Que fait votre cerveau en ce moment lorsque vous lisez cette note ? Comment comprenez-vous l’information et en même temps remarquez-vous votre environnement, vos perceptions et vos sentiments ? Deux études récentes menées à l’Institut des neurosciences du Trinity College de Dublin, en Irlande, suggèrent que la réponse à ce mystère pourrait résider dans la physique quantique. Les études, publiées dans le Journal of Physics Communications, indiquent que nos cerveaux pourraient fonctionner comme des ordinateurs quantiques.
Malgré les progrès des études sur le cerveau, la réponse à la question de savoir ce qu’est la conscience et comment elle surgit reste un mystère.
Deux études récentes menées à l’Institut des neurosciences du Trinity College de Dublin, en Irlande, suggèrent que la réponse à ce mystère pourrait résider dans la physique quantique.
Dans le monde quantique, les certitudes de la physique classique cèdent la place à une dimension de probabilités. Et des phénomènes qui peuvent sembler étranges sont également enregistrés, comme la connexion entre des objets même lorsqu’ils sont éloignés.
Les deux études, publiées dans la revue , indiquent que nos cerveaux pourraient fonctionner comme des ordinateurs quantiques.
Si les résultats des chercheurs sont confirmés, ils pourraient aider à comprendre non seulement le fonctionnement du cerveau, mais aussi ce qui se passe en cas de déclin cognitif dû à l’âge ou à la maladie.
classique contre quantum
Dans le domaine de la physique classique, qui comprend tout, d’une table aux planètes, les objets ont des emplacements et des vitesses définis.
Dans la physique de l’infiniment petit, l’échelle quantique, en revanche, les particules n’ont pas d’emplacements fixes, mais une probabilité qu’elles existent à un certain endroit et à un certain moment.
À cette échelle, il y a aussi ce qu’on appelle l’intrication quantique, un phénomène qui se produit lorsque deux particules sont tellement connectées que ce qui arrive à l’une affecte immédiatement l’autre, quelle que soit leur distance.
« La physique traditionnelle est chargée d’expliquer les effets macroscopiques que nous observons », a déclaré au scientifique espagnol David López Pérez, docteur en neurosciences et co-auteur des deux études.
« La physique quantique est généralement probabiliste car nous ne pouvons jamais savoir avec certitude ce qu’une chose particulière deviendra. »
David López Pérez est docteur en neurosciences et co-auteur des deux études.
En quoi consistait l’expérience ?
Dans la première des études, López Pérez et le co-auteur Christian Kerskens du Trinity College ont utilisé des appareils d’IRM modifiés pour scanner le cerveau de 40 personnes.
Pour l’imagerie par résonance magnétique (IRM), des aimants puissants provoquent l’alignement des particules magnétiques dans le corps dans la même direction. Le mouvement de la matière à l’intérieur du corps peut alors être observé.
Dans le cas de l’étude, ce que les scientifiques ont observé dans le scanner était le comportement des protons dans le cerveau.
« Le cerveau contient beaucoup d’eau. En imagerie par résonance magnétique, un signal est envoyé, une impulsion pour que les protons dans l’eau deviennent excités, puis reviennent à leur position d’origine », a expliqué López Pérez.
« C’est comme quand on fait une fête. Ils se parlent tous et soudain le DJ joue la musique que tout le monde aime et tout le monde se tourne vers le DJ pour écouter la musique. Et quand cette musique se termine, tout le monde retourne à ce qu’il faisait. C’est ce qu’on fait dans les résonances magnétiques pour mesurer les protons de l’eau ».
Les scientifiques ont découvert dans cette expérience qu’un enchevêtrement quantique a été enregistré entre les protons dans le cerveau.
« Les protons interagissent les uns avec les autres, c’est comme s’ils étaient là séparés et soudain une relation s’établit. »
«L’expérience est quelque chose qui n’avait pas été fait jusqu’à présent, car ce que nous avons fait, c’est saturer le signal. C’est comme si le DJ jouait la meilleure musique tout le temps et qu’il y avait toujours des gens qui le regardaient. C’est à ce moment-là que nous voyons ces effets.
