り囲む水分子の電気双極子モーメントが存在する。そのため, 各タンパク質フィラメント上の電気双極子場は, もはやそこに保存され閉じ込められたままではなく, 水分子が占める空間領域に伝播する可能性が最も高い。これは次の事実を示唆しています:
脳組織の基本システムを電気双極子場の観点から見る限り, 双極子ソリトンと水双極子モーメントは, もはや異なる自由度ではあり得ません。言い換えれば, 脳組織の基本システムは, 脳組織の空間体積に広がる電気双極子場の単一の自由度によってうまく記述できます。
驚くべきことに, QBDは現在, 場の量子論の競合に陥ると容易に考えられる電気双極子場のQED(つまり量子電気力学)に変換されています。
QBDの主自由度, すなわちコルチコンは, 一見予想されたように単に双極子ソリトンだけではなく, タンパク質フィラメントを取り囲む水双極子モーメントでもあることがわかった。QBDのコルチコンは, 脳組織の空間体積に広がる電気双極子場(双極子ソリトンと水双極子モーメントの両方)によって完全に記述されるようになった。この意味で, 脳組織の基本システムを, 以下では単にコルチコン システムと呼ぶことにする。電気双極子場の物理的背景を双極子ソリトンと水双極子モーメントの物理的背景と見なすと, 電気双極子場は回転に対して対称性を示すと仮定できる。つまり, 各位置の電気双極子場が任意の空間角度で回転しても, コルチコン システムの全エネルギーは不変に保たれる。場の量子論では, 任意の場量のシステムの全エネルギーは場のダイナミクスを指定する上で重要な役割を果たし, 通常ハミルトニアンと呼ばれる。そこで, 皮質系の全エネルギーを皮質系のハミルトニアン, または同等にQBDのハミルトニアンと呼びます。すると, 次の不変または対称性特性が得られます。
QBDの皮質系は, QBDのハミルトニアンが不変であるという意味で, 電気双極子場の回転に対して対称性を示します。
この時点で, 「QBD とは何か?」という質問に暫定的に答えるのは簡単そうです。QBDは, 双極子回転に対して対称性を持つ電気双極子場のQEDに他なりません。
このセクションでは, 場の量子論の 2 つの基本概念, つまり, 脳組織に高度に体系化された機能を提供する QBD の基本的な物理プロセスを理解する上で最も重要な役割を果たす集団モードとゴールドストーンモードについて説明します。
QBDの皮質系について考えてみましょう。それは, アボガドロ数と同じ数の電気双極子モーメントを持つ原子成分の総体に他ならないことを思い出してください。すると, 素朴な疑問が自然に湧いてきます。
アボガドロ数と同じ数の電気双極子モーメントを持つ原子成分でできた無生物物質があるかもしれません。それは本質的に, 私たちの宇宙の始まりについて考えながら生きているということでしょうか？
答えはもちろん否です。それは生きているわけでも, 考えているわけでもありません。前のセクション2で強調したように, 脳組織などの生物は強い相互相関を持つ原子成分の総体であり, 一方, 無生物は相互相関が消える原子成分の総体です。言い換えれば, アボガドロ数と同じ数の電気双極子モーメントを持つ原子成分から構成される無生物は, 量子統計力学によってよく記述される無秩序なダイナミクスを呈するという典型的な物理的側面を持っています。そこでは, 電気双極子モーメントを持つ各原子成分は, 隣接するものの正確な時間発展とは無関係に, それらの間のエネルギー移動に関してのみ時間発展を呈します。したがって, 隣接する電気双極子モーメントは相互に打ち消し合い, 正味の電気双極子場はもはや得られません。逆に, アボガドロ数と同じ数の電気双極子モーメントを持つ原子成分から構成される生物は, 場の量子論によってよく記述される秩序だったダイナミクスを呈するという別の典型的な物理的側面を持っています。そこでは, 電気双極子モーメントを持つ各原子 成分は, 隣接するものの正確な時間発展と強く相関した時間発展を示す。このような特殊な状況では, 隣接する電気双極子モーメントはもはや打ち消されず, それらの集合値に蓄積される。各位置で与えられた強く相関した隣接する電気双極子モーメントのこのような集合値は, QBDにおけるコルチコン系の主要な自由度に他ならない電気双極子場を提供する。これが, コルチコン系のような生物物質の基本システムに関与する基本的な物理プロセスを理解するために場の量子論に頼るべき理由である。
