Entender a natureza da consciência é um dos problemas mais difíceis da ciência. Alguns cientistas sugeriram que a mecânica quântica, e em particular o entrelaçamento quântico, é a chave para desvendar o fenômeno.

Agora, um grupo de pesquisa na China mostrou que muitos fótons emaranhados podem ser gerados dentro da bainha de mielina que cobre as fibras nervosas. Isso poderia explicar a comunicação rápida entre os neurônios, que até agora foi considerada abaixo da velocidade do som, lenta demais para explicar como a sincronização neural ocorre.

O artigo foi publicado na revista Physical Review E.

"Se o poder da evolução estivesse procurando por uma ação útil à distância, o emaranhamento quântico seria [um] candidato ideal para esse papel", disse Yong-Cong Chen em uma declaração. Chen é professor no Shanghai Center for Quantitative Life Sciences e no Departamento de Física da Universidade de Xangai.

O cérebro se comunica consigo mesmo disparando sinais elétricos chamados sinapses entre neurônios, que são os principais componentes do tecido nervoso. É da atividade sincronizada de milhões de neurônios que a consciência (entre outros negócios cerebrais) depende. Mas a maneira como essa sincronização precisa acontece é desconhecida.

As conexões entre os neurônios são chamadas de axônios — estruturas longas semelhantes a fios elétricos — e cobertas por um revestimento ("bainha") feito de mielina, um tecido branco feito de lipídios.

Composta por até centenas de camadas, a mielina isola os axônios, bem como os molda e fornece energia aos axônios. (Na verdade, uma série dessas bainhas se estende por todo o comprimento do axônio. A bainha de mielina tem tipicamente cerca de 100 mícrons de comprimento, com lacunas de 1 a 2 mícrons entre elas.) Evidências recentes sugerem que a mielina também desempenha um papel importante na promoção da sincronização entre os neurônios.

Mas a velocidade na qual os sinais se propagam ao longo dos axônios é inferior à velocidade do som, às vezes muito inferior — lenta demais para criar os milhões de sincronizações de neurônios que são a base de todas as coisas incríveis que o cérebro pode fazer.

Para resolver esse problema, Chen e seus colegas investigaram se poderia haver fótons emaranhados dentro desse sistema axônio-mielina que poderiam, por meio da mágica do emaranhamento quântico, se comunicar instantaneamente através das distâncias envolvidas.

Um ciclo de ácido tricarboxílico libera energia armazenada em nutrientes, com uma cascata de fótons infravermelhos liberados durante o processo de ciclagem. Esses fótons se acoplam a vibrações de ligações carbono-hidrogênio (CH) em moléculas lipídicas e as excitam para um estado de energia vibracional mais alto. À medida que a ligação então transita para um estado de energia vibracional mais baixo, ela libera uma cascata de fótons.

O grupo chinês aplicou a eletro-hidrodinâmica quântica de cavidade a um cilindro perfeito cercado por mielina, fazendo a suposição razoável de que a parede externa da bainha de mielina é uma parede condutora perfeitamente cilíndrica.

Usando técnicas de mecânica quântica, eles quantizaram os campos eletromagnéticos e o campo elétrico dentro da cavidade, bem como os fótons — ou seja, trataram todos eles como objetos quânticos — e então, com algumas suposições simplificadoras, resolveram as equações resultantes.

Fazendo isso, obtiveram a função de onda para o sistema dos dois fótons interagindo com a matéria dentro da cavidade. Eles então calcularam o grau de emaranhamento dos fótons determinando sua entropia quântica, uma medida de desordem, usando uma extensão da entropia clássica desenvolvida pelo polímata da ciência John von Neumann.

"Mostramos que os dois fótons podem de fato ter uma taxa maior de emaranhamento em algumas ocasiões", disse Chen em sua declaração.

A parede condutora limita os modos de onda eletromagnética que podem existir dentro do cilindro, tornando o cilindro uma cavidade eletromagnética que mantém a maior parte de sua energia dentro dela. Esses modos são diferentes das ondas eletromagnéticas contínuas ("luz") que existem no espaço livre.

São esses modos discretos que resultam na produção frequente de fótons altamente emaranhados dentro da cavidade da mielina, cuja taxa de produção pode ser significativamente aumentada em comparação a dois fótons não emaranhados.

Emaranhamento significa que o estado de dois fótons não é uma combinação clássica de dois estados de fótons. Em vez disso, medir ou interagir com um dos fótons afeta instantaneamente a mesma propriedade do segundo fóton, não importa quão distante ele esteja.

O emaranhamento foi demonstrado para um sistema cujos membros estão a mais de 1.000 km de distância. Nada parecido existe na física clássica; é puramente um fenômeno quântico. Aqui, o emaranhamento aumentaria a possibilidade de sinalização muito mais rápida ao longo das seções de mielina que envolvem segmentos do comprimento do axônio.

Uma possibilidade, escrevem os autores, é que o emaranhamento de fótons poderia se transformar em emaranhamento ao longo dos canais de íons de potássio no neurônio. Se for assim, a abertura e o fechamento de um canal podem afetar o desempenho de outro em algum outro lugar.

Chen disse que o resultado é uma combinação de dois fenômenos que existem, mas ainda são em grande parte misteriosos: consciência (e muito menos consciência quântica) e emaranhamento quântico.

"Não diremos que há uma conexão direta. Neste estágio inicial, nosso objetivo principal é identificar possíveis mecanismos de sincronização neural, que afetam vários processos neurobiológicos. Por meio deste trabalho, esperamos obter um melhor entendimento."