Ci sono canali di comunicazione ottica nel nostro cervello?

Ecco una domanda interessante: ci sono canali di comunicazione ottica nel cervello? Questo può essere un suggerimento radicale, ma per il quale ci sono più di una piccola prova per pensare che valga la pena perseguire.

Molti organismi producono luce per comunicare, per attirare i compagni e così via. Vent'anni fa, i biologi hanno scoperto che anche i cervelli di ratto producono fotoni in determinate circostanze. La luce è debole e difficile da rilevare, ma i neuroscienziati sono rimasti sorpresi di trovarla.

Da allora, le prove sono cresciute. I cosiddetti biofotoni sembrano essere prodotti naturalmente nel cervello e altrove dal decadimento di alcune specie molecolari eccitate elettronicamente. I cervelli dei mammiferi producono biofotoni con lunghezza d'onda compresa tra 200 e 1.300 nanometri, in altre parole, dal vicino infrarosso all'ultravioletto.

Se le cellule del cervello producono naturalmente biofotoni, è naturale chiedersi se la natura possa aver approfittato di questo processo per trasmettere informazioni. Affinché ciò avvenga, i fotoni devono essere trasmessi da un luogo all'altro e ciò richiede una sorta di guida d'onda, come una fibra ottica. Quindi quale struttura biologica potrebbe svolgere quella funzione?

Oggi riceviamo una sorta di risposta grazie al lavoro di Parisa Zarkeshian all'Università di Calgary in Canada e ad alcuni amici. Hanno studiato le caratteristiche ottiche degli assoni, le lunghe parti filiformi delle cellule nervose, e hanno concluso che la trasmissione di fotoni su distanze centimetriche sembra del tutto fattibile all'interno del cervello.

Il lavoro è una rassegna di precedenti esperimenti e studi sugli assoni. Il team ha prima esaminato uno studio che ha calcolato le proprietà ottiche degli assoni mielinizzati risolvendo le famose equazioni elettromagnetiche di Maxwell in tre dimensioni per determinare le proprietà ottiche della cellula.

Questo studio suggerisce che il rivestimento esterno di un assone, la sua guaina mielinica, può fungere da guida d'onda per incanalare i biofotoni. Ma suggerisce anche che un'ampia gamma di fattori può influenzare questo fenomeno disperdendo la luce o assorbendola.

Questi fattori includono il modo in cui la trasmissione della luce è influenzata dalle curve nell'assone, dai cambiamenti nel raggio della guaina, dalle sezioni trasversali non circolari e così via.

Zarkeshian e colleghi concludono che gli assoni con una lunghezza di circa 2 millimetri, circa la lunghezza degli assoni nel cervello, potrebbero trasmettere tra il 46% e il 96% dei biofotoni che vi entrano. Vale la pena notare che i fotoni possono propagarsi in entrambe le direzioni: dal terminale dell'assone fino alla collinetta dell'assone o nella direzione opposta lungo l'assone, dicono.

Il team continua a calcolare le velocità di comunicazione dei dati che ciò consente. I biologi hanno misurato i biofotoni prodotti dal cervello di ratto alla velocità di un fotone per neurone al minuto. Sebbene non sembrino molti, ci sono 1011 neuroni in un cervello umano, il che suggerisce che potrebbe produrre più di un miliardo di fotoni al secondo.

Questo meccanismo sembra essere sufficiente per facilitare la trasmissione di un gran numero di bit di informazioni, o addirittura consentire la creazione di una grande quantità di entanglement quantistico, affermano Zarkeshian e co.

Naturalmente, ci sono numerose incertezze in questi calcoli. Nessuno conosce le proprietà ottiche precise delle guaine mieliniche, ad esempio, perché non sono mai state misurate.

Il modo migliore per saperne di più è testare le proprietà di trasmissione ottica del tessuto cerebrale. Zarkeshian e colleghi suggeriscono una serie di semplici esperimenti che porterebbero avanti questo campo. Un modo è illuminare un'estremità di una sottile fetta di cervello e cercare i punti luminosi relativi alle estremità aperte degli assoni mielinizzati all'altra estremità, dicono. Ci sono anche vari altri approcci. È qualcosa che potrebbe affrontare un neuroscienziato con il tempo a disposizione.

Tutto ciò indica un enigma più grande. Se i nostri cervelli hanno canali di comunicazione ottici, a cosa servono? Questa è una domanda che è matura per la speculazione sui cieli blu.

Una linea di pensiero si basa sul fatto che i fotoni sono buoni vettori di informazioni quantistiche. Molte persone hanno teorizzato che i processi quantistici potrebbero essere alla base di alcuni dei processi più misteriosi del cervello, non ultimo dei quali è la coscienza stessa. Zarkeshian e compagni sono chiaramente innamorati di questa idea.

Ma questa non è altro che una speculazione selvaggia. La comunicazione quantistica richiede molto di più dei canali di comunicazione ottici. Devono inoltre esistere meccanismi in grado di codificare, ricevere ed elaborare informazioni quantistiche. È possibile che nel cervello esistano molecole fotosensibili, ma ci sono poche prove per questo e ancor meno che servano come processori quantistici.

Tuttavia, questo tipo di pensiero è eccitante e vale la pena perseguire a livello di base. Se la natura produce biofotoni, l'evoluzione potrebbe aver trovato un modo per sfruttarli. La domanda è come.

Rif: arxiv.org/abs/1708.08887 : Ci sono canali di comunicazione ottica nel cervello?

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