La conciencia humana es uno de los mayores enigmas de la ciencia. Aunque sabemos que está relacionada con la actividad sincronizada de millones de neuronas en el cerebro, los mecanismos exactos que permiten esta coordinación aún no están claros.
Recientemente, un estudio innovador liderado por investigadores de las universidades de Shanghai y Sichuan ha abierto una nueva puerta hacia este misterio al explorar cómo los fotones entrelazados generados en las vainas de mielina podrían desempeñar un papel crucial en la comunicación neuronal.
¿Qué es el entrelazamiento cuántico?
El entrelazamiento cuántico es un fenómeno de la mecánica cuántica en el que dos partículas, como fotones, se conectan de tal manera que sus estados no pueden describirse de forma independiente, sino solo como un sistema conjunto.
Cuando una de las partículas se mide, el estado de la otra se determina instantáneamente, sin importar la distancia que las separe. Este comportamiento desafía nuestra intuición clásica y la relatividad de Einstein, que sostiene que la información no puede viajar más rápido que la luz.
De hecho, Albert Einstein lo describió como una «acción fantasmagórica a distancia», ya que parecía contradecir las leyes establecidas de la física.
Aunque Einstein fue escéptico ante este fenómeno, hoy el entrelazamiento cuántico ha sido ampliamente demostrado en experimentos y se ha convertido en un pilar fundamental para el desarrollo de tecnologías avanzadas como la computación cuántica y la criptografía cuántica.
Estas tecnologías aprovechan la capacidad de las partículas entrelazadas para realizar cálculos mucho más rápidos y transmitir información de manera más segura, abriendo nuevas posibilidades en el procesamiento de información y la protección de datos.
Metodología del estudio
Los investigadores utilizaron un enfoque interdisciplinario que combina neurociencia, física cuántica y química para estudiar cómo los fotones entrelazados podrían generarse dentro del sistema nervioso.
El estudio se centró en las vainas de mielina , estructuras lipídicas que envuelven los axones de las neuronas y actúan como aislantes para acelerar la transmisión de señales eléctricas.
1. Modelo teórico
Los autores emplearon la teoría de la electrodinámica cuántica en cavidades (cQED) para analizar cómo los modos vibracionales de los enlaces C-H en las colas de lípidos de la mielina pueden emitir fotones entrelazados.
Estos enlaces vibran en el espectro infrarrojo medio, una región del espectro electromagnético que ya se sabe influye en la actividad neuronal.
2. Cavidad cilíndrica formada por mielina
La vaina de mielina forma una cavidad cilíndrica alrededor del axón. Esta estructura actúa como una «microcavidad» que confina fotones, lo que facilita la emisión espontánea de luz desde los modos vibracionales de los enlaces C-H.
Los investigadores calcularon los modos electromagnéticos dentro de esta cavidad y determinaron cómo estos modos pueden generar pares de fotones entrelazados.
2. Transiciones vibracionales y emisión de fotones
Utilizando osciladores de Morse, un modelo matemático que describe las vibraciones anarmónicas de los enlaces químicos, los investigadores simularon las transiciones entre niveles de energía vibracional.
Estas transiciones producen fotones a través de un proceso llamado radiación en cascada , donde un enlace pasa de un estado excitado a otro más bajo, emitiendo fotones en el proceso.
3. Análisis del entrelazamiento cuántico
Para evaluar el grado de entrelazamiento de los fotones generados, los investigadores utilizaron la descomposición de Schmidt, una herramienta matemática que permite medir la correlación entre dos partículas.
Descubrieron que cuando el grosor de la vaina de mielina está en un rango específico (entre 0.8 y 1.1 micrómetros), la probabilidad de generar fotones entrelazados es significativamente mayor.
Desarrollo del estudio
El equipo realizó cálculos detallados para determinar cómo las propiedades geométricas de la mielina afectan la generación de fotones entrelazados. Al modelar diferentes grosores y longitudes de la vaina de mielina, encontraron que:
Cuando el grosor de la mielina es demasiado pequeño (<0.45 µm), la interacción entre los modos vibracionales y los campos electromagnéticos es insignificante, lo que impide la generación de fotones entrelazados.
En contraste, cuando el grosor está en el rango óptimo (0.8–1.1 µm), la cavidad cilíndrica potencia la interacción, aumentando la probabilidad de entrelazamiento.
Además, los investigadores destacaron que la geometría discreta de la cavidad formada por la mielina crea modos electromagnéticos específicos que favorecen el entrelazamiento cuántico, algo que no ocurre en el espacio libre.
Conclusiones específicas
A través de un análisis riguroso basado en la electrodinámica cuántica en cavidades (cQED), los investigadores han demostrado que las vainas de mielina en el sistema nervioso podrían actuar como microcavidades que facilitan la generación de fotones entrelazados.
Este hallazgo no solo amplía nuestra perspectiva sobre el papel de la mielina más allá de su función tradicional como aislante, sino que también sugiere que el cerebro podría aprovechar principios cuánticos para optimizar la comunicación entre neuronas.
1. Generación de fotones entrelazados
El estudio demostró que las vainas de mielina pueden actuar como microcavidades que facilitan la emisión de fotones entrelazados a partir de las vibraciones de los enlaces C-H en las colas de lípidos.
Esto sugiere que el cerebro podría aprovechar estos recursos cuánticos para mejorar la comunicación neuronal.
2. Relación con la degeneración neural
Los investigadores también observaron que el grosor de la mielina disminuye con la edad, lo que podría reducir la capacidad del cerebro para generar fotones entrelazados. Esto podría estar relacionado con el aumento de enfermedades neurodegenerativas, como el Alzheimer o la esclerosis múltiple.
3. Sincronización neuronal
Los fotones entrelazados podrían proporcionar un mecanismo para la sincronización neuronal a larga distancia.
Por ejemplo, si un canal iónico K+ en una neurona se activa, el entrelazamiento cuántico podría influir en el estado de otros canales en diferentes partes del cerebro, creando correlaciones no locales.
4. Implicaciones y futuras investigaciones
Este estudio plantea una hipótesis fascinante: ¿podría el cerebro humano utilizar principios cuánticos para optimizar su funcionamiento?
Si bien los resultados son preliminares, abren nuevas posibilidades para comprender cómo la conciencia emerge de la actividad neuronal sincronizada.
Futuras investigaciones deberían enfocarse en confirmar experimentalmente la generación de fotones entrelazados en tejido nervioso.
Explorar cómo los polaritones (mezclas de fotones y vibraciones moleculares) podrían proteger el entrelazamiento cuántico frente a fluctuaciones térmicas.
Investigar si otras estructuras biológicas, como los microtúbulos, también participan en procesos cuánticos.
Conclusiones
Este estudio representa un paso significativo hacia la integración de la física cuántica y la neurociencia.
Al sugerir que los fotones entrelazados generados en las vainas de mielina podrían ser una fuente de recursos cuánticos para el cerebro, los investigadores han planteado una nueva perspectiva sobre cómo la naturaleza podría haber aprovechado principios cuánticos para optimizar la comunicación neuronal.
Aunque aún queda mucho por descubrir, este trabajo nos acerca un poco más a desentrañar el misterio de la conciencia humana.
Referencia
Liu, Z., Chen, Y.-C., & Ao, P. (2024). Entangled biphoton generation in the myelin sheath. Physical Review E, 110(2), 024402. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.110.024402