場の量子論の一般的な枠組みの中で, 電気双極子モーメントを持つ原子成分の秩序だった集団ダイナミクスから生じる電気双極子場を用いて, コルチコン系の基本物理プロセスを調べてみよう。基本的な枠組みはもともとRicciardiとUmezawa(1967)によって開発されていましたが, Stuartら(1979)およびDel Giudiceら(1985)を参照します。
場の量子論では, 電気双極子場を記述する最も簡単な方法はスピノル場です。スピノル場は, 通常2行1列の行列形式で記述される 2 成分の複素場です。スピノル場自体は, 電気双極子モーメントの集合値に直接対応しません。スピノル表現では, 電気双極子モーメントを提供する動的変数はパウリ スピン行列です。電気双極子場の電気双極子モーメントは, まずスピノル場にパウリスピン行列を掛け, 次にその結果に共役スピノル場を掛けることで得られます。したがって, スピノル場は電気双極子モーメントを表すのではなく, 電気双極子場が発生する脳組織内のタンパク質フィラメントと水分子の分子振動場を物理的に表します(Del Giudice 他 1985)。したがって, 分子振動場のスピノル場は, 電気双極子モーメント自体よりも重要です。
QBDのコルチコンは, 双極子ソリトンと水双極子モーメントの両方の電気双極子場によって記述され, 脳組織の空間体積に広がるタンパク質フィラメントと水分子の両方の分子振動のスピノル場によって本質的に記述されることがわかります。したがって, スピノル場をコルチコン場と呼ぶことができます。電気双極子モーメントなどの物理量は, 場の量子論のハミルトニアン (つまり, 全エネルギー関数) の特定の固有値によって特徴付けられる可能な場構成に対する場変数の特定の関数の期待値によって与えられることを思い出してください。コルチコン場の現在のケースでは, 電気双極子モーメントは, 最初にスピノル場にポールスピン行列を乗算し, 次にその結果に共役スピノル場を乗算することによって与えられる量の期待値です。次に, 電気双極子場の回転下でのQBDのコルチコン システムの不変または対称性特性を, コルチコン場の不変または対称性特性に変換できます。この目的のために, 我々は, コルチコン場の観点から, コルチコン系の場の量子論の枠組みを以下に提示する。
QBDにおけるコルチコン系は, コルチコン場によって表される。ハミルトニアン, すなわちコルチコン系の全エネルギーは, おそらくその空間的および時間的導関数の両方に依存する, コルチコン場の特定の関数によって与えられる。QBDにおけるコルチコン系の対称性特性は, ハミルトニアンが双極子回転の群の下で不変であることを意味する。コルチコン場の観点から, そのような回転群は, 行列式が1に等しい複素2行2列のユニタリ行列のSU(2)群によって適切に表すことができる。我々は主に QBDにおけるコルチコン系の対称構造に興味があるので, コルチコン場の関数としてのハミルトニアンの明示的な形式を指定せず, SU(2)群の下でのその不変特性に集中する。言い換えれば, QBDの現在の調査は一般的なものであり, ダイナミクスの詳細とは無関係です。ハミルトニアンの明示的な形式に興味のある方は, Stuartら(1979)の付録を参照してください。
QBDにおける皮質システムの典型的な物理的側面を見てみましょう。これは, 脳組織の高度に体系化された機能を説明するかもしれません。この目的のために, ハミルトニアンの最小固有値に対応する皮質のダイナミクスに焦点を当てます。ハミルトニアンのより大きな固有値を持つ皮質のダイナミクスは, 最小の固有値を持つものに基づいて簡単に調査できます。場の量子論では, システムのこのような動的状態は, 最低エネルギー状態または真空状態と呼ばれます。QBDにおける皮質システム (つまり, 皮質場) の真空状態は, SU(2)群の双極子回転の下での元の動的対称構造に違反します。このような真空状態は, 自発的対称性破れ型であると言われています。そこでは, 皮質はすべて, 量子ゆらぎまで電気双極子モーメントの均一な構成に陥り, 双極子回転の下での元の動的対称性が破れます。
