Spielt die Quantenmechanik eine Rolle im Gehirn?

Die Quantenmechanik hat fast keinen Einfluss auf die Funktionsweise des Gehirns, außer insofern, als sie die Existenz von Materie erklärt. Sie sagen, dass Signale von Elektronen getragen werden, aber das ist sehr ungenau. Vielmehr werden sie von verschiedenen Arten chemischer Signale, einschließlich Ionen, getragen. Diese Signale werden in eine warme Umgebung abgegeben, mit der sie über einen sehr kurzen Zeitraum interagieren.

Quantenmechanische Prozesse wie Interferenz und Verschränkung zeigen nur dann weiterhin Effekte, die sich von der klassischen Physik unterscheiden, wenn die relevanten Informationen nicht in die Umwelt gelangen. Dieses Problem wurde im Kontext des Gehirns von Max Tegmark in Die Bedeutung der Quantendekohärenz in Gehirnprozessen erläutert . Im Gehirn sollte das Durchsickern von Informationen über einen bestimmten Zeitraum erfolgen$10^{-13}-10^{-20}$s. Die Zeitskala, über die Neuronen feuern usw. ist$0.001-0.1$s. Ihre Gedanken sind also keine Quantenberechnungen oder ähnliches. Das Gehirn ist ein klassischer Computer.

Ja - aber nur in dem Sinne, dass alle makroskopischen Prozesse von der zugrunde liegenden Quantenmechanik auf mikroskopischer Ebene abhängen.

Nein – die Quantenmechanik ist nicht das beste Modell, um zu beschreiben, was im Gehirn passiert.

In gewisser Hinsicht ähnelt das Verhalten eines Neurons einem Quantenprozess, wie (zum Beispiel) dem Zerfall eines elektrisch angeregten oder radioaktiven Atoms in seinen Grundzustand. Ein Neuron feuert entweder oder nicht. Aber es gibt viele Maschinen, die entweder feuern oder nicht, also reicht dies nicht aus, um darauf zu schließen, dass dies ein Quantenprozess ist.

https://en.wikipedia.org/wiki/All-or-none_law

Es gibt einige wichtige Unterschiede wie folgt (der wichtigste davon ist der Umfang des Prozesses.)

Das Atom sendet zufällig und unabhängig von Ereignissen in seiner Umgebung (zumindest bei spontaner Emission) ein Photon (ein einzelnes Quant elektromagnetischer Strahlung) aus. Wir können experimentell feststellen, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein bestimmter Atomtyp in einem bestimmten Zeitraum ein Photon aussendet.

Das Neuron gibt einen Impuls (eine große Anzahl von Ionen) auf ziemlich vorhersagbare Weise ab, abhängig von den Impulsen und Stimuli, die es erhalten hat. Ein gutes (wenn auch eher einfaches) Modell dafür wäre ein Wassertank, der sich automatisch entleert, wenn er ganz voll ist. Solche Tanks werden zum Spülen von Urinalen in öffentlichen Herrentoiletten verwendet. Von hier aus ist es ein großer Schritt, einen Computer zu bauen, der so hoch entwickelt ist wie das Gehirn, aber es sollte klar sein, dass ein solcher Panzer nicht von der Quantenmechanik abhängt. Beachten Sie, dass ein elektronisches Analogon eines solchen Tanks möglich ist.

Roger Penrose und Stuart Hammeroff arbeiten an genau dieser Hypothese. Sie glauben, dass die Spindelfaser die Struktur ist, die die Quantenwellenfunktion zusammenbrechen lässt. Bisher ist es ihnen nicht gelungen, die „Spindelfaser“ bei der Unterstützung von QM-Fähigkeiten zu zeigen. Aber es gibt viele Informationen zu diesem Thema, beginnend mit Roger Penroses Buch "The Emperor's New Mind".

Das Gehirn ist de facto ein klassischer Computer, wie in Alanfs Antwort erklärt. Dies lässt jedoch die Möglichkeit offen, dass das, was ein klassisches System wie unser Gehirn oder eine zukünftige KI bewusst macht, durchaus damit zusammenhängen könnte, wie sich die Quantenmechanik auf die klassische Mechanik reduziert. Ein Vorschlag in dieser Richtung (den ich persönlich nicht überzeugend finde) wurde von Roger Penrose unterbreitet, wie in Ed Yableckis Antwort erwähnt.

Eine viel einfachere Idee ist zu berücksichtigen, dass die Quantenmechanik im klassischen Regime immer noch nicht dasselbe ist wie die klassische Mechanik. Was passiert ist, dass durch die Verschränkung mit einer Vielzahl von Umweltfreiheitsgraden viele typische Quanteneffekte effektiv verloren gehen und man dann so tun kann, als ob sie nicht existieren. Was die Vorhersage des Ergebnisses von Experimenten betrifft, können Sie ungestraft auf die klassische Mechanik zurückgreifen. Aber das physikalische System ist nicht das, was man bekommt, wenn man seine klassische Beschreibung wörtlich für richtig hält.

