211service.com
Zijn er optische communicatiekanalen in onze hersenen?
Hier is een interessante vraag: zijn er optische communicatiekanalen in de hersenen? Dit kan een radicale suggestie zijn, maar er is meer dan weinig bewijs om te denken dat het de moeite waard is om na te streven.
Veel organismen produceren licht om te communiceren, om partners aan te trekken, enzovoort. Twintig jaar geleden ontdekten biologen dat rattenhersenen onder bepaalde omstandigheden ook fotonen produceren. Het licht is zwak en moeilijk te detecteren, maar neurowetenschappers waren verrast om het überhaupt te vinden.
Sindsdien is het bewijs gegroeid. Zogenaamde biofotonen lijken van nature in de hersenen en elders te worden geproduceerd door het verval van bepaalde elektronisch aangeslagen moleculaire soorten. Zoogdierhersenen produceren biofotonen met een golflengte tussen 200 en 1300 nanometer, met andere woorden, van nabij-infrarood tot ultraviolet.
Als cellen in de hersenen van nature biofotonen produceren, is het normaal om te vragen of de natuur van dit proces gebruik heeft gemaakt om informatie door te geven. Om dat te laten gebeuren, moeten de fotonen van de ene plaats naar de andere worden verzonden en daarvoor is een soort golfgeleider nodig, zoals een optische vezel. Dus welke biologische structuur zou die functie kunnen vervullen?
Vandaag krijgen we een soort antwoord dankzij het werk van Parisa Zarkeshian aan de Universiteit van Calgary in Canada en een paar vrienden. Ze hebben de optische kenmerken van axonen bestudeerd, de lange draadachtige delen van zenuwcellen, en concluderen dat fotonentransmissie over afstanden van centimeters heel goed mogelijk lijkt in de hersenen.
Het werk is een overzicht van eerdere experimenten en studies van axonen. Het team beoordeelde eerst een onderzoek waarin de optische eigenschappen van gemyeliniseerde axonen werden berekend door de beroemde elektromagnetische vergelijkingen van Maxwell in drie dimensies op te lossen om de optische eigenschappen van de cel te bepalen.
Deze studie suggereert dat de buitenste coating van een axon - zijn myeline-omhulsel - kan fungeren als een golfgeleider om biofotonen te kanaliseren. Maar het suggereert ook dat een groot aantal factoren dit fenomeen kunnen beïnvloeden door licht te verstrooien of te absorberen.
Deze factoren omvatten hoe lichttransmissie wordt beïnvloed door bochten in het axon, door veranderingen in de straal van de huls, door niet-cirkelvormige dwarsdoorsneden, enzovoort.
Zarkeshian en co concluderen dat axonen met een lengte van ongeveer 2 millimeter - ongeveer de lengte van axonen in de hersenen - tussen 46 procent en 96 procent van de biofotonen die ze binnenkomen kunnen overbrengen. Het is vermeldenswaard dat fotonen zich in beide richtingen kunnen voortplanten: van het axonuiteinde tot aan de axonheuvel of in de tegenovergestelde richting langs het axon, zeggen ze.
Het team berekent vervolgens de datacommunicatiesnelheden die dit mogelijk maakt. Biologen hebben de door rattenhersenen geproduceerde biofotonen gemeten met een snelheid van één foton per neuron per minuut. Hoewel dat niet veel klinkt, zijn er 1011 neuronen in een menselijk brein, wat suggereert dat het meer dan een miljard fotonen per seconde zou kunnen produceren.
Dit mechanisme lijkt voldoende te zijn om de overdracht van een groot aantal stukjes informatie te vergemakkelijken, of zelfs om een grote hoeveelheid kwantumverstrengeling te creëren, zeggen Zarkeshian en co.
Natuurlijk zijn er tal van onzekerheden in deze berekeningen. Niemand kent de precieze optische eigenschappen van bijvoorbeeld myeline-omhulsels, omdat ze nooit zijn gemeten.
De beste manier om meer te weten te komen, is door de optische transmissie-eigenschappen van hersenweefsel te testen. Zarkeshian en co suggereren een aantal eenvoudige experimenten die dit veld vooruit zouden helpen. Een manier is om het ene uiteinde van een dun hersenplakje te verlichten en te zoeken naar de lichtpuntjes die verband houden met de open uiteinden van de gemyeliniseerde axonen aan het andere uiteinde, zeggen ze. Er zijn ook verschillende andere benaderingen. Dat is iets wat een neurowetenschapper met tijd over heeft.
Dit alles wijst op een groter raadsel. Als onze hersenen optische communicatiekanalen hebben, waar zijn ze dan voor? Dit is een vraag die rijp is voor speculatie met blauwe luchten.
Een gedachtegang is gebaseerd op het feit dat fotonen goede dragers zijn van kwantuminformatie. Veel mensen hebben getheoretiseerd dat kwantumprocessen mogelijk achter sommige van de meer mysterieuze processen van de hersenen zitten, niet in de laatste plaats het bewustzijn zelf. Zarkeshian en co zijn duidelijk gecharmeerd van dit idee.
Maar dit is niet meer dan wilde speculatie. Quantumcommunicatie vereist aanzienlijk meer dan optische communicatiekanalen. Er moeten ook mechanismen zijn die kwantuminformatie kunnen coderen, ontvangen en verwerken. Het is mogelijk dat er lichtgevoelige moleculen in de hersenen bestaan, maar daar is weinig bewijs voor en nog minder dat ze als kwantumprocessors dienen.
Toch is dit soort denken opwindend en de moeite waard om op een basisniveau na te streven. Als de natuur biofotonen produceert, heeft de evolutie misschien een manier gevonden om ze te exploiteren. De vraag is hoe.
Referentie: arxiv.org/abs/1708.08887 : Zijn er optische communicatiekanalen in de hersenen?