コルチコン場の真空状態は, 消えない均一な電気双極子モーメントの存在によってよく特徴付けられる。コルチコン場の真空状態に特徴的なこの均一な電気双極子モーメントを真空分極と呼ぶ。これは, 同じ方向に整列したすべての双極子ソリトンと水分子の均一な電気双極子モーメントの平均値を表す。この意味で, 自発的対称性の破れ型の真空状態にあるコルチコンのシステムは, そのダイナミクスに長距離(つまり, 大規模)秩序を生み出すという典型的な物理的側面を示す。つまり, 長距離秩序が存在するため, コルチコン場は電気双極子モーメントの均一な構成を実現するためにグローバルに体系化されている。梅澤 らは, 「マクロ的秩序状態」という表現を使用して, システムの対称属性の自発的な再配置の原因となる特定の場の量子論メカニズムの作用に頼らなければ発生を説明できない大規模な秩序創造現象を指した。このように, QBD におけるコルチコン場の真空状態は, 典型的なマクロ的秩序状態である。
場の量子論におけるゴールドストーン定理から, マクロ的秩序状態においては, 対称属性の協調励起が長距離相関波として現れ, 最小エネルギーがゼロであるボソン(すなわち, ボーズ-アインシュタイン統計に従う量子)として振舞うことが知られている。これらはゴールドストーンボソンまたはゴールドストーンモードと呼ばれる。ゴールドストーンボソンはゼロ以上の連続エネルギースペクトルを示すため, スペクトルにエネルギーギャップが存在しないことからギャップレスモードとも呼ばれる。これは, 真空状態におけるコルチコン場の作用に他ならず, 対称属性の再配置によって, 長期安定性と非局所的存在を伴うマクロ的秩序が生み出される。
自発的対称性破れ型の真空状態におけるコルチコン場のダイナミクスは, 場の量子論における集団モードと呼ばれる特異な物理的側面の典型的な例である。つまり, コルチコン場は, 量子ゆらぎに至るまで, コルチコンの電気双極子モーメントをすべて同じ方向に揃えるという, 高度に秩序立ったダイナミクスを呈する。これは, 時間とともに変化しない, コルチコン場の静的な集団モードである。一般に, ある場の集団モードは, 高度に体系化され同期化された場変数の協調的なダイナミクスを表す。集団モードは, 生体物質などの相互に強い相関関係を持つ原子成分の複雑なシステムの典型的な物理的側面を記述するための適切な近似フレームワークを提供する。したがって, コルチコン場の集団モードは, すべてのコルチコンが1つの同じ動的構成を呈する, 相互に強い相関関係を持つコルチコンのシステムの典型的な動的側面である。この量子場の理論的集団モードの概念を類推して私たちの身近な概念に翻訳すると, シンクロナイズドスイミングに例えることができる。シンクロナイズドスイミングの選手たちの集団運動がチームの単一の大規模秩序状態として見られるのと同じように, コルチコン場の集団モードは明確な物理的実体として振る舞い, その存在が依存する原子成分の正確な動的要因は無視できます。
QBD における自発的対称性の破れ型の真空状態の典型的な側面を理解するためのより適切な類推は, 超伝導物質だけでなく磁化物質の物理学にも見出すことができます。たとえば, 自発的に磁化された物質は, アボガドロの数と同じ数の原子成分の複雑なシステムであり, 各原子成分の磁気双極子モーメントは, 同じ方向に自発的に整列しています。
QBDでは, 双極子回転の本来のSU(2)対称性を破る皮質場の真空状態がマクロな秩序状態として現れ, 明確な物理的実体として振る舞う。これは, 量子ゆらぎまで電気双極子モーメントが一様に分布する脳組織のマクロな空間領域とみなすことができる。このような真空状態の領域は, マクロな秩序状態の形成に相当数の原子成分が関与する必要があるため, 任意に小さくすることはできない。いかなる集団モードも多数の原子成分の強い相互相関を必要とし, 組織化領域が小さすぎると出現できない。真空状態のようなマクロな秩序状態を実現するための領域の最小線形次元(つまりサイズ)は, コヒーレンス長と呼ばれる。