Sie können deutlich sehen, wie der Unterschied zwischen der exakten quantenmechanischen Beschreibung einer KI + -Umgebung und der klassischen Beschreibung der KI viele der philosophischen Einwände gegen die starke KI-Hypothese beantwortet. In der genauen Beschreibung gibt es viel Raum, um Korrelationen zwischen Inputs und Outputs, wie sie zu einem bestimmten Zeitpunkt existieren, hervorzurufen, denn was die KI erfährt, ist nur eine grobkörnige Messung, die mit einer großen Anzahl von Mikrozuständen übereinstimmt. Diese existieren dann als Parallelwelten innerhalb seines De-facto-Messfehlers. Die reale Existenz eines solchen Ensembles korrelierter Zustände definiert, welche Berechnung zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich durchgeführt wird. Die Schwierigkeit, dies innerhalb eines rein klassischen Bildes zu tun, steht im Mittelpunkt der Kritik an starker KI.

Denken Sie an Marvin Minskys berühmtes Gedankenexperiment, bei dem Ihr Gehirn durch ein riesiges analoges Gerät simuliert wird, das aus riesigen Rädern und Zahnrädern besteht. Dann sagt eine starke KI, dass diese Simulation erfolgreich sein wird, aber die Kritiker sagen, das sei einfach lächerlich, wie um alles in der Welt kann eine Ansammlung von Rädern und Zahnrädern überhaupt etwas fühlen? Die wichtigste Beobachtung, die imo gemacht werden muss, ist wie folgt. Der genaue Zustand der Räder und Zahnräder lässt sich aus Ihrer Sicht nicht genau festmachen. Während Sie auf mehrere Ihrer Räder herabblicken können, wird jeder Versuch von Ihnen, den Zustand aller Ihrer Räder herauszufinden, fehlschlagen, da Ihr Gedächtnis eine begrenzte Kapazität hat; Der größte Teil dieser Kapazität wird verwendet, um die Programme auszuführen, die Sie definieren. Was auch immer Sie fühlen, was auch immer Bewusstsein wirklich ist, es ist letztendlich eine Berechnung und ein System von Rädern und Zahnrädern kann dies eindeutig definieren,

Tatsächlich wird die elektrische Ladung von positiven Ionen (Natrium und Kalium) und nicht von Elektronen entlang des Axons des Neurons getragen. Sind sie klein genug? Ich weiß es nicht. Übrigens gibt es eine Hypothese, dass eine bestimmte Vogelart ein Paar verschränkter Elektronen verwendet, um sich zu orientieren. Die Quantenmechanik spielt auch bei Enzymen eine Rolle (z. B. Quantentunneln), aber aufgrund der großen Menge an Enzymen glaube ich nicht, dass Quanteneffekte einen Unterschied machen. Es gibt ein gutes Video , das eine Hypothese zeigt, wie einige Organismen die Quantenmechanik nutzen (es ist jedoch nicht spezifisch für das Gehirn).

Was das Gehirn selbst betrifft, so lautet die Antwort, niemand weiß es, vielleicht wird es zum Speichern von Informationen verwendet oder wer weiß was. Wie Sie sagten, wäre es eine gute Sache, die Quantenmechanik (zumindest manchmal) zu berücksichtigen, um zu versuchen, mehr vom Gehirn zu verstehen.

Es gibt heute definitiv einige ernsthafte wissenschaftliche Bemühungen, die versuchen, QM in Gehirnprozesse zu erklären und zu integrieren. Genau darum geht es im folgenden TED-Talk:

http://www.ted.com/talks/jim_al_khalili_how_quantum_biology_might_explain_life_s_biggest_questions?c=922691

Andere Wissenschaftler stellen die Hypothese auf, dass die winzigen Dendriten oder Mikrotubuli auf Neuronen im Gehirn die Schnittstelle sind, an der die schwachen Quanteneffekte stattfinden und die bekannten klassischen Effekte erzeugen.

Der Arzt Mark Germaine schreibt in seinem Aufsatz: „Eine Fülle von Daten stützt die Vorstellung, dass die dendritischen Verzweigungen die primären Strukturen sind, die die Wahrnehmung unterstützen (Pribram, 1991). Die neuronale Wellenform charakterisiert die Dynamik des dendritischen Netzwerks, und diese Wellenform kann durch eine Gleichung beschrieben werden, die im Grunde die gleiche ist wie die Gleichung, die die Quantenwellenform beschreibt (Pribram, 1991), ………“

Aber er diskutiert ein anderes Modell und nicht direkt das QM-Modell für das Gehirn. Den Aufsatz finden Sie hier:

http://dynappsy.org/2015/HOLOMIND.pdf

Der Punkt ist, dass das allgemein akzeptierte mechanistische Modell des Gehirns anscheinend nicht ausreicht, um den gesamten Erfahrungsreichtum zu erklären – nicht einmal die scheinbar grundlegendsten wie Geschmack, Geruch, Sehen. Das mechanistische Modell kann die enorme Vielseitigkeit eines Bewusstseins nicht erklären – nicht einmal so einfach wie das einer Ameise.

