O papel dos biofótons no cérebro é uma área crescente de pesquisa em neurobiologia – e onde há fótons pode haver mecânica quântica. Betony Adams e Francesco Petruccione exploram este campo em desenvolvimento e contencioso da biofísica quântica
A luz da mente é azul, escreveu a poetisa Sylvia Plath (“A Lua e o Teixo” 1961). Mas parece que pode realmente ser vermelho.
Isso porque pesquisas recentes sugerem uma ligação entre a inteligência e a frequência dos biofótons no cérebro dos animais. Em 2016, Zhuo Wang e colegas da Universidade Centro-Sul para Nacionalidades na China estudaram fatias de cérebro de vários animais (rã-touro, camundongo, galinha, porco, macaco e humano) que foram excitadas pelo glutamato, um neurotransmissor excitatório. Eles descobriram que o aumento da inteligência estava associado a uma mudança na frequência do biofóton em direção à extremidade vermelha do espectro (PNAS 113 8753).
Reconhecidamente, não está claro o que realmente é a medida de inteligência, e o estudo foi criticado por sua falta de um mecanismo explicativo; correlação, como diz o mantra, não significa causalidade. No entanto, o papel dos biofótons – fótons ultravioleta quase ultravioleta a infravermelho próximo espontâneos – é um campo crescente de pesquisa em neurobiologia.
A luz tem uma ressonância simbólica para a humanidade. Está presente na arte, na religião, na literatura e até na forma como falamos de conhecimento – falamos de “iluminação” e “ver a luz”, por exemplo. Parece apropriado, portanto, que também possa desempenhar um papel fisiológico. Ainda não está claro como a luz está envolvida nos processos de sinalização que constituem o sistema nervoso central e sua propriedade emergente, a consciência. Mas, inevitavelmente, onde há fótons, pode haver mecânica quântica.
Afinal, os fótons estão inextricavelmente ligados ao nascimento da mecânica quântica: o prêmio Nobel de Albert Einstein de 1921 não foi concedido pela relatividade ou outras descobertas, mas por sua explicação do efeito fotoelétrico. Ele teorizou que a luz, que era convencionalmente aceita para se comportar como uma onda contínua, também poderia ser considerada propagada em pacotes discretos, ou quanta, que chamamos de fótons. Isso, junto com a compreensão de Max Planck da radiação do corpo negro, o novo modelo do átomo de Niels Bohr, a pesquisa de Arthur Compton em raios-X e a sugestão de Louis de Broglie de que a matéria tem propriedades ondulatórias, deu início à era quântica.
Efeitos quânticos no cérebro
Embora a estranheza da teoria quântica tenha se prestado a algumas interpretações pseudocientíficas inúteis da consciência, tem havido resistência dos cientistas em unir as duas. Só porque ambos os assuntos são difíceis de entender, não significa que eles necessariamente se informam. Apesar disso, a primeira teoria detalhada da consciência quântica surgiu na década de 1990 do físico Roger Penrose, ganhador do prêmio Nobel da Universidade de Oxford, e do anestesiologista Stuart Hameroff da Universidade do Arizona (Matemática e Computadores em Simulação 40 453). Sua teoria de “redução objetiva orquestrada” (Orch OR) passou por uma série de revisões desde seu início (Physics of Life Reviews 11 39), mas geralmente postula que cálculos quânticos em estruturas celulares conhecidas como microtúbulos têm um efeito sobre o disparo de neurônios e, por extensão, consciência.
A teoria suscitou uma série de críticas, mas talvez a mais contundente tenha vindo dos princípios fundamentais da teoria quântica. Um sistema quântico – que pode se referir, por exemplo, à dinâmica de um fóton – é uma coisa delicada. Convencionalmente, os efeitos quânticos são observados em baixas temperaturas, onde este sistema é isolado de interações destrutivas com o ambiente circundante. Isso pareceria isentar os efeitos quânticos de desempenhar qualquer papel na bagunça e na confusão dos sistemas vivos. Sistemas biológicos, como o cérebro, operam em temperaturas fisiológicas e são inevitavelmente ligados a seus ambientes. Conforme calculado pelo físico Max Tegmark da Universidade de Princeton em 2000, os efeitos quânticos não sobreviveriam por tempo suficiente para ter qualquer influência nas taxas muito mais lentas de disparo dos neurônios (Phys. Rev. E 61 4194).
