Computing
Il cervello è un computer quantistico? Nuove scoperte dicono che potrebbe esserlo
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Il cervello come orologio o computer?
La coscienza, i livelli superiori di pensiero e il modo in cui funziona il cervello sono ancora un mistero oggi. Nel corso della storia, il funzionamento della mente umana è stato visto attraverso varie analogie, solitamente usando la tecnologia più avanzata dell’epoca.
Gli antichi Greci lo vedevano come un orologio ad acqua. I pensatori successivi credevano fosse alimentato dal movimento dei fluidi corporei, poi da un orologio meccanico, poi da un circuito elettrico. Oggi lo vediamo come un computer molto potente alimentato da segnali elettrici, con ogni neurone una sorta di transistor biologico.
In pratica, nessuna di queste spiegazioni, incluso il “computer biologico”, spiega pienamente come funziona il cervello.
Ad esempio, la capacità di calcolo del cervello funziona con soli 12-25 watt di potenza elettrica, appena sufficienti per alimentare una luce LED. Al contrario, un singolo chip AI di Nvidia (NVDA ) consuma 250-700W per una capacità di “pensiero” molto inferiore.
Non è nemmeno chiaro se “più potenza di calcolo” sia davvero la risposta per generare pensieri complessi e ragionamento astratto, andando oltre il semplice indovinare come stanno facendo attualmente i LLM (Large Language Models).
Ecco perché sono state proposte altre teorie, in particolare che gli effetti quantistici siano responsabili dell’emergere della coscienza.
Il cervello è quantistico?
Il supporto di Penrose
Esiste una teoria denominata “coscienza quantistica”, che sostiene che le funzioni cerebrali e la coscienza derivino da effetti quantistici come il collasso della funzione d’onda quantistica.
Questa è una parte strana della fisica quantistica, dove le particelle passano da uno stato di proprietà simultanee a uno stato più “normale” in cui hanno una caratteristica definita. È stata particolarmente popolarizzata dal concetto del gatto di Schrödinger.
Fonte: Wikipedia
La teoria della coscienza quantistica è stata sostenuta da Sir Roger Penrose, un famoso fisico che ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2020, per il suo lavoro in astrofisica e nella modellizzazione matematica dei buchi neri.
Fonte: Nobel Prize
Anche se è fuori dal suo campo di competenza immediato, la reputazione di Penrose come genio di classe mondiale ha dato qualche attenzione a questa idea.
Calcoli sui microtubuli
La teoria di Penrose si concentra su strutture nei neuroni chiamate microtubuli, che formano lo “scheletro” delle cellule. Queste strutture sono essenziali per eseguire calcoli che alla fine risultano nella coscienza. Questa idea è stata prima pubblicata nel 1996.
Questa teoria spiegherebbe anche come funziona l’anestesia generale, una domanda ancora aperta nonostante quasi un secolo di utilizzo. Funzionerebbe ostacolando l’effetto quantistico nella tubulina, bloccando la coscienza ma non l’attività cerebrale inconscia.
Puoi anche guardare Sir Penrose spiegare la sua teoria in questo video di 42 minuti:
Critiche
L’idea che il calcolo quantistico avvenga nel cervello è stata subito criticata da gran parte della comunità scientifica. Il problema principale è che l’entanglement quantistico e il collasso della funzione d’onda quantistica possono essere osservati solo in ambienti molto speciali, generalmente con elementi puri, vuoto e/o temperature molto basse, spesso appena pochi gradi sopra lo zero assoluto.
Queste sono anche il tipo di condizioni attualmente richieste per i computer quantistici, come abbiamo descritto nel nostro articolo sull’argomento: “The Current State of Quantum Computing ”.
Un cervello organico sarebbe troppo caldo e troppo complesso come mezzo per condurre qualsiasi calcolo quantistico.
Una serie di scoperte quantistiche nel cervello
L’idea che nessun fenomeno quantistico possa verificarsi nel contesto caotico della materia organica è sempre più messa in discussione.
Sospettiamo già che il senso magnetico degli uccelli, che permette loro di localizzare il nord e migrare, sia collegato a tale effetto quantistico.
