조화 객관 환원 이론

조화 객관 환원 이론(Orchestrated objective reduction, Orch OR)은 의식이 뉴런 사이의 연결의 산물이라는 기존의 견해가 아니라 뉴런 내부의 양자 수준에서 발생한다고 가정하는 이론이다. 이 메커니즘은 미세소관에 의해 조정되는 객관적 붕괴 이론이라는 양자 과정으로 간주된다. 이 이론은 의식이 어디서 오는지에 대한 답변을 할 수 있으며 자유 의지에 대한 메커니즘을 제공할 수 있다. 이 가설은 1990년대 초 노벨 물리학상 수상자인 로저 펜로즈와 마취과 의사이자 심리학자인 스튜어트 해머로프(Stuart Hameroff)에 의해 처음 제시되었다. 이 가설은 분자 생물학, 신경 과학, 약리학, 철학, 양자 정보 이론, 양자 중력의 접근 방식을 결합한다.

주류 이론은 대뇌 뉴런이 수행하는 계산의 복잡성이 증가함에 따라 의식이 나타난다고 주장하지만, 조화 객관 환원 이론은 의식이 세포 미세소관에서 집합적으로 형성된 큐비트에 의해 수행되는 계산 불가능한 양자 처리에 기반한다고 가정한다. 큐비트는 미세소관의 격자 전체에 걸쳐 나선형 경로에서 중첩된 공명 고리를 형성하는 진동 쌍극자를 기반으로 한다. 진동은 런던 힘으로부터의 전하 분리로 인해 전기적이거나 전자 스핀으로 인해 자기적이며 기가헤르츠, 메가헤르츠, 킬로헤르츠 주파수 범위에서 발생하는 핵 스핀(더 오랜 기간 동안 격리 상태로 유지될 수 있음)으로 인해 발생할 수도 있다. 조화(Orchestration, 오케스트레이션)는 미세소관 관련 단백질(MAP)과 같은 결합 단백질이 중첩된 상태의 시공간 분리를 수정하여 큐비트 상태 감소에 영향을 미치거나 조화시키는(오케스트레이션하는) 가상 프로세스를 나타낸다. 후자는 양자 역학을 해석하기 위한 펜로즈의 객관적 붕괴 이론을 기반으로 하며, 이는 우주의 미세 구조에서 이러한 상태의 시공 곡률의 차이와 관련하여 양자 상태의 붕괴를 통제하는 객관적인 임계값의 존재를 가정한다.

조화 객관 환원 이론은 수학자, 철학자,, 과학자들에 의해 처음부터 비판을 받았다. 비판은 크게 세 가지 문제에 집중되었다.

 괴델의 정리에 대한 펜로즈의 해석
 계산 불가능성과 양자 사건을 연결하는 펜로즈의 귀납적 추론
 그리고 이론에서 요구하는 양자 현상을 수용하는 데 뇌가 부적합함. 이 이유는 결어긋남(decoherence)을 피하기에는 너무 "따뜻하고, 젖고, 시끄러운" 것으로 간주되기 때문이다.

배경 

1931년에 수학자이자 논리학자인 괴델은 기본 산술을 증명할 수 있는 효과적으로 생성된 이론은 일관 되고 완전 할 수 없음을 증명했다. 다시 말해, 수학적으로 건전한 이론은 스스로를 증명할 수단이 부족한다. 인간이 기계와 동일한 한계에 종속된다는 것을 보여주기 위해 유사한 진술이 사용되었다. 그러나 의식에 관한 첫 번째 책인 The Emperor's New Mind (1989)에서 펜로즈는 괴델이 증명할 수 없는 결과는 인간 수학자에 의해 증명될 수 있다고 주장했다. 그는 이 차이를 인간 수학자들이 형식 증명 시스템으로 기술할 수 없고 따라서 계산할 수 없는 알고리즘을 실행하고 있음을 의미한다고 생각한다.