したがって, QBDの真空状態は, コヒーレンス長よりも大きい線形次元を持つ空間領域にのみ出現できることは注目に値すると思われる。梅澤はこの事実を強調して, 秩序は本質的に拡散していると述べた。言い換えれば, 脳組織の基本システムは, 非ゼロの真空分極が存在する, 重なり合わない大規模な空間領域からなるマクロな動的構造を呈している。したがって, 脳組織の基本システムの基本物理プロセスは, エネルギー供給に対する皮質場の真空状態の動的作用を考慮することによって, 十分に調査できる。これが, ゴールドストーンモードの概念がQBDで非常に重要になる理由である。ゴールドストーンモードは, 脳組織の代謝システムからのエネルギー供給の任意の量によって生成される真空分極による皮質場の欠陥の波に他ならない。これは, SU(2) 双極子回転群に関して皮質場の本来の対称性特性を運ぶ新しい自由度として現れる。したがって, ゴールドストーンモードの対称性特性を考慮すると, QBD の皮質システムは, その真空状態が自発的対称性破れ型のままであっても, 元の対称性を再び保証する。破れた対称性は, ゴールドストーンボソンの生成によって回復しました。
場の量子論の 2 つの基本概念, つまり集団モードとゴールドストーンモードを理解したので, 脳組織に高度に体系化された機能を提供するQBDの基本的な物理プロセスの調査に進みます。より正確には, QBDの皮質システムの無秩序な状態から秩序立った状態への相転移の観点から, 脳の情報処理の興味深いスキームを紹介します。
まず, 前のセクションで説明したQBD の基本的なフレームワークを思い出してみましょう。
脳組織は, 相互に作用する基礎システムと代謝システムからなる混合物理システムです。後者は, 脳組織の完全に熱化されたダイナミクスを維持する分子生物学的によく知られた構造であり, 基礎システムと人体の外界との間の入出力インターフェースの役割を果たします。これは, 膜貫通イオン拡散などの無秩序な電気化学プロセスに関連する神経ネットワークであり, 外界からの刺激と外界への応答がマクロ的に組織化された方法で伝達される通信モードを表します。基礎システムは, 皮質間の量子相互作用を明示し, そこからマクロ的に秩序立った状態が, 長期安定性と非局所的存在を伴う記憶の作成を説明する場の量子論の集団モードとして実現されます。これらのマクロ的に秩序立った状態は, ゴールドストーンボソンによって維持される自発的対称性破れタイプの真空状態です。そこでは, 皮質間の協力的な量子相互作用から生じるマクロ的に秩序立った状態のダイナミクスが, 脳の高度に体系化された機能を生み出す基本的な物理プロセスに直接関与しています。
梅澤らは, 記憶の書き込みと想起を実現するために 2 つのシステムが必然的に結合されるという新しい記憶メカニズムを提示しました(Ricciardi and Umezawa 1967; Stuart et al. 1978; 1979)。QBDでは, ATP循環プロセスからのエネルギー供給によって引き起こされる微小なタンパク質フィラメント内の双極子ソリトンの生成によって結合が実現され, 通信モードによる励起に対して安定した形で記憶が保護されます。
以下では, 梅澤が提案したメカニズムが, 記憶に関連する脳の高度に体系化された機能をどのように説明できるかを検討します。
まず, 脳の基本システム, つまり, 外界からの特定の刺激の記憶がまだ書き込みされていない皮質システムから始めましょう。ここで, 脳組織は, 外部イベントの非付随的な知覚や, 運動活動などの一般的な生理学的イベントに関連する活動などの迷走信号にさらされます。これらの迷走信号は, 代謝システム(つまり, ニューロンネットワーク)を通じて組織化され, 皮質系に伝達されます。つまり, それらは基礎系で間接的に皮質を生成し, 生成された皮質がコヒーレンス長よりも空間的範囲が大きい 長距離相関を示す場合, マクロ的秩序状態のさまざまな空間領域が形成されます。したがって, 代謝システムから基礎系に流入するエネルギーには, 秩序領域を生成するための明らかな閾値が存在します。閾値をわずかに超えるエネルギーで伝達される脳組織への迷走信号はすべて, 小さな領域内のマクロ的秩序状態の動的領域構造に暗黙的にコード化されています。このような動的構造では, 皮質フィールドの電気双極子モーメントの方向が領域ごとにランダムに変化し, コード化された信号間に階層が存在しないことに注意してください。