Quando questi radicali reagiscono, l’esito dipenderà dalla forza e dall’orientamento del campo magnetico. Si pensa che l’uccello sia sensibile a questo in modo da poter distinguere il nord dal sud. Il processo è altamente quantistico poiché gli elettroni della coppia di radicali sono entangled, il che significa che agiscono come un unico oggetto quantistico, anche se sono a una certa distanza.
Musser, ”Radical consciousness theory?”
Misurazioni recenti
Nel 2022, un esperimento sembra aver dimostrato che i segnali quantistici nel cervello correlano con le “potenziali evocate dal battito cardiaco” (HEP). Questo potrebbe dimostrare che l’entanglement quantistico è possibile in un corpo umano.
(Entanglement quantistico è quando 2 particelle sono accoppiate insieme, e possono “comunicare” tra loro, anche senza un segnale e più velocemente della luce).
Più recentemente, nell’aprile 2024, una nuova intuizione sul cervello ha dimostrato che almeno alcuni effetti quantistici possono esistere nei neuroni, dove prima si pensava fossero impossibili.
Più precisamente, è un fenomeno chiamato superradiazione. In una pubblicazione intitolata “Superradiazione ultravioletta da mega-reti di triptofano in architetture biologiche”, dimostrano che grandi strutture costruite con l’amminoacido triptofano, come la tubulina dei neuroni, possono mostrare superradiazione.
Fonte: ACS Publication
Una tale dimostrazione di effetti quantistici stabili da strutture a scala micron è senza precedenti, soprattutto per materiali così complessi e “rumorosi” come le molecole biologiche nelle cellule viventi.
Andando forse ancora oltre, alcuni scienziati propongono che i ricordi nei cervelli organici siano creati attraverso un sistema olografico che utilizza la superradiazione.
Allora il cervello è un supercomputer quantistico?
È ancora troppo presto per dirlo con certezza. Tuttavia, con la scoperta della superradiazione nella tubulina, l’argomento principale secondo cui gli effetti quantistici non possono funzionare nelle substrutture dei neuroni è gravemente indebolito.
C’è ancora un notevole divario tra questa osservazione e la dimostrazione che la coscienza sia il risultato del “collasso della funzione d’onda quantistica indotto dalla gravità”, secondo la teoria di Penrose. Tuttavia, l’ultima scoperta implica che i neuroni potrebbero trasmettere informazioni tramite segnali ottici, come le fibre ottiche.
Ciò sostituirebbe l’idea più comunemente compresa secondo cui la segnalazione neuronale coinvolge ioni che si muovono attraverso le membrane da un’estremità all’altra del neurone.
La superradiazione è un fenomeno estremamente rapido che avviene nell’intervallo dei picosecondi (un miliardesimo di millisecondo). Questo renderebbe qualsiasi segnale trasmesso attraverso questo effetto centinaia di milioni di volte più veloce dei processi chimici da soli.
Applicazioni
Malattie neurodegenerative
Sebbene affascinante, potrebbe non essere ovvio qual è l’applicazione diretta di tale scoperta.
Potrebbe aiutare a comprendere e prevenire malattie neurodegenerative come l’Alzheimer.
L’Alzheimer è stato associato a elevati livelli di stress ossidativo—quando il corpo contiene un gran numero di radicali liberi, che possono emettere particelle di luce UV ad alta energia e dannose.
Il triptofano può assorbire questa luce ultravioletta e riemetterla a un’energia più bassa e sicura. E, come ha scoperto questo studio, reti di triptofano molto grandi possono farlo in modo ancora più efficiente e robusto grazie ai loro potenti effetti quantistici.
Fonte: The Quantum Insider
Non è davvero una teoria nuova, con i microtubuli ipotizzati coinvolti nell’Alzheimer sin dal 1989. È noto che la proteina tau si stacca dai microtubuli e si attacca ad altre molecole di tau nella malattia, formando filamenti che alla fine si uniscono per formare grovigli all’interno dei neuroni.
Calcolo quantistico
La dimostrazione di un effetto quantistico che sopravvive in un ambiente caotico sfida tutto ciò che pensavamo di sapere su questi fenomeni.
