協調客觀還原

協調客觀還原（Orchestrated objective reduction，簡稱Orch OR）是一個有爭議的意識假說。該假說認為意識是在神經元內部的量子水平上產生的，而非傳統觀點所認為的意識是神經元之間連接的產物。該機制的核心是一種被稱為客觀還原的量子過程，基於神經元內微管之間的協調作用。該假說是對意識的困難問題的一個解答，並為自由意志提供了一種可能的機制。諾貝爾物理學獎獲得者羅傑·彭羅斯、麻醉學家和心理學家斯圖爾特·哈默羅夫兩人於1990年代初首次提出了這一模型假說，其結合了分子生物學、神經科學、藥理學、哲學、量子資訊理論和量子引力等不同領域的理論方法。

主流理論認為意識是隨著大腦神經元執行計算的複雜性增加而湧現的，但協調客觀還原模型則認為意識源於細胞微管中眾多量子比特所執行的不可計算的量子過程，這一過程在神經元中顯著放大並進而產生了意識。這些量子比特是基於微管晶格的螺旋路徑中振盪的偶極子所形成的疊加共振環。這種振盪或是源於由色散力而產生的電偶極子，或是源於由電子自旋（也可能是核自旋）而產生的磁偶極子。振盪發生在千兆赫、兆赫和千赫的頻率範圍內。協調（orchestration）則是指連接蛋白（例如微管相關蛋白）通過修改量子比特疊加態的時空分離來影響其疊加態還原的一種假想過程。這是基於彭羅斯用於詮釋量子力學的客觀坍縮理論，該理論假設存在一個控制量子態坍縮的客觀閾值，與宇宙精細結構中這些量子態的時空曲率的差異有關。

協調客觀還原模型從提出伊始就受到一些數學家、哲學家和科學家的批評。批評主要集中在三個問題上：一是彭羅斯對哥德爾不完備定理的解釋；二是彭羅斯將不可計算性與量子事件聯繫起來的推理；三是某些學者認為大腦過於「溫暖、潮濕和嘈雜」，無法避免退相干，因而也無法承載該模型所描述的量子現象。

## 背景

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1931年，數學家、邏輯學家庫爾特·哥德爾提出了哥德爾不完備定理，證明了任何一個包含基本算術的系統都不可能是既自洽又完備的。換句話說，一個形式系統不能證明其自身的自洽性。類似的表述也被用來說明人類受到與機器相同的限制。然而，彭羅斯在其首部關於意識的書籍《皇帝新腦》（1989年）中則提出，哥德爾所說的那些無法證明的結論可以被人類數學家證明。他認為這種差異意味著人類數學家不能被描述為形式證明系統，因此採用的是不可計算的物理過程。這被稱為彭羅斯–盧卡斯論證。

如果這一說法是正確的話，我們仍需要解釋大腦中不可計算行為的物理基礎。大多數物理定律是可計算的。但彭羅斯認為波函數坍縮是不可計算的，因而或許能夠用來解釋這種不可計算的過程。在量子力學中，粒子的處理方式與經典力學不同，是由根據薛丁格方程演化的波函數來描述的。非定態波函數是系統本徵態的線性疊加。當一個量子系統與一個經典系統相互作用時（即一個可觀察量被測量時），從經典角度來看系統坍縮到了該可觀察量的一個隨機的本徵態上。

如果坍縮是完全隨機的，那麼沒有任何過程或演算法可以確定性地預測其結果。彭羅斯認為坍縮過程或許能夠作為他所假設的大腦中不可計算過程的物理基礎。然而，他覺得由環境誘導的坍塌中的隨機性很難真正作為大腦理解數學的基礎。彭羅斯於是提出孤立系統可能會經歷一種新的波函數坍縮，他稱之為客觀還原（objective reduction，簡稱OR），或稱為客觀坍縮（objective collapse）。

彭羅斯試圖用他關於時空結構的想法來調和廣義相對論和量子理論。他提出，在普朗克尺度上彎曲時空不是連續的，而是離散的。他進一步假設每個分離的量子疊加態都有其自身的時空曲率，可以看成是時空中的「小水泡」。彭羅斯認為引力對這些時空「小水泡」施加了作用，使其在普朗克尺度（10-35米）以上變得不穩定並坍縮為可能的本徵態之一。彭羅斯的不確定性原理給出了客觀還原的粗略閾值：

$$\tau \approx \hbar/E_G$$

其中

- $\tau$是發生客觀還原需要的時間。
- $E_G$是疊加質量引起的引力自能量或時空的分離程度。
- $\hbar$是約化普朗克常數。

因此，一個物體的質能越大，它經歷客觀還原的速度就越快，反之亦然。原子級別的疊加需要1000萬年才能達到客觀還原閾值，而一個孤立的1千克重的物體僅需10-37秒便能達到閾值。介於這兩個尺度之間的物體可能會在與神經處理相關的時間尺度上坍縮。