学習プロセスは, 多数の小さな秩序あるドメインの秩序の低い状態から, 少数の大きな秩序あるドメインの秩序の高い状態へのコルチコンシステムの相転移と同一視できます。このような相転移は, コルチコンシステムに多数の小さな秩序あるドメインのドメイン境界を破壊するのに十分なエネルギーを供給する外部刺激によって引き起こされ, その結果, コルチコンフィールドの電気双極子モーメントがはるかに大きなドメインに整列します。もちろん, 外部刺激の概念は, 代謝システムを通じて組織化され伝達されるエネルギーフローを意味します。私たちは, 外界からの典型的な信号の学習プロセスとして理解できる, QBDの基本的な物理プロセスに関する非常に興味深い視点を得ました。ここで, 相転移には, 外部刺激とゴールドストーンボソンとの相互作用を経る電気双極子モーメントの整列プロセスの開始が必要であることに注目する価値があるようです。これは, 外部刺激がゴールドストーン粒子と相互作用し, 相互作用エネルギーがドメイン境界を破壊するのに十分大きい場合にのみ, より秩序の低い状態からより秩序の高い状態への相転移を誘発できるという事実を意味します。言い換えれば, ドメイン構造に迷い信号がコード化されている皮質システムへの送信信号の結合に対する選択規則などのフィルターが存在するということです。Stuart et al. (1978) は, 脳組織の学習可能性に固有の制限があることに気づきました。
このような学習プロセスにより, 典型的な外部刺激は, 基本システムの皮質系に安定したマクロ的秩序状態として書き込みできます。そこで, 外部刺激は皮質フィールドの真空状態にコード化され, 電気双極子モーメントが 1 つの方向に沿って大規模に均一に整列します。書き込みされたメモリの安定性は, それが皮質フィールドの真空状態にコード化されるという事実に由来し, その安定性は場の量子論の結果です。明らかに, 書き込みされたメモリは非局所的(つまり, 拡散した)存在を示します。
典型的な外部刺激のメモリが皮質系のマクロ的秩序状態に書き込みされると, ゴールドストーン ボソンのおかげで非常に簡単に呼び出すことができます。つまり, 皮質系が学習プロセスで使用されるものと同様の性質の弱い信号を受信すると, 書き込みされたメモリに対応する真空状態のギャップレス ゴールドストーン モードを励起できます。想起プロセスは, ほとんどエネルギーを必要としないゴールドストーンボソン(つまち長距離相関波)の生成プロセスに他なりません。ゴールドストーンボソンは, 元の外部信号の複製信号の役割を果たします。このように, 書き込みされた記憶の存在は意識によって考慮されます。QBD における意識とは, 皮質システム自体の場の量子論ダイナミクスを意味します。したがって, 弱い外部信号は書き込みされた記憶を想起することができ, 意識に参加します。この見解には, 想起には, 元の学習プロセス中に外部信号を組織化して送信するためにかつて興奮していた脳の代謝システムの部分の刺激が関与することが暗黙的に含まれています。弱い外部刺激が 2 種類以上のゴールドストーンボソンと相互作用し, 複数の保存されたコードを想起する可能性があることも指摘しておく価値があるようです。これは, 想起プロセスにおける関連性を説明するかもしれません。
QBD で最も重要な概念は, 前のセクションで見たように, 自発的対称性の破れ型の真空状態です。場の量子論では, コルチコンのシステムのように, 連続変換群の下で不変なハミルトニアンを持つシステムは, 無限に多くの真空状態を持つことが知られています。さらに, それらの真空状態は, エネルギーの最小固有値を持つハミルトニアンの唯一の固有状態であるはずの真の真空状態ではありません。それらのそれぞれは, フィールド変数が古典的な最小エネルギー解からの最小偏差を示すシステムの近似真空状態です。場の量子論の用語では, それらは異なるエネルギー最小値に対応する古典的なフィールド構成の周りのコヒーレント状態です。各真空状態は, 対称変換によって別の真空状態に変換できます。したがって, それらの真空状態は, 一般に, ハミルトニアンの元の対称変換の下で不変ではありません。それらは自発的対称性の破れ型です。