Ich komme zu spät zur Party, habe aber das folgende Argument nicht gesehen, das an der Schnittstelle von Ethik, Physik und Logik steht. Es hat mit dem freien Willen zu tun, von dem wir glauben, dass wir ihn haben.

Die logische Definition des freien Willens ist, dass er nicht bestimmt ist; das ist die Bedeutung von kostenlos . Wir tun etwas nicht regelbasiert, dh wir tun es nicht vorhersehbar, sondern spontan. Wir hätten genauso gut anders entscheiden können, aber wir haben es nicht getan.

Im Allgemeinen sehen wir vorhersehbares Verhalten nicht als Zeichen des freien Willens: Dieses Verhalten wird von Instinkt, Moral, Konventionen oder äußeren Einflüssen wie Werbung oder Gruppenzwang geleitet.

Zeichen des freien Willens hingegen sind an Kreuzungen sichtbar: Jemand entscheidet sich, ein Held zu sein oder nicht, isst in dem einen oder anderen Restaurant. Wir und möglicherweise die Person selbst wussten es vorher nicht.

Generell fällt jedes Verhalten in eine dieser beiden Kategorien: Es ist regelbasiert, dh vorhersehbar; oder es ist eine freiwillige Entscheidung, die niemand zuverlässig vorhersagen konnte.

Das Interessante ist, dass aus rechnerischer Sicht "unvorhersehbar" einfach gleichbedeutend mit "zufällig" ist. Das ist die Definition von "zufällig": Es hängt nicht von früheren Ereignissen ab, dh es gibt keine Regeln, um ein zufälliges Ereignis aus früheren Ereignissen vorherzusagen.

Freier Wille ist logischerweise die Fähigkeit, zufällige Entscheidungen zu treffen.

(Nebenbei gesagt, das ist der Grund, warum es kein kategorisches Hindernis geben wird, menschliches Verhalten mit Computern nachzuahmen. Jedes Verhalten ist entweder regelbasiert oder zufällig. Wir können regelbasiertes Verhalten sehr gut mit Computern emulieren. Aber das ist es auch nicht Zufälligkeit ist schwer einzuführen oder zu emulieren.)

Machen wir uns nichts vor. Vieles von dem, was wir als freien Willen wahrnehmen, ist überhaupt nicht frei; Die überwältigende Mehrheit unseres Verhaltens wird von unserer Kultur, Ethik, unserem Geschmack, unseren Prinzipien usw. bestimmt, oft unbewusst. Dass wir weniger vorhersehbar erscheinen, als wir tatsächlich sind, liegt an einem Mangel an Informationen auf der Seite des Beobachters (und Big Data sagt uns, dass wir ziemlich vorhersehbar – und leichtgläubig – werden, wenn wir genügend Informationen über uns haben).

Aber wir haben ein starkes Gefühl – und gelegentliche Beispiele – von persönlicher Freiheit. Wenn wir mechanische, deterministische Uhrwerke wären, wären wir nicht frei. Aber wir sind keine Uhrwerke; Die Arbeitsweise unseres Gehirns ist nicht vollständig deterministisch.

Die physische Grundlage dieser Unbestimmtheit müssen zufällige Ereignisse in unserem Gehirn sein. Elektronen, Atome und Moleküle sind keine Billardkugeln; kein Laplace-Dämon könnte die Zukunft eines Gehirns vorhersagen, im Prinzip nicht. Die mikroskopische Welt, die der von uns wahrgenommenen Welt zugrunde liegt, ist einfach nicht deterministisch. In einem nichtlinearen System wie dem Gehirn machen kleine Quantenereignisse, die in beide Richtungen hätten gehen können, gelegentlich einen Unterschied. Ein Neuron feuert oder nicht; Die Erregung einer Gruppe von Neuronen überschreitet einfach die Schwelle in einem Wettbewerb mit einer anderen Gruppe, um dominant zu werden oder nicht.

In diesem Sinne glaube ich, dass Quanteneffekte als Quelle angeborener Unbestimmtheit und damit Freiheit eine große Rolle in unserem Gehirn spielen. Und im Universum.

Das Gehirn als Biocomputer ist viel zu komplex, um eine vollständig beschreibende Antwort in Form eines Forenbeitrags zu erwarten.

Keine Sorge, die Lage ist noch verworrener! :) Die Meinungen zum Thema Quantenverhalten, das die Wahrnehmung der Realität (und dementsprechend die Erschaffung von "Realität") beeinflusst, aber ich berühre hier sehr metaphysische Sichtweisen, die hier normalerweise und aus guten Gründen vermieden werden, gehen weit auseinander.

Alles in allem lautet die meiner Meinung nach derzeit richtige Antwort "Aufgrund der Komplexität des Gehirns wissen wir nicht, wo die Quantenphänomene in Bezug auf Gehirn und Wahrnehmung zutreffen und wo nicht." An diesem Punkt muss man sich der Forschung anschließen, um zumindest teilweise Antworten zu erhalten.

"(...) Ich habe keine Angst, Dinge nicht zu wissen, weil ich mich in einem mysteriösen Universum ohne jeden Zweck verirrt habe, so wie es wirklich ist, soweit ich das beurteilen kann." R.P. Feynmann