2022年10月7日，愛爾蘭都柏林三一學(xué)院的實驗團隊在《物理學(xué)通訊》雜志上發(fā)表了一篇名為《非經(jīng)典腦功能的實驗指標(biāo)》的論文。研究人員在論文中寫道：“我們的研究結(jié)果表明，我們可能已經(jīng)目睹了由意識相關(guān)的大腦功能介導(dǎo)的糾纏。 然后，這些大腦功能必須以非經(jīng)典方式運作，這意味著意識是非經(jīng)典的?！?/span>三一學(xué)院的實驗團隊認(rèn)為，我們的大腦可以使用量子計算。
三一學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所（TCIN）的首席物理學(xué)家Christian Kerskens博士（該研究文章的共同作者）說道：“我們改編了一個想法，為證明量子引力的存在而開發(fā)的實驗，即采取已知的量子系統(tǒng)，與一個未知系統(tǒng)相互作用。如果已知系統(tǒng)糾纏在一起，那么未知系統(tǒng)也必須是一個量子系統(tǒng)。它規(guī)避了為我們一無所知的東西尋找測量設(shè)備的困難?！?/span>
“如果糾纏是這里唯一可能的解釋，那么這將意味著大腦過程必須與核自旋相互作用，調(diào)解核自旋之間的糾纏。因此，我們可以推斷，這些大腦功能必須是量子化的。因為這些大腦功能也與短期記憶表現(xiàn)和意識意識相關(guān)，所以那些量子過程很可能是我們認(rèn)知和意識大腦功能的一個重要部分?！?br>“量子大腦過程可以解釋為什么我們在遇到不可預(yù)見的情況、決策或?qū)W習(xí)新事物時仍然可以勝過超級計算機。”
這篇論文表明，人類大腦實際上與量子計算機有很多共同之處，人類大腦可能是一臺超級量子計算機！
不管人類的大腦是量子計算機還是普通計算機，都存在以下問題：
人腦計這臺算機，在工作的時候電從何而來？
如何產(chǎn)生電信號？
在回答這兩個問題前，我們先來看看日常生活中常用的電子產(chǎn)品的電源情況。
1、臺式設(shè)備，如臺式電腦。這類設(shè)備往往體積較大，功耗較大，它們通常使用外部供電的方式，設(shè)備通過電源線連接外部電源如220V。外部供電使用方便，只需要提供一個外部接口，即插即用，適合大功率設(shè)備；缺點為外部斷電后無法工作。
2、手持設(shè)備，如手機。這類設(shè)備往往體積較小，功耗較小，它們通常使用內(nèi)部電池供電的方式，如使用鋰電池。內(nèi)部電池供電的最大優(yōu)點是不受位置限制，可以隨意移動設(shè)備位置；缺點為工作時間收到電池電量限制，需要定期充電。
人腦既沒有外部供電的接口，也沒有內(nèi)部儲能的電池，因此人腦不使用外部供電模式，也不是使用電池供電模式。那么人腦計算機的用從何而來？
相信大家都還記得中學(xué)化學(xué)里的原電池實驗，下圖是一個原電池實驗的原理圖。
左邊電極是鋅（負(fù)極），右邊電極是銅（正極），電解液分別是CuSO4溶液和ZnSO4溶液。整個電路連通后，正負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)，電子沿著外電路移動，最終形成電流。
原電池反應(yīng)是放熱反應(yīng)，一般為氧化還原反應(yīng)。還原劑在負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電子通過外電路輸送到正極上，氧化劑在正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，從而完成還原劑和氧化劑之間電子的轉(zhuǎn)移。兩極之間溶液中離子的定向移動和外部導(dǎo)線中電子的定向移動構(gòu)成了閉合回路，使兩個電極反應(yīng)不斷進行，發(fā)生有序的電子轉(zhuǎn)移過程，產(chǎn)生電流。