맞다면 펜로즈-Lucas 주장은 계산 불가능한 행동의 물리적 기반에 대한 질문을 남겨둔다. 대부분의 물리 법칙은 계산 가능하므로 알고리즘적이다. 그러나 펜로즈는 파동 함수 붕괴가 계산 불가능한 과정의 주요 후보라고 결정했다. 양자 역학에서 입자는 고전 역학의 대상과 다르게 취급된다. 입자는 슈뢰딩거 방정식에 따라 진화하는 파동 함수로 설명된다. 비정상 파동 함수는 시스템 고유 상태의 선형 조합으로, 중첩 원리로 설명되는 현상이다. 양자 시스템이 고전 시스템과 상호 작용할 때(즉, 관찰 대상이 측정될 때) 시스템은 고전적 관점에서 관찰 대상의 임의 고유 상태로 붕괴되는 것처럼 보인다.

붕괴가 정말로 무작위적이라면 어떤 프로세스나 알고리즘도 그 결과를 결정적으로 예측할 수 없다. 이것은 펜로즈에게 그가 뇌에 존재한다고 가정한 계산 불가능한 과정의 물리적 기초에 대한 후보를 제공했다. 그러나 그는 무작위성이 수학적 이해를 위한 유망한 기초가 아니었기 때문에 환경적으로 유도된 붕괴의 무작위적인 특성을 싫어했다. 펜로즈는 고립된 시스템이 여전히 새로운 형태의 파동 함수 붕괴를 겪을 수 있다고 제안했으며 이를 객관적 환원(OR)이라고 불렀다.

펜로즈는 시공간의 가능한 구조에 대한 자신의 아이디어를 사용하여 일반 상대성 이론 과 양자 이론의 조화를 추구했다. 그는 플랑크 척도에서 곡선 시공간은 연속적이지 않고 이산적이라고 제안했다. 그는 더 나아가 각각의 분리된 양자 중첩이 시공간의 물집이라는 고유한 시공 곡률 조각을 가지고 있다고 가정했다. 펜로즈는 중력이 플랑크 규모 이상에서 불안정해지는 이러한 시공간의 물집에 힘을 가한다고 제안한다.  가능한 상태 중 하나로 축소된다. OR에 대한 대략적인 임계값은 펜로즈의 불확정성 원리에 의해 제공된다.

 
 이때 기호는 다음과 같다.
 는 OR이 발생할 때까지의 시간이고,
 는 중력 자체에너지 또는 중첩된 질량에 의해 주어진 시공간 분리 정도이고,
  는 감소된 플랑크 상수이다.

따라서 물체의 질량-에너지가 클수록 OR은 더 빨리 진행되고 그 반대도 마찬가지이다. 중간보기적 물체는 신경 처리와 관련된 시간 척도로 붕괴될 수 있다.

펜로즈 이론의 본질적인 특징은 객관적 감소가 발생할 때 상태의 선택이 무작위로 선택되지도 않고(파동 함수 붕괴 이후 선택처럼) 알고리즘적으로도 선택되지 않는다는 것이다. 오히려 상태는 시공간 기하학의 플랑크 척도에 포함된 "계산할 수 없는" 영향에 의해 선택된다. 펜로즈는 그러한 정보가 순수한 수학적 진리를 나타내는 플라톤주의라고 주장했으며, 이는 물리적, 정신적, 플라토닉한 수학적 세계의 세 가지 세계에 대한 펜로즈의 아이디어와 관련이 있다. 마음의 그림자(Shadows of the Mind, 1994)에서 펜로즈는 이 플라톤적 세계가 미학적, 윤리적 가치도 포함할 수 있다고 간략하게 지적했지만, 그는 이 추가 가설에 전념하지 않았다.