No entanto, essa objeção foi até certo ponto mitigada por pesquisas feitas no campo mais amplo da biologia quântica. A aplicação da teoria quântica em um contexto biológico teve mais sucesso no que diz respeito à fotossíntese, mas pesquisas sobre a bússola aviária, olfato, enzimas e até mesmo DNA também sugerem que os efeitos quânticos podem estar implicados de forma mais geral no funcionamento dos organismos biológicos.
Os constituintes nervosos que são importantes para uma discussão sobre os efeitos quânticos são os microtúbulos, que são formados a partir da polimerização de uma proteína conhecida como tubulina, e as mitocôndrias, frequentemente descritas como os centros de energia da célula. Os microtúbulos estruturam o citoesqueleto celular e são necessários para a divisão celular e também para o movimento das proteínas motoras, um grupo de proteínas que converte energia química em energia mecânica. As mitocôndrias usam cadeias de transporte de elétrons e gradientes de prótons para criar trifosfato de adenosina (ATP), que alimenta os processos biológicos. Eles também são o local principal proposto para a produção de biofótons. (Ilustração de Angela Illing. Reproduzido de AVS Quantum Sci. 2 022901, com a permissão da American Vacuum Society)
Em um sentido trivial, toda biologia é mecânica quântica, assim como toda matéria é mecânica quântica – ela é composta de átomos e, portanto, sujeita às leis físicas da estrutura atômica formalizadas pela primeira vez por Bohr no início do século XX. O foco da biologia quântica, no entanto, está nos principais efeitos quânticos – aqueles fenômenos quânticos que parecem desafiar nossa imaginação clássica, como estados de superposição, coerência, tunelamento e emaranhamento (ver box “Fenômenos quânticos”).
Se esse é o efeito dos efeitos quânticos no cérebro, o onde é mais simples. O cérebro é composto de células nervosas – células alongadas que consistem em um corpo celular, dendritos e axônio (figura 1). Simplificando, a informação é passada de e para o cérebro pelo disparo ou não disparo de neurônios, um processo determinado pelo potencial eletroquímico de uma célula nervosa. Este potencial depende da propagação de íons carregados através da membrana celular, tornando cada lado da membrana mais ou menos positivo. Para que um nervo dispare, seu potencial de repouso deve ser aumentado até o potencial limite necessário. Como esse sinal passa de uma célula para a próxima ainda é uma questão de debate, mas a teoria aceita é que essa comunicação neural é gerenciada por substâncias químicas conhecidas como neurotransmissores liberados na fenda sináptica, que então se ligam aos receptores da próxima célula nervosa , alterando assim seu gradiente eletroquímico e causando ativação neural.
Estados alterados de consciência
Que melhor maneira de estudar a consciência do que observá-la em estados alterados – especificamente os produtos químicos que fazem isso, como os anestésicos gerais. “A única coisa que temos certeza sobre a consciência é que ela é solúvel em clorofórmio”, disse o biólogo quântico Luca Turin, do Alexander Fleming Biomedical Research Center na Grécia em 2014 (EMBO Reports 15 1113). Turin observou que os produtos químicos com capacidade anestésica têm propriedades químicas e estruturais muito diferentes umas das outras, levando-o a se concentrar na física semelhante que essas substâncias podem compartilhar. Os anestésicos podem se ligar a várias proteínas citoplasmáticas e de membrana. Ele propôs que os anestésicos facilitam as correntes de elétrons nessas proteínas e que isso pode ser demonstrado observando as mudanças no spin quântico, onde o spin descreve as propriedades magnéticas das partículas quânticas, como os elétrons. O que ele descobriu foi que sob a influência do xenônio, o mais simples de todos os anestésicos, as moscas-das-frutas mostraram um aumento no spin do elétron medido pelo uso da ressonância do spin do elétron (embora a origem do sinal ainda seja discutível).