人腦計算機運用了類似的原理產(chǎn)生電能。
下圖是神經(jīng)元細胞和其工作環(huán)境，神經(jīng)元細胞在富含鈉離子的細胞外液中，神經(jīng)元內(nèi)部充滿了富含鉀離子的細胞液，神經(jīng)元的細胞膜將細胞液和細胞外液隔離開。
細胞的內(nèi)外液是富含各種離子的鹽溶液，這些鹽溶液構(gòu)成了人腦神經(jīng)系統(tǒng)的導(dǎo)電環(huán)境。
神經(jīng)元細胞的內(nèi)外液的主要成分是水（H2O）,水分子有一個重要的特性：不均衡的電荷分布。這種特性使得水是一種良好的溶劑，也就是說其他帶電的或極性分子易溶于水。
帶凈電荷的原子或分子稱為離子，帶正電的離子稱為陽離子，帶負(fù)電的離子稱為陰離子。在神經(jīng)系統(tǒng)中，離子作為電傳導(dǎo)的主要電荷載體。
神經(jīng)元細胞的內(nèi)外液是富含離子的鹽溶液。對于神經(jīng)系統(tǒng)而言，重要的離子有：單價陽離子Na+和Ka+,二價陽離子Ca2+,單價陰離子Cl- 。
由于水是極性分子，電荷不均勻的物質(zhì)可以溶于水，如離子和極性分子，這個物質(zhì)稱為親水性物質(zhì)。當(dāng)分子內(nèi)部電荷分布均勻時形成非極性共價鍵，這些物質(zhì)不溶于水，稱之為疏水性物質(zhì)，我們熟知的油就不溶于水。另外脂質(zhì)也是非溶于水的物質(zhì)，它們是構(gòu)成細胞膜的重要成分。
細胞膜的主要化學(xué)構(gòu)件是磷脂，磷脂有一個親水性的極性“頭”和一個疏水性的非極性“尾”。神經(jīng)元的細胞膜由兩層磷脂構(gòu)成，這種穩(wěn)定的排列稱為磷脂雙層，它可以有效的把神經(jīng)元細胞內(nèi)液和細胞外液分隔開。
神經(jīng)元細胞膜上分布著多種跨膜蛋白（橫跨磷脂雙層細胞膜的蛋白質(zhì)），這些跨膜蛋白有不同的種類，不同的大小，不同的形狀，它們有著不同的功能。動作電位和靜息電位的產(chǎn)生依賴于這些跨膜蛋白，這些蛋白是離子跨膜轉(zhuǎn)運的途徑。
這些跨膜蛋白組成了兩個重要的構(gòu)件：離子通道和離子泵。離子通道重要作用是離子選擇性，離子泵的重要作用是跨膜運轉(zhuǎn)某些離子。
神經(jīng)元細胞內(nèi)外液是富含離子的鹽溶液，這些離子在神經(jīng)元細胞內(nèi)外運動產(chǎn)生電信號，在離子運動過程中有兩種有效運動：擴散和輸送。
當(dāng)離子通道打開時離子會從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域移動，這就是擴散運動，這個過程是自發(fā)的不需要消耗能量。
離子泵主動將離子轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi)部，這就是輸送，這個過程消耗能量。
神經(jīng)元細胞內(nèi)外液都是富含離子的鹽溶液，細胞膜將細胞外液和細胞內(nèi)液隔開，跨膜蛋白組成的離子泵可以將一價陽離子Na+運到神經(jīng)元細胞外部，使得神經(jīng)元細胞內(nèi)液的Na+離子濃度低于細胞外液的Na+離子濃度，最終導(dǎo)致神經(jīng)元細胞內(nèi)部為負(fù)電位，我們將這個負(fù)電位稱為靜息膜電位。
當(dāng)神經(jīng)元細胞接受到信號后離子通道打開，由于細胞外液的Na+離子濃度高，外部的Na+離子通過離子通道擴散到細胞內(nèi)部，使得細胞內(nèi)的電位由負(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，從而生成一個動作電位。示意圖如下：
離子在神經(jīng)元細胞中的運動產(chǎn)生了靜息膜電位和動作電位，在整個過程中離子泵和離子通道發(fā)揮了重要作用!
