Orch OR („Orchestrated Objective Reduction“) je teorie vědomí předložená v polovině 90. let britským teoretickým fyzikem Sirem Rogerem Penrosem a americkým anesteziologem Stuartem Hameroffem. Zatímco některé teorie předpokládají, že vědomí se vynoří z mozku, a některé z nich předpokládají, že mysl se vynoří ze složitého výpočtu na úrovni synapsí mezi mozkovými neurony, Orch OR zahrnuje specifickou formu kvantového výpočtu, která je základem těchto neuronálních synaptických činností. Navrhované kvantové výpočty se vyskytují ve strukturách uvnitř mozkových neuronů zvaných mikrotubuly.
Úvod do…
Matematická formulace…
Schrödingerova rovnice
Pauliho rovnice
Kleinova-Gordonova rovnice
Diracova rovnice
Kvantová teorie pole
Kvantová elektrodynamika
Kvantová chromodynamika Kvantová gravitace
Feynmanův diagram
Mezitím Roger Penrose, známý svou prací v relativitě, kvantové mechanice, geometrii a dalších disciplínách, dospěl ze zcela odlišných důvodů k závěru, že výpočetní přístupy umělé inteligence jsou nedostatečné pro vysvětlení vědomí. Ve své knize z roku 1989 „Císařova nová mysl“ použil Penrose větu Kurta Gödela k tvrzení, že lidské vědomí a porozumění vyžaduje faktor mimo algoritmické výpočty a že chybějící „nepočitatelný“ faktor souvisí se specifickým typem kvantového výpočtu zahrnujícím to, co nazval „objektivní redukcí“ („OR“), jeho řešení problému měření v kvantové mechanice.
Penrose považoval superpozici za separaci v základní realitě na její nejzákladnější úrovni, Planckově stupnici. Spojil kvantovou superpozici s obecnou relativitou a identifikoval superpozici jako zakřivení prostoročasu v opačných směrech, tedy separaci v základní prostoročasové geometrii. Nicméně podle Penrose jsou taková separace nestabilní a sníží se na objektivním prahu, čímž se vyhne více vesmírům.
Práh pro Penroseovo OR je dán neurčitým principem E=ħ/t, kde E je gravitační samoenergie (tj. stupeň prostoročasové separace daný superpoziciovanou hmotností), ħ je Planckova konstanta lomeno 2π a t je čas, než OR nastane. Tudíž čím větší superpozice, tím rychleji podstoupí OR a naopak. Malé superpozice, např. elektron oddělený od sebe samého, pokud by byl izolován od prostředí, by potřeboval 10 milionů let k dosažení prahu OR. Izolovaný objekt o hmotnosti jednoho kilogramu (např. Schrodingerova kočka) by dosáhl prahu OR za pouhých 10-37 sekund. Penroseovo OR se v současné době testuje.
Základním rysem Penroseova OR je, že volba stavů, kdy OR nastane, není vybrána ani náhodně (jako volby po měření nebo dekherenci), ani zcela algoritmicky. Stavy jsou spíše vybírány „nevypočítatelným“ vlivem zahrnujícím informace zakotvené v základní úrovni geometrie prostoročasu na Planckově stupnici. Penrose navíc tvrdil, že taková informace je platónská, reprezentující čistou matematickou pravdu, estetické a etické hodnoty. Platón navrhl takové čisté hodnoty a formy, ale v abstraktní sféře. Penrose umístil platónskou sféru do Planckovy stupnice.
V Císařově nové mysli Penrose naznačil, že vědomí vyžaduje formu kvantového výpočtu v mozku.
Kvantové výpočty navrhli Paul Benioff, Richard Feynman a David Deutsch v 80. letech 20. století. Myšlenka je taková, že klasická informace, např. bitové stavy buď 1 nebo 0, by také mohly být kvantovými superpozicemi 1 i 0 (kvantové bity, nebo qubity). Takové qubity interagují a počítají nelokálním kvantovým provázáním, nakonec jsou měřeny/pozorovány a redukovány na konečné stavy jako řešení. Ukázalo se, že kvantové výpočty mají obrovskou kapacitu, pokud by mohly být konstruovány např. pomocí qubitů iontových stavů, elektronového spinu, fotonové polarizace, proudu v Josephsonově spojnici, kvantových teček atd. Během kvantového výpočtu musí být qubity izolovány od interakce s prostředím, aby nedošlo ke ztrátě superpozice, tj. „dekherence“.
Penrose tvrdil, že kvantové výpočty, které nejsou ukončeny měřením, ale jeho verzí objektivní redukce, představují vědomí (umožňující platónské nevypočítatelné vlivy). Penrose neměl žádné jednoznačné biologické qubity pro takové kvantové výpočty pomocí OR, kromě toho, že naznačoval možnost superpozic neuronů jak „střílet, tak nestřílet“.