O envolvimento dos anestésicos nas propriedades eletrônicas dos sistemas biológicos não é uma teoria completamente nova, tendo sido delineada por Hameroff além de Orch OR. A novidade é o progresso feito no entendimento de como os efeitos quânticos podem contribuir para os processos de transferência eletrônica em sistemas biológicos. Na fotossíntese, há algumas evidências de que o movimento de energia através das estruturas que constituem a rede fotossintética explora efeitos quânticos, como coerência (consulte o artigo de abril de 2018 – Is photosynthesis quantum ish). Especificamente, as estruturas que parecem permitir essa transferência coerente são os cromóforos, as partes de uma molécula que lhe dão sua cor. A pesquisa sugere que, em vez de se mover entre os níveis de energia discretos de um arranjo de cromóforos, a energia pode ser espalhada ou deslocalizada em mais de um cromóforo por vez.
O que é interessante no contexto da consciência quântica é que as células nervosas contêm estruturas como microtúbulos e mitocôndrias que podem suportar a transferência coerente de energia de uma maneira semelhante à da fotossíntese. Os microtúbulos fazem parte do citoesqueleto das células eucarióticas (aquelas com um núcleo envolto em um envelope, encontradas em plantas e animais) e algumas células procarióticas (aquelas sem envelope nuclear, das quais são feitas arquéias e bactérias). Eles fornecem forma e estrutura e são instrumentais na divisão celular, bem como no movimento das proteínas motoras. Eles são compostos de polímeros de proteínas tubulinas e dentro deles estão cromóforos semelhantes aos encontrados em redes fotossintéticas. Os cromóforos também são encontrados nas mitocôndrias, as estações de energia da célula. Isso levou alguns pesquisadores a sugerir que os anestésicos atuam interrompendo processos coerentes de energia e, por sua vez, interrompendo a consciência.
Os anestésicos não são os únicos produtos químicos implicados nos estados alterados de consciência. É geralmente aceito que as interrupções na ação dos neurotransmissores, as moléculas pelas quais os neurônios se comunicam, contribuem para uma variedade de doenças mentais. Acredita-se que os antidepressivos, por exemplo, funcionem aumentando os neurotransmissores como a serotonina, o pósterquímico da felicidade. No entanto, o mecanismo exato de ação do neurotransmissor ainda não é perfeitamente compreendido. A teoria convencional afirma que eles se ligam a receptores de membrana nas células nervosas por meio de um mecanismo de chave e fechadura, em que a forma de um determinado neurotransmissor corresponde à forma do receptor apropriado. O mecanismo de fechadura e chave está associado a uma série de funções biológicas, uma das quais é o olfato (o sentido do olfato).
No entanto, uma teoria alternativa do olfato sugere que ela pode usar princípios de tunelamento quântico assistido por vibração em vez de depender da forma molecular. Recentemente, essa teoria também foi aplicada à ação de neurotransmissores. Tunelamento assistido por vibração é quando a energia do movimento de uma molécula corresponde à energia necessária para um elétron fazer um túnel através de uma barreira de potencial. Nesse sentido, a vibração de um determinado neurotransmissor seria reconhecida por seu receptor específico. Usando modelagem matemática e computacional, os pesquisadores testaram isso observando isótopos de diferentes substâncias neuroquímicas, como serotonina, histamina e adenosina (uma revisão desses estudos pode ser encontrada em AVS Quantum Sci. 2 022901). Conforme sua massa muda, mas sua forma permanece a mesma, suas frequências vibratórias são alteradas. Os pesquisadores estavam procurando ver se os isótopos neurotransmissores tinham efeitos diferentes, desqualificando assim o mecanismo de fechadura e chave, que depende da forma, e apoiando a possibilidade de tunelamento assistido por vibração. Embora os resultados teóricos pareçam promissores, a teoria ainda precisa ser firmemente apoiada experimentalmente.