神經(jīng)元細胞膜上的離子泵的作用就是形成離子濃度梯度。在神經(jīng)系統(tǒng)中有兩種重要的離子泵：納-鉀泵 和鈣泵。
鈉-鉀泵是一種酶，在神經(jīng)元細胞膜內(nèi)鈉離子存在的情況下可以降解三磷酸腺苷(ATP)，該反應(yīng)釋放化學(xué)能驅(qū)動鈉-鉀泵，使得神經(jīng)元細胞膜內(nèi)的Na+離子和Ka+離子交換。鈉-鉀泵的作用是確保Ka+離子富集于神經(jīng)元內(nèi)，Na+離子富集于神經(jīng)元外。
鈣泵也是一種酶，將神經(jīng)元內(nèi)Ca2+離子轉(zhuǎn)運到外部，使得神經(jīng)元內(nèi)的Ca2+離子濃度將至非常低的水平。
離子泵的工作確保了離子濃度的建立和維持。離子泵使得神經(jīng)元細胞內(nèi)部富集陰離子，神經(jīng)元外部富集陽離子，產(chǎn)生了靜息膜電位。離子泵使得神經(jīng)元的膜內(nèi)外表面呈現(xiàn)不均勻的電荷分布，但是整個神經(jīng)元細胞內(nèi)液和外液是電中性的。
離子通道是有跨膜蛋白質(zhì)分子組成，一個典型的功能性跨膜通道需要4~6個相似的蛋白質(zhì)分子聚合，并在其中央形成以個孔道，這個孔道就是水溶性物質(zhì)進出神經(jīng)元細胞的通道。
離子通道的一個重要特性就是離子選擇性，一種離子通道幾乎只讓一種離子通過，而另一些離子則不容易通過該種通道。例如鈉離子通道開放時，鈉離子可通過，而其他離子則不能通過。
離子通道的一個重要特性就是門控，此性能可以控制通道的開放和關(guān)閉。因此離子通道存在兩種狀態(tài)：開放和關(guān)閉。多數(shù)情況下離子通道處于關(guān)閉狀態(tài)，只在特定條件下離子通道才開放。通道由關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)為開放的過程稱為激活，由開放轉(zhuǎn)為關(guān)閉狀態(tài)的過程稱為失活。
鈉離子通道全稱為電壓門控鈉通道，通道蛋白質(zhì)在膜上形成一個對鈉離子有高度選擇性的孔道，電壓門控納通道有如下特征：
1、離子通道開放有短暫的延時
2、離子通道開放的時間約為1ms
3、離子通道開發(fā)后失活（關(guān)閉）
4、當(dāng)膜電位恢復(fù)到閾值附近時，離子通道才能被激活，再次打開。
神經(jīng)元細胞中的離子泵和離子通道建立了人腦計算機的導(dǎo)電環(huán)境，接下來我們一起看看離子泵和離子通道這對“臥龍鳳雛”是如何產(chǎn)生人腦計算機的工作信號：動作電位。
在靜息情況下神經(jīng)元的胞內(nèi)電位相對胞外為負(fù)電位，動作電位就是這一電位狀態(tài)的快速翻轉(zhuǎn)，即在很短的時間內(nèi)神經(jīng)元胞內(nèi)電位相對胞外為正電位，動作電位通常指代神經(jīng)沖動。
可以將微電極插入神經(jīng)元胞體或軸突，測量胞內(nèi)電極和神經(jīng)元胞外溶液中參考（接地）之間的電位差，兩個電極連到一個信號放大器上，使用示波器來觀測電位變化。
動作電位的實測波形如下：
動作電位可以分為以下兩個部分：
1、上升相，其特征是神經(jīng)元快速去極化，使得膜電位從負(fù)電位上升到月+40mV。
2、下降相，其特征是神經(jīng)元快速恢復(fù)極化，使得膜電位從正電位下降到負(fù)電位。
在上升相中，膜電位超過0mV以上的部分稱為超射，在下降相中膜電位低于靜息電位的部分稱為回射。
動作電位實際上是離子泵和離子通道共同協(xié)作的結(jié)果，那這對“臥龍鳳雛”是如何做到的呢？