펜로즈-루카스 주장은 수학자, 컴퓨터 과학자, 철학자, 그리고 이에 대한 전문가들 사이의 합의에 의해 비판을 받았다. 필드는 주장이 실패한다는 것이다. 다른 저자가 주장의 다른 측면을 공격한다. 민스키는 인간이 거짓 아이디어를 사실로 믿을 수 있기 때문에 인간의 수학적 이해가 일관될 필요가 없으며 의식이 쉽게 결정론적 기반을 가질 수 있다고 주장했다. Feferman은 수학자들은 증명을 통한 기계론적 탐색이 아니라 시행착오 추론, 통찰력 및 영감에 의해 발전하며 기계는 이러한 접근 방식을 인간과 공유하지 않는다고 주장했다.

조화 객관 환원 이론 
펜로즈는 The Emperor's New Mind에서 조화 객관 환원 이론의 전신을 수학적 관점, 특히 괴델의 정리에서 설명했지만 양자 프로세스가 뇌에서 구현될 수 있는 방법에 대한 자세한 제안이 부족했다. 스튜어트 해머로프는 암 연구와 마취 분야에서 따로 일하면서 뇌 과정에 관심을 갖게 되었다. 해머로프는 펜로즈의 책을 읽고 뉴런 내의 미세소관이 양자 처리 및 궁극적으로 의식에 적합한 후보 부위라고 제안했다. 1990년대 내내 두 사람은 펜로즈가 Shadows of the Mind (1994)에서 발표한 조화 객관 환원 이론 이론에 대해 협력했다.

이론에 대한 해머로프의 기여는 신경 세포골격, 특히 미세소관에 대한 그의 연구에서 파생되었다. 신경과학이 발전함에 따라 세포골격과 미세소관의 역할이 더욱 중요해졌다. 구조적 지원을 제공하는 것 외에도 미세소관 기능에는 축색질 수송 및 세포의 움직임, 성장 및 모양 제어가 포함된다.

조화 객관 환원 이론은 펜로즈-루카스 인수와 미세소관의 양자 처리에 대한 해머로프의 가설을 결합한다. 뇌의 응축물이 객관적인 파동 함수 감소를 겪을 때 응축물의 붕괴는 비계산적 의사 결정을 시공간의 기본 기하학에 내재된 경험과 연결한다고 제안한다. 이 이론은 또한 미세소관이 뉴런 사이의 시냅스에서 기존의 활동에 영향을 미치고 영향을 받는다고 제안한다.

미세소관 계산 

해머로프는 미세소관이 양자 처리에 적합한 후보라고 제안했다. 미세소관은 튜불린 단백질 소단위체로 구성된다. 미세소관의 튜불린 단백질 이량체는 비편재화된 π 전자를 포함할 수 있는 소수성 주머니를 가지고 있다. 튜불린은 다른 더 작은 비극성 영역, 예를 들어 튜불린당 8개의 트립토판을 가지며, 대략 2nm의 간격으로 튜불린 전체에 분포된 π 전자가 풍부한 인돌 고리를 포함한다. 해머로프는 이것이 튜불린 π 전자가 양자 얽힘 이 되기에 충분히 가깝다고 주장한다. 얽힘 동안 입자 상태는 불가분의 상관 관계가 된다. 해머로프는 원래 프린지 우주론 저널(fringe Journal of Cosmology)에서 튜불린-소단위 전자가 보스-아인슈타인 응축물을 형성할 것이라고 제안했다. 그런 다음 그는 쌍극자 분자의 가상의 일관된 진동인 Frohlich 응축물을 제안했다. 그러나 이 역시 Reimers의 그룹에 의해 거부되었다. 그 후 해머로프는 Reimers에게 응답했다. "Reimers 등은 미세소관에서 강력하거나 일관된 Frohlich 응축이 실행 불가능하다는 것을 가장 확실히 보여주지 않았다. 그들이 해밀턴식의 기초가 되는 모델 미세소관은 미세소관 구조가 아니라 진동자의 단순한 선형 체인이다." 해머로프는 이러한 응축수 거동이 나노 크기의 양자 효과를 확대하여 뇌에 대규모 영향을 미칠 것이라고 추론했다.