Potrebbe essere di grande importanza per il campo emergente del calcolo quantistico. L’ostacolo principale allo sviluppo dei computer quantistici è mantenere l’effetto quantistico attivo invece di farlo collassare in materia “normale”.
Finora, l’unica strategia è stata creare un ambiente ultra-freddo speciale per conservare il qubit. Questo è sia una sfida tecnica sia molto energivoro, aumentando la complessità e il prezzo di questo tipo di calcolo.
“Questi nuovi risultati saranno di interesse per la vasta comunità di ricercatori nei sistemi quantistici aperti e nel calcolo quantistico perché i metodi teorici usati in questo studio sono ampiamente impiegati in quei campi per comprendere reti quantistiche complesse in ambienti rumorosi”
Pr. Nicolò Defenu – Federal Institute of Technology (ETH) Zurich in Switzerland
Ciò apre la strada a processi più efficienti e forse più stabili e meno energivori per le future generazioni di computer quantistici.
Un’altra opzione potrebbe essere sfruttare la superradiazione, ora dimostrata essere un fenomeno molto più robusto di quanto si pensasse in precedenza.
“La superradiazione a singolo fotone promette di fornire nuovi strumenti per la memorizzazione dell’informazione quantistica, e questo lavoro ne mostra gli effetti in un contesto totalmente nuovo e diverso.
Esamineremo sicuramente da vicino le implicazioni per gli effetti quantistici nei sistemi viventi per gli anni a venire.”
Marlan Scully – Laser pioneer & theoretical quantum optics physicist
Quindi, non solo il calcolo stesso un giorno potrebbe basarsi su effetti quantistici a scala micron, ma l’archiviazione della memoria/informazione potrebbe utilizzare anche la superradiazione.
Computer biologici
Infine, se i neuroni sono davvero in grado di eseguire qualche forma di calcolo quantistico, ciò potrebbe cambiare il potenziale degli organoidi cerebrali. Questi sono tessuti cerebrali coltivati artificialmente attualmente usati per la ricerca biotecnologica su malattie neurodegenerative e sul cervello in generale.
Gli organoidi potrebbero essere usati per creare processori a chip biologici, che sarebbero molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai chip basati su silicio. Con l’IA prevista per consumare una quota crescente della nostra fornitura energetica globale, ciò potrebbe diventare necessario prima piuttosto che più tardi.
Abbiamo esplorato i progressi della tecnologia degli organoidi cerebrali nel nostro articolo “Passi significativi verso l’intelligenza degli organoidi in corso.”
Investire nel cervello quantistico
Come idea ai confini della scienza, attualmente non esiste un’applicazione diretta di queste scoperte. Tuttavia, le aziende legate al calcolo quantistico e agli organoidi cerebrali sono disponibili per gli investitori.
Puoi investire in aziende legate al quantistico attraverso molti broker, e puoi trovare qui, su securities.io, le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, e in molti altri paesi.
Se non sei interessato a scegliere specifiche aziende di calcolo quantistico, puoi anche considerare gli ETF di calcolo quantistico come Defiance Quantum ETF (QTUM), che offriranno un’esposizione più diversificata per capitalizzare sull’industria del calcolo quantistico. Oppure puoi consultare il nostro articolo su “5 migliori aziende di calcolo quantistico”.
Aziende di calcolo quantistico e neurale
1. Intel
INTL Grafico dei prezzi
Intel (INTC ) è un importante produttore di chip e sembra mirare a sfruttare questa forza nell’arena del calcolo quantistico.
Ha recentemente rilasciato “Tunnel Falls”, il “chip di qubit di spin di silicio più avanzato”. Ciò che è notevole è che non è un prototipo ma un chip costruito su scala, con un tasso di resa del 95% su tutto il wafer e uniformità di tensione. Questo apre la strada alla produzione di massa di chip per il calcolo quantistico, qualcosa finora sfuggente in un’industria nascente e in rapida evoluzione.