神經(jīng)元細胞沒有受到刺激，此時鉀離子通道和鈉離子通道均關(guān)閉，離子泵轉(zhuǎn)運Ka+離子和Na+離子，使得神經(jīng)元細胞內(nèi)部富集陰離子，神經(jīng)元外部富集陽離子，神經(jīng)元內(nèi)為負(fù)電位。
神經(jīng)元細胞受到刺激，此時鈉離子通道開啟，由于神經(jīng)元胞外的鈉離子濃度較高，因此大量鈉離子流入神經(jīng)元細胞內(nèi)，使得神經(jīng)元細胞內(nèi)的電位上升。
此時神經(jīng)元胞內(nèi)電位為正，鈉離子通道關(guān)閉，鉀離子通道打開，由于細胞內(nèi)鉀離子濃度較高，因此大量鉀離子流入神經(jīng)元細胞外，使得神經(jīng)元細胞內(nèi)的電位下降。
此時神經(jīng)元胞內(nèi)電位為負(fù)，鈉離子濃度偏高，鉀離子濃度偏低，離子泵將Ka+離子轉(zhuǎn)運到神經(jīng)元內(nèi)，將Na+離子富轉(zhuǎn)運到神經(jīng)元外，電位基本不變。
描述上一節(jié)講到了動作電位的產(chǎn)生，接下來我將在建立幾個模型，通過對模型的分析，我們將不得不感嘆神經(jīng)元細胞設(shè)計的精妙。
按照一般的思維，只需要一種鈉離子泵，負(fù)責(zé)將鈉離子轉(zhuǎn)運到神經(jīng)元細胞外，然后只需要一種鈉離子通道讓將神經(jīng)元細胞外的鈉離子進入細胞內(nèi)部，產(chǎn)生動作電位。
但是這種設(shè)計存在一個問題，假設(shè)神經(jīng)元細胞處于靜息狀態(tài)，此時神經(jīng)元受到刺激，離子通道開啟后鈉離子因為濃度差快速進入神經(jīng)元細胞內(nèi)，電位迅速上升，然后鈉離子通道關(guān)閉，離子泵開始轉(zhuǎn)運鈉離子，但是由于離子泵轉(zhuǎn)運速度比較慢，所以導(dǎo)致下降相非常慢，如下圖所示t2遠遠大于t1,最終導(dǎo)致一個動作電位時間較長。這會造成神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位的最短時間變大，例如目前人腦的神經(jīng)元每1ms都能生成一個動作電位，如果只有一個離子通道的神經(jīng)元每10ms才能生成一個動作電位，這將導(dǎo)致人腦的反應(yīng)速度降低90%！
因此神經(jīng)元使用兩種不同種類的離子和兩種不同種類的離子通道是一個非常精妙設(shè)計！
現(xiàn)在的神經(jīng)元細胞的離子泵可以同時轉(zhuǎn)運鈉離子和鉀離子，這樣會使得兩種離子濃度等比例改變。
假設(shè)現(xiàn)在是兩種離子泵，每種離子泵只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運一種離子，如果每個神經(jīng)元上的兩種離子泵的數(shù)量不能比例不一樣那么，那么將導(dǎo)致靜息電位不一致。由此可見現(xiàn)在的神經(jīng)元細胞的離子泵可以同時轉(zhuǎn)運鈉離子和鉀離子是一種非常精妙的設(shè)計！
人腦內(nèi)部并沒有一個專門的器官或組織產(chǎn)生電能，而是神經(jīng)元上的離子通道和離子泵通過完美的協(xié)作，維持導(dǎo)電環(huán)境和產(chǎn)生電信號。人腦實際上使用的是分布式供電模式，就是說人腦內(nèi)部的每個神經(jīng)元自己產(chǎn)生和維持導(dǎo)電環(huán)境。
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