Fenômenos quânticos
Na biologia quântica, os efeitos quânticos de superposição, coerência e decoerência, tunelamento e emaranhamento desempenham um papel importante.
Matematicamente, um sistema físico – por exemplo, um átomo ou fóton – é descrito por um estado quântico que contém todas as informações sobre ele. A superposição é uma propriedade do mundo quântico que permite que um sistema físico exista em dois ou mais estados quânticos, até que uma medição seja feita nele. O fenômeno não intuitivo levou ao famoso experimento de pensamento onipresente de Erwin Schrödinger, em que um gato em uma caixa está simultaneamente morto e vivo até que um observador olhe para dentro da caixa. A coerência quântica quantifica essa relação de estados em uma superposição. E sua contraparte, a decoerência, descreve a perda de tais efeitos quânticos.
O tunelamento quântico, por sua vez, envolve uma partícula que passa por uma barreira de energia, apesar de não ter a energia necessária para superar a barreira, como seria definido pela física clássica. O fenômeno não é totalmente compreendido teoricamente, mas sustenta tecnologias práticas que vão desde a microscopia de varredura por tunelamento a memórias flash.
Finalmente, o emaranhamento quântico permite que duas partículas, como fótons ou elétrons, tenham uma relação muito mais próxima do que a prevista pela física clássica. Ao longo dos anos, ele desempenhou um papel central nas tecnologias quânticas, como criptografia quântica, teletransporte quântico e redes para distribuição de informações quânticas. Durante a última década, os físicos foram capazes de transmitir pares de fótons emaranhados em distâncias crescentes, tanto no ar quanto ao longo de fibras ópticas.
A bússola do cérebro
Vários animais são capazes de sentir o campo magnético da Terra, mas exatamente como eles conseguem isso ainda é uma questão em aberto. Os pássaros, segundo a hipótese, usam efeitos quânticos para realizar seus feitos de navegação. Essa bússola quântica é chamada de mecanismo de par radical e se baseia na interação do spin do elétron com o campo geomagnético. Um par radical é um par de elétrons cujos spins são correlacionados, existindo em uma superposição de dois estados diferentes. A proporção desses estados é determinada pelo campo magnético, resultando em uma assinatura química diferente para diferentes alinhamentos neste campo. Acredita-se que essa bússola dependente do spin esteja localizada em moléculas conhecidas como criptocromos, que são ativadas pela luz azul das pistas ambientais. Até muito recentemente, não havia nenhuma evidência forte de que os humanos tivessem um sentido magnético. No entanto, um novo experimento de Kwon-Seok Chae e equipe da Universidade Nacional de Kyungpook na Coreia mostra, incrivelmente, que humanos famintos podem sentir o campo geomagnético para se orientar para a localização lembrada do alimento, uma orientação que parece ser dependente da luz azul (PLOS One 14 e0211826).
Também foi demonstrado por Connie Wang do Instituto de Tecnologia da Califórnia, EUA, e colegas que as mudanças na força do campo magnético da Terra causam mudanças nas ondas cerebrais alfa – oscilações na atividade neural do cérebro na faixa de frequência 8-12 Hz – em sujeitos humanos (eNeuro 6 ENEURO.0483-18.2019). No entanto, é incerto se esse efeito usa um mecanismo quântico semelhante ao da bússola aviária – na verdade, os pesquisadores sugerem exatamente o contrário, que o ferromagnetismo é o responsável pelo efeito.