해머로프는 한 뉴런의 미세소관 응축물이 전기 시냅스의 간극 접합을 통해 다른 뉴런 및 신경교 세포 의 미세소관 응축물과 연결될 수 있다고 제안했다. 해머로프는 세포 사이의 간격이 충분히 작아 양자 물체가 세포를 가로질러 터널링 할 수 있어 뇌의 넓은 영역을 가로질러 확장될 수 있다고 제안했다. 그는 더 나아가 이 대규모 양자 활동의 작용이 40Hz 감마파, 갭 접합이 감마 진동과 관련되어 있다는 훨씬 덜 논란의 여지가 있는 이론을 기반으로 한다.

관련 실험 결과 
2022년 4월, 두 가지 관련 실험의 결과가 Science of Consciousness 컨퍼런스에서 발표되었다. 해머로프가 참여한 연구에서 앨버타 대학의 Jack Tuszyński는 마취제가 미세 소관과 튜불린이 갇힌 빛이 지연 발광이라는 과정의 지속 시간을 단축시킨다는 것을 보여주었다. Tuszyński는 이 현상이 양자적 기원을 갖고 있다고 의심하고 있으며, 초복사도 한 가지 가능성으로 조사되고 있다. 두 번째 실험에서 프린스턴 대학의 Gregory D. Scholes와 Aarat Kalra는 튜불린 내의 분자를 여기시키기 위해 레이저를 사용하여 장기간의 여기가 미세소관을 통해 예상보다 더 확산되도록 했으며, 이는 마취 하에서 반복될 때 발생하지 않았다. 그러나 유체가 채워진 세포외 공간에서 길이 스케일의 넓은 범위로 인해 고전적인 확산도 매우 복잡할 수 있기 때문에 확산 결과는 신중하게 해석되어야 한다.

비판 
조화 객관 환원 이론은 물리학자와 신경과학자에 의해 뇌 생리학의 열악한 모델로 비판을 받았다. 조화 객관 환원 이론은 또한 설명력이 부족하다는 비판을 받았다. 철학자 패트리샤 처치랜드(Patricia Churchland)는 "시냅스의 픽시 먼지는 미세소관의 양자 일관성만큼 설명적으로 강력하다"고 썼다.

살아있는 유기체의 결맞음 
2000년 Max Tegmark는 뇌의 모든 양자 응집 시스템이 신경 과정에 영향을 미치기 훨씬 전에 환경 상호 작용으로 인해 효과적인 파동 함수 붕괴를 겪을 것이라고 주장했다. 그는 뇌 온도에서 미세소관 얽힘의 디코히어런스 타임스케일이 펨토초 단위로 신경 처리에 너무 짧다고 결정했다. Christof Koch와 Klaus Hepp도 양자 일관성이 신경 생리학에서 중요한 역할을 하지 않거나 할 필요가 없다는 데 동의했다. Koch와 Hepp은 "전기적 또는 화학적 시냅스로 연결된 뉴런에서 천천히 결맞고 제어 가능한 양자 비트의 실증적 증명 또는 뇌가 수행하는 계산을 위한 효율적인 양자 알고리즘의 발견은 이러한 추측을 ' 멀리'에서 단순한 '거의 없을 것'으로"예측했다.

Tegmark의 주장에 대한 응답으로 Hagan, Tuszynski 및 해머로프는 Tegmark가 조화 객관 환원 이론 모델을 다루지 않고 대신 자신이 만든 모델을 언급했다고 주장했다. 이것은 조화 객관 환원 이론에 대해 규정된 훨씬 작은 분리보다는 24nm로 분리된 양자의 중첩을 포함했다. 그 결과, 해머로프의 그룹은 Tegmark보다 700배 더 큰 디코히어런스 시간을 주장했지만 여전히 25ms보다 훨씬 낮다. 해머로프의 그룹은 또한 반대 이온의 Debye 층이 열 변동을 차단할 수 있고 주변의 액틴 겔이 물의 정렬을 향상시켜 소음을 더 차단할 수 있다고 제안했다. 그들은 또한 일관성 없는 대사에너지가 물을 더 주문할 수 있고, 마지막으로 미세소관 격자의 구성이 양자 결맞음에 저항하는 수단인 양자 오류 수정에 적합할 수 있다고 제안했다.