Hameroff si přečetl Císařovu novou mysl a naznačil Penroseovi, že mikrotubuly uvnitř neuronů jsou pro kvantové výpočty s OR vhodnější než superpozice neuronálních výbojů. Oba se potkali počátkem 90. let a začali rozvíjet teorii dnes známou jako Orch OR. „Orch“ označuje orchestraci, tedy způsob, jakým biologické podmínky včetně neuronálních událostí na synaptické úrovni poskytují zpětnou vazbu pro ovlivnění kvantových výpočtů s OR v mikrotubulech.
Pro biologické qubity Penrose a Hameroff zvolili konformační stavy proteinů tubulinové podjednotky v mikrotubulech. Tubulinové qubity by interagovaly a počítaly by provázaností s jinými tubulinovými qubity v mikrotubulech ve stejných a různých neuronech.
Bylo známo, že tubulinový protein ve tvaru arašídu se ohýbá o 30 stupňů, což dává dva různé konformační tvary. Nicméně část kritiky modelu od vědců zabývajících se mikrotubuly se soustředila kolem skutečnosti, že podjednotky na vnitřní straně mikrotubulu se nacházejí pouze ve stavu vázaném na HDP, zatímco ve stavu vázaném na GTP se nacházejí pouze volný tubulin a tubulin na konci polymerizujícího mikrotubulu. Mohly by takové různé stavy existovat jako superpozice, a pokud ano, jak? P&H zvažoval tři možné typy superpozic tubulinu: separaci na úrovni celého proteinu, separaci na úrovni atomových jader jednotlivých atomů v proteinech a separaci na úrovni protonů a neutronů (nukleonů) v proteinu. Výpočet gravitační samoenergie E těchto tří typů, separace na úrovni atomových jader měla nejvyšší energii a byla by dominantním faktorem. P&H vypočítal E pro superpozici/separaci jednoho tubulinového qubitu na úrovni atomových jader ve všech aminokyselinách proteinu. Poté to vztáhli k elektrofyziologii mozku
Při použití neurčitého principu E=ħ/t pro OR použil P&H pro t 25 msec a vypočítal E jako počet tubulinů (protože E bylo známé pro jeden tubulin). Proto se ptali: kolik tubulinů by muselo být v izolované superpozici, aby bylo dosaženo OR prahu za 25 msec, 40 krát za sekundu, což odpovídá celomozkovým efektům na úrovni membrány? Ukázalo se, že odpověď je 2 x 1011 tubulinů.
Na jeden neuron připadá zhruba 107 tubulinů. Pokud by byly zapojeny všechny tubuliny v mikrotubulech v daném neuronu, odpovídalo by to 2 x 104 (20 000) neuronům. Protože jsou však dendrity zjevně více zapojeny do vědomí než axony (které obsahují mnoho mikrotubulů) a protože ne všechny mikrotubuly v daném dendritu jsou pravděpodobně zapojeny v jednom okamžiku, odhad řekněme 10% zapojení dává 200 000 neuronů zapojených do vědomí každých 25 msec. Tyto odhady (20 000 až 200 000 neuronů) velmi dobře zapadají do jiných konvenčnějších přístupů naznačujících, že desítky až stovky tisíc neuronů jsou zapojeny do vědomí v jednom okamžiku.
Jak by se kvantové superpozice mikrotubulů vyhnuly environmentální dekherenci? Je známo, že uvnitř buněk se střídají kapalné fáze (roztok: „sol“) a kvazipevné fáze (želatinový: „gel“) v důsledku polymerizačních stavů všudypřítomného proteinu aktinu. V gelové fázi polymerizované aktinem jsou na aktinových površích uspořádány buněčná voda a ionty, takže mikrotubuly jsou vloženy do vysoce strukturovaného (tj. ne-náhodného) média. Je také známo, že tubuliny mají C termini „ocásky“, negativně nabité peptidové sekvence rozšiřující se řetězcovitě z tubulinového těla do cytoplazmy, přitahující pozitivní ionty a tvořící plazmovou Debyeovu vrstvu, která může také stínit mikrotubulové kvantové stavy. Nakonec bylo navrženo, aby tubuliny v mikrotubulech byly koherentně pumpovány laserem do kvantových stavů biochemickou energií (jak navrhoval Herbert Frohlich).
Cyklus aktinové gelace s událostmi 40 Hz umožňuje vstup do izolovaných kvantových stavů mikrotubulů a výstup z nich. Během klasických, kapalných fází aktinové depolymerizace by tedy vstupy z membránových/synaptických vstupů mohly „orchestrovat“ stavy mikrotubulů. Když dojde k aktinové gelaci, následuje kvantová izolace a výpočet, dokud není dosaženo OR prahu a aktin se depolymerizuje. Výsledkem každé OR události (pokud jde o vzorce stavů tubulinu) by byla organizace intraneuronálních aktivit včetně axonálního výpalu a synaptické modulace/učení. Každá OR událost (např. 40 za sekundu) je navržena jako vědomá událost, která z filozofického hlediska odpovídá tomu, co filozof Alfred North Whitehead nazval „příležitosti prožitku“.