彭羅斯理論的一個基本特徵是，當客觀還原發生時，狀態的選擇既不是隨機的，也不是由演算法決定的。相反，狀態是經由嵌入在普朗克尺度的時空幾何中的一種「不可計算」的過程選擇的，是時空結構的內在特性。彭羅斯聲稱這些資訊是柏拉圖式的，代表著純粹的數學真理，進而與彭羅斯關於三個世界（物理世界、精神世界和柏拉圖數學世界）的思想有關。在《意識的陰影》（1994年）一書中，彭羅斯曾簡要地指出，這個柏拉圖世界也可能包括審美和倫理價值，但他並沒有對其進一步地研究。

彭羅斯–盧卡斯論證受到一些數學家、電腦科學家、哲學家的批評，他們從不同角度質疑這一論證。馬文·閔斯基認為，既然人類可以相信錯誤的想法是真實的，人類對數學的理解就不需要是自洽的，因而意識可以具有確定性的基礎。所羅門·費弗曼認為，數學家的研究進展不是通過對證明的機械搜索，而是通過試錯推理、洞察力與靈感，這些是機器沒有的方法。

## 協調客觀還原

彭羅斯在《皇帝新腦》中從數學的角度、特別是以哥德爾定理為基礎，概述了他對意識起源的理解，這可是看作是協調客觀還原模型的前身，但當時他還沒有提出一個具體如何在大腦中實現這種量子過程的詳細假說模型。從事癌症與麻醉研究工作的斯圖爾特·哈默羅夫對大腦過程十分有興趣，他在讀了彭羅斯的書後向他建議神經元內的微管可能是大腦中進行量子處理並最終導致意識的位置所在。兩人在1990年代就協調客觀還原理論進行了合作，而彭羅斯也在《意識的陰影》（1994年）一書中發表了該理論。

哈默羅夫對該理論的貢獻源於他對神經細胞骨架、特別是對微管的研究。隨著神經科學的進展，細胞骨架和微管的作用變得愈發重要。除了提供結構支持外，微管的功能還包括軸漿傳輸和控制細胞的運動、生長與形狀等。

協調客觀還原模型將彭羅斯–盧卡斯論證與哈默羅夫關於微管中量子處理的假設相結合。它提出，當大腦中的凝聚體經歷客觀波函數坍縮時，這種坍縮將非計算的大腦決策功能與時空基本幾何結構聯繫起來。該理論進一步提出，微管既影響神經元之間突觸的常規活動，也受其影響。

### 微管計算

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哈默羅夫提出微管是量子處理的合適候選者。微管由微管蛋白亞基組成。微管蛋白二聚體擁有疏水性袋，可能含有離域的π電子。微管蛋白還包括其他更小的非極性區域，例如每個微管蛋白有8個色氨酸，其中包含分布在整個微管蛋白中的富含π電子的吲哚環，間距約為2納米。哈默羅夫聲稱2納米已經足夠小到能引發微管蛋白π電子的量子糾纏。在糾纏過程中，粒子狀態變得不可分。哈默羅夫起初在《宇宙學雜誌》上發文指出微管蛋白亞基電子會形成玻色–愛因斯坦凝聚。他後來又提出了弗勒利希凝聚的可能性，這是一種假設的偶極分子的相干振盪。哈默羅夫推斷，這種凝聚行為會放大納米級量子效應，從而對大腦產生大規模影響。不過這遭到了賴默斯（Jeffrey R. Reimers）的反對。哈默羅夫隨後回應了賴默斯，認為他們並沒有證明微管中相干的弗勒利希凝聚是不可行的，指出賴默斯的模型微管所基於的哈密頓算符並不是源於真正的微管結構，而只是簡單的線性振盪器鏈。

哈默羅夫隨後提出，一個神經元微管中的凝聚體可以通過電突觸的間隙連接與其他神經元和神經膠質細胞中的微管凝聚體連接。他認為細胞之間的間隙足夠小到能使量子物體穿過，使它們能夠延展到大腦的大面積區域。一些理論認為間隙連接與γ振盪有關，於是他進一步假設，這種大規模量子活動便是40赫茲γ波的來源。

### 相關實驗結果

2022年4月，兩個相關實驗的結果在意識科學會議上發表。在一項哈默羅夫參與的研究中，阿爾伯塔大學的傑克·杜斯琴斯基研究了一種稱為延遲發光（delayed luminescence）的現象，在該過程中微管將被困住的光重新發射了出來。杜斯琴斯基懷疑這一現象有量子起源，並發現當使用麻醉劑時這一過程的持續時間顯著縮短。他認為這或許表明對延遲發光現象的阻礙可能使大腦處理資訊的過程停滯。在第二個實驗中，普林斯頓大學的格雷戈里·D·斯科爾斯和阿拉特·卡爾拉（Aarat Kalra）使用雷射激發微管蛋白內的分子，這一激發通過微管擴散到比預期更遠的程度，而在麻醉劑下重複實驗時則不會發生這種情況。