Illustration du phénomène d’intrication quantique. « Les protons (dans le cerveau) interagissent les uns avec les autres, c’est comme s’ils étaient là séparés et soudain une relation s’établit. »
Qu’est-ce que cet enchevêtrement a à voir avec la conscience ?
Pour explorer le fonctionnement du cerveau, les chercheurs ont appliqué un outil développé dans le passé pour tenter de tester un phénomène appelé « gravité quantique ».
Cet outil souligne que lorsqu’il existe deux systèmes quantiques connus interagissant avec un système inconnu, si les systèmes connus sont intriqués, alors l’inconnu doit également être un système quantique.
« Cela évite les difficultés de trouver des appareils de mesure pour quelque chose dont nous ne savons rien », a expliqué Kerskens.
Dans l’expérience IRM, les systèmes connus sont les protons intriqués. Et le système inconnu avec lequel ils interagissent est la fonction cérébrale.
« Nous affirmons que les protons sont intriqués parce qu’il y a une fonction qui médiatise cet enchevêtrement, et pour nous cette fonction est la conscience qui agit comme médiateur », a déclaré López Pérez.
« Nous ne pouvons pas le mesurer directement, mais nous mesurons les protons. »
Le scientifique a expliqué que « la gravité quantique est un monde purement théorique qui n’a pas encore été expliqué expérimentalement, qui veut unir deux théories qui ne sont pas compatibles a priori (la mécanique quantique et la théorie de la relativité). Pour cela, ils ont créé la figure du graviton, qui est quelque chose dont on ne sait pas comment il est mais qui serait le pont entre les deux théories ».
« C’est comme si nous avions deux personnes d’opinions politiques différentes qui ne sont pas capables de parvenir à un quelconque accord, qui grâce à un négociateur peuvent mettre leurs divergences de côté et s’asseoir pour discuter. »
«Dans le cerveau, nous proposons quelque chose de similaire. Nous proposons que la façon dont notre signal IRM fonctionne ne peut pas être expliquée de manière classique. »
« Nous voyons les protons s’enchevêtrer, mais nous ne savons ni comment ni pourquoi. Eh bien, ce que nous avons fait, c’est prendre les idées de la gravité quantique et proposer qu’il y ait un médiateur dans ce processus qui permette que cela se produise. Ce médiateur pour nous, c’est la conscience.
Les scientifiques ont commencé à réfléchir à la relation avec la conscience due à un patient qui s’est endormi.
«Au début, nous ne pensions pas qu’il y avait un rapport avec la conscience. Cette idée nous est venue d’un participant qui s’est excusé de s’être endormi dans le scanner », a déclaré López Pérez.
«Nous avons observé comment le signal se dégradait au moment où le participant s’endormait à l’intérieur du scanner pour réapparaître au moment où il se réveillait. Puis nous avons commencé à penser qu’il y avait la possibilité d’une relation avec l’état conscient du participant.
« C’est la seule explication que nous avons trouvée, mais nous devons reproduire l’expérience et mener une étude plus poussée qui nous permette de démontrer ce qui a été présenté dans les deux études que nous avons récemment publiées. »
Dans la deuxième expérience, des images de résonance magnétique ont été obtenues à partir de deux groupes de patients différenciés par l’âge.
le rôle du coeur
Les scientifiques ont également observé une relation entre le signal d’intrication et la fonction cardiaque.
« Notre signal est très sensible à toute perturbation et le signal qui vient du cœur interrompra sûrement l’entrelacement et c’est pourquoi notre signal ressemblait à celui d’un électrocardiogramme », a déclaré López Pérez.
Le scientifique a expliqué que le signal d’intrication est très sensible.
« Si vous êtes dans l’IRM et que vous bougez, le signal est perdu. »
«Et ce que fait le cœur, c’est qu’il envoie du sang tout le temps. Lorsque le sang pénètre dans le cerveau, il se dilate et se contracte. Lorsqu’il se dilate, le flux céphalo-rachidien sort et le sang entre. Quand il se contracte, le sang sort et le liquide revient.