Jedním z důsledků Orchova OR modelu je tedy to, že vědomí je posloupnost diskrétních událostí, nikoliv kontinuum. Přesto je vědomá zkušenost subjektivně nepřerušovaná, analogická k filmu, který se pozorovatelům jeví jako kontinuální, přestože se jedná o sérii snímků. Rozdíl je v tom, že v Orchově OR je každá vědomá událost sama o sobě vlastním subjektivním pozorováním. Navíc frekvence vědomých událostí se může lišit, 40 Hz je průměr. Pokud je někdo vzrušený a vědomé události se objevují častěji (např. při 60 Hz), pak se subjektivně vnější svět zdá pomalejší, jak velcí sportovci hlásí během špičkového výkonu. Při E=ħ/t odpovídají častější vědomé události většímu E, tedy více tubulinů/neuronů na vědomé události a větší intenzitě prožitku. Tak může existovat spektrum vědomých událostí, podobně jako u fotonů. Existuje spektrum vědomých kvantových událostí od delší vlnové délky, událostí s nízkou intenzitou (velké t, nízké E) a kratší vlnové délky, událostí s vyšší intenzitou (malé t, velké E).
Orch OR byl vyvinut v roce 1994 a poprvé publikován v letech 1995 a 1996 s navazujícími články v letech 1998 a 2001. Byl přijat se směsicí skepse a nadšení, přičemž ti, kteří jsou v souladu s A.I., jsou obzvláště kritičtí. Je zde několik zřejmých otázek:
Některé důkazy skutečně podporují pojem metabolických tepelně čerpaných kvantových stavů v biologii.[Jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text] Kvantový spinový přenos přes organické benzenové molekuly (jejichž nepolární aromatický kruh je v podstatě totožný s fenylalaninovými a tyrosinovými kruhy v hydrofobních kapsách tubulinu) se zvyšuje se zvýšenou teplotou. Vzhledem k tomu, že kvantové výpočty by byly výhodné pro přežití organismů, zdá se logické, že se vyvinuly mechanismy, jak se vyhnout dekherenci při biologické teplotě.
Některé léky jako kolchicin (používaný při léčbě dny) a vinkristin (používaný při léčbě rakoviny) mikrotubuly depolymerizují. Proč nezpůsobují ztrátu vědomí?
Kolchicin ovlivňuje mikrotubuly v imunitních buňkách, které jsou zodpovědné za pohyb, a v maligních buňkách vinkristin ovlivňuje mitotické vřetenní mikrotubuly, které jsou zodpovědné za mitózu. V obou případech léky ovlivňují mikrotubuly, které aktivně polymerizují a depolymerizují. V mozkových neuronech jsou však mikrotubuly stabilní a uzavřené, což zabraňuje depolymerizaci. Navíc tyto léky nepřekračují hematoencefalickou bariéru a nezískávají přístup do mozku.
Pokud se izolované kvantové výpočty vyskytují v mikrotubulech uvnitř neuronů, jak by mohly vstupy a výstupy do událostí na úrovni neuronů překlenout izolaci, aniž by to způsobilo dekherenci?
Střídavé fáze 1) kvantové izolace/výpočtu aktinového gelu a 2) cyklu kapalných klasických stavů s gama synchronními dendritickými událostmi EEG membrány. Výsledky každého Orchova OR jevu ve stavech tubulinu působí klasickou signalizací k regulaci neuronálních funkcí.
Jak by mohly kvantové stavy v mikrotubulech v jednom neuronu interagovat/počítat s těmi v jiných neuronech v celém mozku?
V roce 1998 Hameroff navrhl, že kvantové stavy by se mohly šířit mezi mikrotubuly přes elektrotonické mezerové spoje, okna mezi sousedními neurony a glie. V té době byly mezerové spoje považovány za vzácné a nedůležité ve zralých mozcích. Od roku 1999 se však ukázalo, že mezerové spoje jsou široce rozšířené a tvoří syncytii („hyperneurony“) neuronů a glií v celém mozku. Navíc mezerové spoje kortikálních sítí zprostředkovávají gama synchronní EEG, nejlepší elektrofyziologický korelát vědomí.
Kvantové stavy se také mohou šířit prostřednictvím fotonů v kvantovém poli (jak navrhovali Jibu, Yasue a Hagan v roce 1995) generovaných v mikrotubulech a/nebo primárních ciliích v pyramidových buněčných dendritech.
Jak souvisí nevědomí s Orchem OR?