梅澤らが示したように, 皮質系の各真空状態はQBDにおける記憶ストレージの役割を果たしている。自発的対称性破れ型の真空状態は, エネルギー要件ゼロでゴールドストーンボソンを生成できるという事実に注目することは重要である。これは, 保存された記憶コードが想起プロセス中に容易に励起され, ゴールドストーンボソンを介して脳組織の基本システムの他の基本的な物理プロセスに寄与することを意味する。このようにして, 記憶の存在は脳の情報処理において「意識的に」考慮されることができる。QBDの皮質系が自発的対称性破れ型の真空状態を無限に持つという事実は, 脳にコード化され保存された記憶の容量が無限であることを意味する。脳組織の基本システム全体は, 非常に多くの秩序だった真空状態のドメインに分割されており, それらの真空状態に対応するゴールドストーンボソンは, 皮質フィールド, つまり意識の場の量子論ダイナミクスに関与している。 「このように真空状態でコード化された記憶は, その長期安定性のため, 常に意識のさらなる発達に影響を及ぼします。したがって, 皮質システムの真空状態に保存された記憶コードは決して失われないという結論に達するかもしれませんが, これは実際の脳の機能では当てはまらないようです。しかし, QBD の皮質システムの対称性特性は, 量子トンネル効果により不安定になるという記憶コードのより現実的な特徴を私たちに提供します。皮質フィールドの真空トンネル現象を考慮すると, 記憶コードはもはや完全に安定ではありません。議論を真空状態の典型的な空間領域に限定してこれを見てみましょう。
特定の学習プロセスの後, このドメインのコルチコン システムが真空状態, たとえば真空状態Aに陥り, システムの元の対称性が自発的に破れたとします。これは, ゴールドストーン ボソンの生成プロセスによって簡単に呼び出すことができるメモリ コードです。前に述べたように, 場の量子論の厳密な観点からは, これはコルチコン フィールドの真の真空状態ではなく, 最小エネルギーの古典的なフィールド構成を表す近似状態です。これは, 真空状態Aが, ハミルトニアンによって駆動されるコルチコン システムの時間発展の下で不変ではなくなったことを意味します。時間が経過するにつれて, 真空状態 A は, 真空状態Aとは異なる別の状態, たとえば状態Bになります。正確な真空状態だけが, 時間が経過しても常に同じ真空状態のままです。そして, コルティコン系の実際の状態Bが別の真空状態, たとえば真空状態 C にある確率は, 場の量子論では状態 B と真空状態Cの内積の絶対値の2乗で与えられる。実際の状態 B は真空状態ではないので, 問題の内積はゼロにならない。つまり, この領域のコルティコン系は, ゼロにならない確率で別の真空状態 C にある可能性がある。これが量子トンネル効果である。これは, メモリ コードを格納する真空状態が, 元のメモリ コードとは何の関係もない無意味なコードを格納する別の真空状態への減衰プロセスでもある。場の量子論では, 量子トンネル効果によるこのような真空状態の量子減衰プロセスは, インスタントンと呼ばれる新しい場の量子論モードの始まりと考えることができる。QBDでは, コルチコン系の真空状態の整列したドメイン構造に格納されたメモリ コードはトンネル効果によって不安定になり, 書き込みされたメモリの減衰プロセスはインスタントンの生成プロセスによって記述され, 想起プロセスはゴールドストーン ボソンのプロセスによって記述されるという結論に達することができます。
現時点では推測的ではありますが, インスタントンの仮想ダイナミクスを夢に対応する基本的な物理プロセスとして解釈することは, ある程度興味深いかもしれません。夢は, 実際のメモリコードに基づく意識の仮想アクションですが, 通常の意識アクションでは到達できない無関係なメモリコードをもたらします。夢はまったく因果的なイベントではありません。夢の典型的な側面に関するこの経験的事実は, インスタントンの仮想ダイナミクスの事実と比較できます。つまり, インスタントンのダイナミクスは, 実際の真空状態から始まり, 量子トンネル効果によって無関係な真空状態で終わる仮想物理プロセスであり, QBDの通常の因果的な物理プロセスでは変換できません。この意味で, 真空状態の量子崩壊過程は仮想物理過程であると言われている。量子トンネル効果によって引き起こされるインスタントンの仮想ダイナミクスは, 因果関係のあるイベントではない。