2009년에 Reimers et al.와 McKemmish et al.은 비판적 평가를 발표했다. 이전 버전의 이론에서는 보스-아인슈타인 또는 프롤리히 응축물을 형성하기 위해 튜불린-전자가 필요했으며, 라이머스 그룹은 그러한 일이 발생할 수 있다는 경험적 증거가 부족하다고 지적했다. 또한 그들은 McKemmish et al.에서 미세소관이 약한 일관성을 가지는 8MHz만 지원할 수 있다고 계산했다. 방향족 분자는 비편재화되어 있기 때문에 상태를 전환할 수 없다고 주장했다. GTP 전환에 의해 유도된 튜불린 단백질 형태의 변화는 엄청난에너지 요구량을 초래할 것이다.

2022년에 이탈리아 연구원 그룹은 물리학자 Lajos Diósi의 관련 가설을 반증하는 여러 실험을 수행했다.

신경 과학 
해머로프는 자주 다음과 같이 썼다. "전형적인 뇌 뉴런에는 대략 10^7개의 튜불린이 있다(Yu and Baas, 1994)", 그러나 이것은 Yu와 Baas의 말이 아닌 해머로프 자신의 말이다. 해머로프는 분명히 Yu와 Baas가 실제로 "축삭 분화를 겪은 세포로부터 56 μm 축삭의 미세소관(MT) 어레이를 재구성"했으며 이 재구성된 축삭은 "1430 MT를 포함하고 ... 총 MT의 길이는 5750μm였다"는 내용으로 오해했다. 직접 계산에 따르면 107 튜불린(정확하게는 9.3×106 튜불린)이 56μm 축삭 내부의 5750μm 길이의 MT에 해당한다.

해머로프의 1998년 가설은 피질 가지돌기가 주로 'A' 격자 미세소관을 포함할 것을 요구했지만, 1994년 Kikkawa et al.이 모든 생체내 미세소관에는 'B' 격자와 이음매가 있음을 보여주었다.

조화 객관 환원 이론은 또한 뉴런과 신경교 세포 사이의 간극 접합을 필요로 했지만, Binmöller et al.에 의해 1992년에 성인의 뇌에는 존재하지 않는다는 것이 증명되었다. 1차 신경 세포 배양을 이용한 시험관 내 연구는 미성숙 신경 세포와 제왕 절개를 통해 조기에 추출한 쥐 배아에서 얻은 성상교세포 사이의 전기장성(간극 접합) 커플링에 대한 증거를 보여준다. 그러나 조화 객관 환원 이론 주장은 성숙한 뉴런이 성인 뇌의 성상교세포에 전기적으로 결합되어 있다는 것이다. 따라서 조화 객관 환원 이론은 Fróes et al.에 의해 언급된 뉴런 성숙 과정에서 성상교세포로부터 뉴런의 잘 문서화된 electrotonic decoupling 과 모순된다. "접합 통신은 신경 발달의 초기 단계에서 신경 세포와 성상 세포 네트워크 사이의 신진 대사 및 전기 긴장 상호 연결을 제공할 수 있으며 이러한 상호 작용은 분화가 진행됨에 따라 약화된다."

시냅스 전 축삭 말단에서 신경전달물질의 확률론적 방출에 대한 설명 부족이 피질 뉴런당 튜불린 이량체 계산된 수의 오류를 포함한다는 다른 생물학 기반 비판이 나왔다.

2014년에 펜로즈와 해머로프는 핵심 가설을 유지하면서 이론의 주변적 가정에 대한 일부 비판과 수정에 대한 답변을 발표했다.

각주 

심리철학