Nevědomý, předvědomý, podvědomý obsah patrný ve snech stejně jako jungovský, freudovský a mystický přístup se může projevit jako kvantová informace, která se s každým vědomým okamžikem redukuje na klasickou informaci.
Může Orch OR vysvětlit rysy vědomí nevysvětlitelné konvenčními přístupy?
Elektrofyziologické aktivity mozku odpovídající smyslovému vnímání nastávají poté, co na tyto vjemy došlo ke zdánlivě vědomým reakcím. Konvenční přístupy proto dospívají k závěru, že takové reakce jsou nevědomé, že vědomé ovládání je iluze. Různé aspekty smyslových vstupů (např. vizuální tvar, barva, pohyb, význam) jsou zpracovávány v různých oblastech mozku a v různých časech, přesto jsme si vědomi sjednocených objektů. Konvenční přístupy dospívají k závěru, že v reálném čase nedochází ke sjednocené vědomé zkušenosti, ale je konstruována až po dané skutečnosti a vkládána do paměti. Podle konvenčních přístupů je tedy vědomá zkušenost a ovládání v reálném čase iluzí; vědomí je epifenomenální.
Experimenty Benjamina Libeta v 70. letech 20. století naznačily, že vědomý prožitek smyslových vstupů vyžaduje až 500 ms mozkové aktivity, ale je odkazován zpět v čase k počátečnímu vstupu. Kvantová mechanika umožňuje zpětné časové efekty, pokud není možný kauzální paradox (zabití babičky, zabránění narození je jedním z běžně citovaných příkladů). Zpětné odkazování nevědomé kvantové informace se vyhýbá možnému kauzálnímu paradoxu a mohlo by vysvětlit Libetovy výsledky, v reálném čase sjednocený smyslový prožitek a vědomé ovládání, zachraňující vědomí z nešťastné role iluzorního epifenoménu.
Mikrotubuly se nacházejí ve všech eukaryotických buňkách. Jsou všechny buňky při vědomí?
Podle Orche OR dochází k vědomí s každou OR událostí pomocí E=ħ/t, čím větší je superpozice, tím rychleji dosáhne prahu. To představuje poměrně přísný stav, protože velké superpozice, které by dosáhly OR dostatečně rychle na to, aby byly užitečné, je obtížné izolovat od dekherence. Například pokud by byly izolovány superpoziciované mikrotubuly v typické buňce (~105 tubulinů), prahu OR by bylo dosaženo až po 33 minutách. Nicméně na mezeru navázané dendrity desítek až stovek tisíc mozkových kortikálních neuronů obsahují dostatek mikrotubulů zamotaných do jednoho kvantového stavu, aby dosáhly prahu OR v přiměřeně krátké době trvání (např. 25 ms, 40 Hz). Dále se u mozkových neuronů mohou vyvinout mechanismy proti dekherenci, které nejsou přítomny v jiných buňkách.
Budou technologické kvantové počítače vědomé?
Jak je v současnosti předpokládáno, kvantové počítače budou využívat superpozice elektronového spinu nebo proudu, fotonové polarizace nebo atomové lokace. Žádná z nich nemá významnou superpozici/oddělenou hmotnost a tudíž E by byla velmi, velmi malá a t velmi, velmi dlouhá. Je možné, že kvantové počítače sestavené z fullerenové technologie by mohly dosáhnout OR prahu a být při vědomí.
A co OR vyskytující se v jiných souvislostech?
Velké superpozice se mohou objevit kosmologicky, např. v jádru neutronových hvězd. Takové velké superpozice by dosáhly prahu OR velmi rychle, ale pravděpodobně by neměly žádnou orchestraci, a tudíž žádné poznávání.
Proč události Orch OR způsobují subjektivní prožitek? Tomu se říká „tvrdý problém“. Předchůdci vědomého prožitku (proto-vědomá kvalie) se předpokládají, že existují jako základní, neredukovatelné složky vesmíru, jako je hmota, rotace nebo náboj vložený v Planckově škále od Velkého třesku. Události OR vybírají konkrétní vzory proto-vědomé kvalie.
Kdy se vědomí vyvíjelo?
Proto-vědomá kvalia musí být postulována tak, že existovala od Velkého třesku. Otázkou tedy je, kdy se biologické systémy staly natolik složitými, aby měly události OR v přiměřeně krátké době? Organismy na počátku kambrijské evoluční exploze (malí červi a ježovky) mohly dosáhnout událostí OR ve stovkách milisekund. Možná jejich nově nalezené vědomí a nepočitatelné volby posílily jejich přežití, což urychlilo kambrijskou explozi.
V roce 1998 bylo publikováno 20 testovatelných předpovědí Orch OR. Řada z nich byla validována, další jsou testovány. Orch OR je falzifikovatelný.