« Nous pensons donc que ce mouvement est ce qui génère le changement de signal, car nous perdons cette relation quantique à cause du mouvement pendant un très bref instant. »
Les scientifiques ont attaché un moniteur de fréquence cardiaque aux doigts des participants pour mesurer le flux sanguin.
« Nous avons constaté que les changements dans le signal d’intrication et le rythme cardiaque étaient couplés assez temporellement – ils étaient synchronisés. »
Quelles applications futures la recherche peut-elle avoir ?
Dans une seconde étude, les chercheurs ont montré que les signaux d’intrication dépendaient également de l’âge des participants.
Dans cette deuxième expérience, des images de résonance magnétique ont été obtenues à partir de deux groupes de patients différenciés par l’âge. L’un d’eux avait des personnes de 18 à 30 ans, et un autre des personnes de 65 ans ou plus.
« Ce que nous avons vu, c’est qu’avec l’âge, il y avait des changements assez importants dans le signal. »
« C’est quelque chose que nous ne pouvons toujours pas expliquer. Nous avons également fait un projet pilote avec quelques patients souffrant de dépression. Ils étaient peu nombreux, mais il semblait que les signes étaient aussi différents ».
« Alors qu’est-ce qui se passe là-bas avec l’entrelacement? Est-ce que ces communications cérébrales ne fonctionnent plus bien ?
« Nous savons qu’avec l’âge, il y a de nombreux changements structurels dans le cerveau, il devient plus petit, la pression artérielle augmente, le flux sanguin change. »
« Peut-être qu’à l’avenir, ces études pourront être utilisées pour générer une sorte de médicament. »
Kerstens a noté que « parce que les fonctions cérébrales ont également été corrélées aux performances et à la conscience de la mémoire à court terme, il est probable que les processus quantiques constituent une partie importante de nos fonctions cérébrales cognitives et conscientes ».
David López Pérez: «Je crois que si nous voulons comprendre le cerveau, nous devons descendre à l’échelle quantique».
cerveau quantique
Les chercheurs notent que la prochaine étape consiste à mener des études à plus grande échelle.
«Ce que nous essayions de faire avec les expériences était essentiellement de prouver que le cerveau peut se comporter de manière quantique. Nous voulions mettre des preuves physiques de quelque chose dont on parle depuis de nombreuses années. Parce que des conjectures ont été faites que le cerveau peut être quantique depuis l’époque où la mécanique quantique a commencé, dans les années 1930 ou 1940 », a déclaré López Pérez.
« Mais personne n’a été en mesure de le prouver. »
« Dans l’étude, ce que nous essayons de faire, c’est de rejeter continuellement la physique classique pour prouver qu’en fin de compte, le cerveau se comporte de manière quantique. »
Le scientifique espagnol a souligné que la physique classique peut expliquer de nombreux aspects du cerveau, tels que les modifications du flux sanguin ou l’activation des neurones.
« Mais la conscience, par exemple, est quelque chose qui n’est pas compris. »
« Je pense que si nous voulons comprendre le cerveau, nous devons descendre d’un niveau sur l’échelle quantique. »
«Avec cette étude, nous espérons faire notre part dans le domaine des neurosciences et suivre une voie de recherche (le monde quantique). Jusqu’à présent, il avait été théorisé à ce sujet (bien que pour beaucoup ce type d’entrelacement ne puisse pas exister dans un corps chaud et humide tel que notre cerveau), mais aucune preuve scientifique comme celle que nous présentons n’avait été trouvée.
Pour Kerstens, « les processus cérébraux quantiques pourraient expliquer pourquoi nous pouvons encore surpasser les superordinateurs en ce qui concerne les circonstances imprévues, la prise de décision ou l’apprentissage de quelque chose de nouveau. Nos expériences… peuvent éclairer les mystères de la biologie et de la conscience. »