Fonte: Intel
Fedele alle sue radici, Intel sta anche sviluppando il software per utilizzare i suoi chip, con il rilascio del Intel Quantum SDK. Questo fornisce le linee guida per i programmatori per sviluppare software per il calcolo quantistico compatibile con il design del chip quantistico Intel, che storicamente è stato un vantaggio commerciale molto forte e redditizio per il business dei chip convenzionali di Intel.
Fonte: Intel
L’arrivo della produzione scalabile di chip quantistici potrebbe essere rivoluzionario per l’industria quanto qualsiasi altra scoperta scientifica più tecnica, riducendo i costi e stabilendo standard di programmazione comuni e architetture di chip.
Intel è un’azienda che sa dall’esperienza quanto possa essere una forza potente nell’industria del calcolo. Sta ancora cavalcando l’onda delle sue innovazioni e dei brevetti associati dagli anni ’60 in poi.
2. BICO Group AB (BICO.ST)
Un modo per studiare il cervello e i nervi è utilizzare gli organoidi cerebrali. Questi mini-cervelli creati artificialmente possono essere usati per replicare in laboratorio la reazione dei neuroni a potenziali terapie, aiutando i ricercatori a trovare trattamenti per il cervello reale.
Abbiamo discusso più in dettaglio come funziona e gli ultimi sviluppi in quel campo in “Passi significativi verso l’intelligenza degli organoidi in corso.”
Recentemente, organoidi cerebrali molto più complessi sono stati stampati in 3D da ricercatori dell’Università del Wisconsin–Madison. Lo hanno fatto con una stampante bioprinter Cellink, aprendo nuove potenzialità per questa macchina nella ricerca neuroscientifica.
Fonte: Cellink
Nel 2021, Cellink è stata rinominata BICO Group, a seguito dell’acquisizione di Cytena nel 2019 e di Scienion nel 2020.
Cellink è ancora il nome del marchio per la parte di bioprinting dell’azienda. L’idea è riutilizzare i metodi di stampa 3D per creare tessuti o organi 3D su richiesta. (Puoi leggere una discussione su questo argomento in “Stampa 3D di organi umani – Quanto è realistica?”).
Bioprinting rappresenta circa 1/5th del business, con il segmento di automazione bioscienze che genera più di 3/5th dei ricavi.
Fonte: BICO Group AB
Pur non essendo l’unica nel settore, Cellink è chiaramente un produttore di apparecchiature di bioprinting molto avanzato. Il risultato del Prof. Zhang con queste macchine dimostra il loro potenziale nella ricerca neurologica, un campo che attualmente non utilizza molto il bioprinting.
Nel lungo periodo, le aziende di bioprinting probabilmente evolveranno dal fornire strumenti ai ricercatori a diventare fornitori di terapie di bioprinting per i pazienti delle aziende farmaceutiche. Questo, a sua volta, cambierà completamente il numero di bioprinter in uso e, più importante, il volume di consumabili venduti ogni mese.
Questo è lo stesso processo che si è verificato per altri produttori di apparecchiature biolab, incluse le macchine di sequenziamento del genoma di PacBio (PACB) e Illumina (ILMN), che finiscono per realizzare l’80% dei loro ricavi dalle vendite ricorrenti di consumabili.
Se la ricerca sugli organoidi cerebrali riceve una spinta aggressiva a causa del suo potenziale nel calcolo e nella ricerca della fisica quantistica, potrebbe essere molto vantaggiosa per le aziende coinvolte nella loro produzione, come Cellink/BICO.
3. Final Spark
Fondata da Martin Kutter e Fred Jordan nel 2014 e con sede in Svizzera, Final Spark promuove processori a chip biologici che consumano molto meno energia (1 miliardo di volte più efficienti dei chip in silicio).
Come afferma la startup, ha già testato 10 milioni di neuroni nel suo intento di costruire macchine pensanti da neuroni umani vivi derivati dalla pelle.
La startup sta sfruttando tecniche sofisticate di coltura cellulare per dimostrare la capacità di calcolo autosufficiente per la creazione di futuri modelli di IA .
Final Spark offre ora l’accesso alla sua capacità di biocalcolo tramite il cloud. Il suo Neuroplatform è disponibile per le istituzioni di ricerca a una tariffa mensile di $500 per utente.