これまで, 私たちは主に, 脳組織に高度に体系化された機能を提供するQBDの基本的な物理過程に限定して議論してきた。しかし, 原子成分のマクロ的な秩序状態の概念は, 脳組織以外の生物物質の基本システムの典型的な物理的側面を調査する際にも同様に真剣に考慮することができる。実際, 梅澤の当初のアイデアは, 生物物質がアボガドロ数と同じ数の原子成分のシステムであり, 強い長距離相互相関があるという事実を強調して, 量子場の理論的枠組みを生物物質の研究に取り入れることを目指していた。そのようなシステムの秩序立った集団ダイナミクスは, 従来の量子統計力学の枠組みではうまく説明できず, 量子場の理論の枠組みでのみ説明できる。フレーリッヒもまた, マクロスケールの原子成分の集団モードまたは長距離コヒーレントダイナミクスが生物システムのエネルギー貯蔵に重要な役割を果たす可能性があることを指摘しました。(フレーリッヒ 1968) そこでは, 生物の基本システムの集団モードと外部電磁場の集団モードとの相互作用から生じる生物の特定のマクロな物理的特性に重点が置かれています。このような集団モードはマクロな秩序状態のドメイン構造として現れるため, 外部電磁場の長距離コヒーレント波モードとのみ結合できます。電磁場の非コヒーレントで無秩序な励起は, 生物の基本システムの集団モードと相互作用できません。言い換えれば, それらはマクロな秩序状態のドメインに浸透できない迷い電磁波です。これは, 迷い電磁場が超伝導物質に浸透できない超伝導物質のマイスナー効果に似た効果です。
無生物が集団コヒーレントダイナミクスを発揮できるのは, 絶対零度まで温度を下げることで熱化(無秩序化)エネルギーを消滅させ, 原子成分の無秩序で非コヒーレントなダイナミクスが消えたときだけである。超伝導物質はその典型である。しかし, 生物はより高温の環境下でも原子成分の集団コヒーレントダイナミクスを維持することができる。生物は, アボガドロ数個の原子成分, すなわち基本システムと代謝システムの二重構造を持っている。後者は無秩序で非コヒーレントなダイナミクスを発揮し, 前者は秩序だったコヒーレントなダイナミクスを発揮する。迷走電磁波は代謝システムとのみ相互作用し, 生物に熱化エネルギーを与える。生物の基本システムは, レーザー装置から放射されるコヒーレント光子に他ならない電磁場の集団的かつ長距離のコヒーレントモードとのみ結合する。これは, 生体物質が, たとえマクロ的な空間距離で隔てられていたとしても, コヒーレントな光子を放出したり吸収したりすることで相互作用する可能性があることを意味します。このような現象は, 現在ではバイオフォトンまたは極微弱光子放出として知られています。さらに興味深いことに, 中国と日本の伝統医学の中心的な教義である気の経絡は, 赤外線周波数領域で弱いがコヒーレントな電磁波を放出し, 遠くにいる他の人の気の経絡に影響を及ぼすことが報告されています。気の経絡によるこのような光子放出は, 中国と日本の伝統医学における雲気療法の物理的基礎と考えられています。
気の経絡流によって引き起こされる現象に関するいくつかの注目すべき実験結果が得られ, 報告されているにもかかわらず, 医学および生物科学の研究者のほとんどは, 人体または他の生物系における気の経絡流の存在について依然として疑問を抱いています。その理由は明らかです。
分子生物学の観点から見ると, 現代の科学用語には気の流れの余地がないようです。報告された実験結果は現象論的かつマクロ的な性質のものであり, 代謝の生化学的プロセスの微視的分子図に関する今日の物理的知識に完全に基づいた現代の医学および生物科学の従来の領域に何の影響も与えません。