## 批評

協調客觀還原模型受到一些物理學家和神經科學家的批評，他們認為這並不是一個完善的大腦生理模型。該模型也因缺乏解釋力而受到批評。哲學家帕特里夏·丘奇蘭德寫道：「突觸中的精靈塵埃的解釋力與微管中的量子相干性一樣強大。」

### 生物體中的量子退相干

馬克斯·泰格馬克於2000年聲稱，大腦中的任何量子相干系統在影響神經過程之前很久就會因與環境的相互作用而發生有效的波函數坍縮（後來這被稱為大腦「溫暖、潮濕和嘈雜」的論點）。他發現在大腦溫度下微管糾纏的退相干時間尺度為飛秒數量級，這對於神經處理來說太短了。克里斯多福·科赫和克勞斯·黑普也同意量子相干在神經生理學中沒有一席之地。科赫和黑普認為，即便我們能夠發現由電或化學突觸連接的神經元中緩慢退相干、可控的量子比特，或者一種用於大腦計算的有效量子演算法，這類假說仍舊是很不可能成立的。而在那之前，我們沒有理由使用量子力學來解釋意識等高級腦功能。

作為對泰格馬克的回應，哈根（Hagan）、杜斯琴斯基和哈默羅夫聲稱泰格馬克的質疑非並針對協調客觀還原模型本身，而是他自己構建的模型。他的模型涉及相隔24納米的的量子疊加態，而非協調客觀還原模型所要求的小得多的分離。哈默羅夫的團隊聲稱他們計算得到的退相干時間比泰格馬克計算的大七個數量級，儘管仍遠低於25毫秒（對應40赫茲γ波）。此外，哈默羅夫團隊還提出，抗衡離子的德拜層可以屏蔽熱波動，並且周圍的肌動蛋白凝膠可能會增強水的有序性，進一步屏蔽噪音。他們還提出，不相干的代謝能量可以進一步有序化水，另外微管晶格的構型也可能適合量子糾錯，作為一種抵抗量子退相干的手段。

2009年，賴默斯、麥克凱米什（McKemmish）等發表了對該模型的批評。模型的早期版本要求微管蛋白電子形成玻色–愛因斯坦或弗羅利希凝聚，而賴默斯團隊指出缺乏經驗證據表明這種情況可能發生。此外，他們計算出微管只能支持弱8兆赫的相干性。麥克凱米什則認為芳香分子是離域的，因而不能轉換狀態；並且由GTP轉換驅動的微管蛋白構象變化將導致過高的能量需求。

### 神經科學

哈默羅夫經常提到「一個典型的大腦神經元大約有107個微管蛋白（Yu and Baas，1994）」，但這其實是哈默羅夫誤解了原作者，而非基於原作者本來的描述。原作者提到「從一個經歷了軸突分化的細胞中重建了56微米軸突的微管陣列」，而這個重建的軸突「包含1430個微管……微管的總長度為5750微米。」直接計算表明，107個微管蛋白（準確地說是9.3×106個微管蛋白）指的是這個重建的56微米軸突內的微管蛋白數量。

哈默羅夫1998年時的假設認為皮質樹突主要包含A晶格微管，但1994年吉川（Kikkawa）等的研究表明所有體內微管都有一個B晶格和一個接縫。

協調客觀還原模型還需要神經元和神經膠質細胞之間的間隙連接，但賓莫勒（Binmöller）等人於1992年證明這些在成人大腦中並不存在。對於從大鼠胚胎中提取的原代神經元培養物（primary neuronal cultures）的體外研究表明，未成熟的神經元和星形膠質細胞之間存在電緊張（間隙連接）耦合的證據；然而，協調客觀還原模型則聲稱成人大腦中成熟的神經元與星形膠質細胞存在電緊張耦合。因此，協調客觀還原模型與弗羅斯（Fróes）等人所述的神經元成熟過程中神經元與星形膠質細胞的電緊張解耦相矛盾：「連接通訊可能在神經發育的早期階段提供神經元和星形膠質細胞網路之間的代謝和電緊張互連，但隨著分化的進展，這種相互作用會減弱。」

關於該模型的生物學批評還包括對突觸前軸突末梢神經遞質的機率釋放缺乏解釋等。

2014年，彭羅斯和哈默羅夫回應了對該模型的一些批評，並修正了理論的一些次要假設，但保留了其核心部分。