本稿で紹介した, 主に脳に焦点を当てた生体物質の基本システムの集団モードの場の量子論による調査は, 気の経絡流の信頼できる具体的な物理的基礎を提供する可能性があると私たちは考えています。それは医学および生物科学の新しい研究分野を開き, 「生命とは何か」という疑問に対するよりよい理解を引き出すことができるでしょう。この分野はまだ発展途上ですが, 「量子バイオダイナミクス」と名付けられ, 再び「QBD」と略されるに値します。
神経科学者や認知科学者に真実を知らせることは, 今や非常に重要であるように思われる。マクロスケールの物質や光の物理現象に関わる場合であっても, 量子論に頼る必要がある。もちろん, 脳も例外ではなく, 量子論の非常に基本的な観点からの徹底的な研究は尊敬に値するだろう。(Pribram 1991; Jibu and Yasue 1999; Jibu et al. 1996; 1997)神経科学や認知科学では, 脳は量子物理学ではなく古典物理学, あるいはせいぜい分子生物学や化学生物学によって支配されるマクロな対象として理解できると広く信じられてきた。
最近, 量子理論の概念で「統一性(結合問題)」「クオリア」「非アルゴリズム的処理」「同期性」「自由意志」などの意識の基本的な特徴を説明することを目指す野心的な理論がいくつか提案されている(Penrose 1989; 1994; Hameroff 1987; Eccles 1986)。 ほとんどの場合, 量子理論の概念は量子力学から引用されており, 「非局所性」, 「状態の重ね合わせ」, 「不確定性原理」, 「波動関数 (状態) の縮小または崩壊」, 「EPR パラドックス」, 「非分離性」, 「ベルの定理」, 「抽象的自我による測定」などの量子力学の有名な概念上の難しさが多用されています。
しかし, 量子力学の概念は, 意識によって直接知覚できない微視的な物体という非常に理想的なケースに必然的に限られていることを強く警告する必要があります。ほとんどの神経科学者や認知科学者が信じているように, 脳はノイズの多い熱的環境にさらされた巨視的な物体であり, これらの量子力学の概念を脳に単純に適用することはほとんど受け入れられない可能性があります。しかしながら, 本論文では, 脳機能の研究に量子論を取り入れることは意識研究の避けられない転換点であると強調する。ここで, 量子論とは, 最近の野心的な理論とは異なり, 量子力学ではなく, 現代物理学の第一原理を提供する場の量子論を意味する(Umezawa 1993; Jibu and Yasue 1995; Vitiello 2001)。
意識は定義的側面を明らかにするのが難しいため, 現代の科学活動の競争にはまだ参加していないというのは本当かもしれない。神経科学や認知科学で頻繁に注目される意識の定義的側面のうち, 私たちは「統一性」または「結合問題」に議論を限定することができる。これは, 統一性が, 理論物理学の基本的な科学的枠組みからアプローチできる, 意識の定義的側面として最も一貫して特定されているからである。意識の統一(統一された自己として)の起源とメカニズムを理解することの長年の難しさは, 神経生理学における結合問題と呼ばれてきました。脳細胞の階層社会に関与するすべての物理化学プロセスを制御し, 統合するものは何でしょうか？
QBDでは, 神経ネットワークの分子生物学から細胞骨格ネットワークと細胞外マトリックスの化学生物学まで階層的に広がる脳細胞の階層社会の統一を実現する上で, 量子電磁力現象が重要な役割を果たしていると想定できます。結合問題は, 理想的な量子力学的非局所性を導入するのではなく, 細胞内および細胞外水の動的に秩序立った領域(つまり膜周囲領域)で発生する, 通常は無視されている量子電磁力現象を調査することによって解決する必要があります。そこでは, 各脳細胞は, エバネッセント光子のマクロ的な凝縮の共通フィールド内に包まれており, 脳細胞の階層社会に関与するすべての物理化学プロセスは, 量子電磁力学による制御と統合の対象となります。意識の統一は, 頭蓋骨内の脳組織全体に重なり合う凝縮したエバネッセント光子のグローバルフィールドの存在から生じます。EEG(すなわち, 脳波)の起源とメカニズムは, QBDと同じ量子電気力学フレームワーク内で説明できます(Jibu et al. 1997)。