Em estudos separados, as mudanças nas ondas alfa foram associadas a flutuações na produção de biofótons, medida indiretamente por flutuações em espécies reativas de oxigênio, que desempenham um papel na comunicação celular, mas também são responsáveis por vários problemas corporais. Eles estão implicados no envelhecimento, doenças e depressão e são a razão pela qual os antioxidantes são tão amplamente elogiados como sendo benéficos para a saúde. O que é interessante é que os estudos mostraram como o campo magnético mediou as mudanças na dinâmica do spin do mecanismo do par radical, levando ao aumento das espécies reativas de oxigênio. É concebível, embora ainda controverso, que os humanos usem o mecanismo de par radical no funcionamento celular essencial. Exatamente o que isso acarreta é menos claro. Poderia potencialmente oferecer um meio de compreender os efeitos fisiológicos e psicológicos aparentes das tempestades geomagnéticas, uma das quais parece ser o aumento das taxas de suicídio (Proc. R. Soc. B 279 2081).
Emaranhamento neural
A dinâmica de spin, o comportamento das partículas quânticas em um campo magnético, também está no cerne de outra teoria que sugere que os efeitos quânticos desempenham um papel na cognição. Nesse caso, entretanto, os spins em questão pertencem a núcleos e não a elétrons. Os núcleos podem ter tempos de vida de coerência particularmente longos, o que significa que seus efeitos quânticos persistem em escalas de tempo por tempo suficiente para desempenhar um papel no disparo neural e até mesmo, possivelmente, na função da memória.
Essa noção levou o físico Matthew Fisher, da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, a sugerir que as moléculas emaranhadas de spin, conhecidas como moléculas de Posner, poderiam fazer com que os nervos disparassem de maneira correlacionada. Isso acontece por meio de várias etapas. Os processos celulares funcionam com a energia fornecida pelo composto químico trifosfato de adenosina (ATP). Quando esse composto é quebrado, ele libera fosfatos, que são constituídos por fósforo (núcleos da metade de spin) e oxigênio (spin nuclear zero). Fisher afirma que os spins dos núcleos de fósforo estão emaranhados e que, além disso, se esse emaranhamento quântico puder de alguma forma ser isolado de outras interações quânticas, ele pode durar tempo suficiente para ter um efeito nos processos de cognição (Annals of Physics 362 593).
Ele sugere que os fosfatos formam moléculas de Posner ligando-se a íons de cálcio spin-zero, que atuam como uma tela eficaz de interações externas. Moléculas de Posner emaranhadas são então absorvidas pelos neurônios, ligam e liberam íons de cálcio, desencadeando a ativação neural emaranhada. Fisher usa esse modelo para sugerir por que o lítio é bem-sucedido no tratamento do transtorno bipolar. Se o lítio substituir o íon de cálcio central em uma molécula de Posner, o spin diferente de zero do íon de lítio poderia contribuir para a decoerência e ter um efeito indireto na ativação neural.
O que talvez seja mais surpreendente com relação ao lítio é que diferentes isótopos demonstraram ter efeitos diferentes no comportamento materno dos ratos. Um fenômeno semelhante foi registrado recentemente na ação do xenônio, um anestésico. Na Li e colegas da Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia em Wuhan, China, descobriram que diferentes isótopos de xenônio causam diferentes níveis de inconsciência (Anestesiologia 129 271). Parece extraordinário que mudar algo tão pequeno quanto o giro de um núcleo possa resultar em mudanças macroscópicas no nível de algo tão complexo como o instinto materno ou, de fato, a própria consciência.
Mas de que adianta?
Embora a possibilidade de efeitos quânticos no cérebro seja intrinsecamente fascinante, ela também pode contribuir para as maneiras como tratamos o cérebro e os distúrbios relacionados ao cérebro.
Desvendar exatamente como os neurotransmissores se ligam aos receptores contribuiria para a compreensão dos receptores acoplados à proteína G, como os receptores neurais e olfativos, que são um dos principais alvos da maioria das intervenções farmacêuticas. Mas, mais do que isso, identificar como os efeitos quânticos podem atuar no cérebro pode oferecer uma maneira completamente nova de imaginar uma intervenção médica além da puramente química. Por exemplo, poderia ajudar a refinar e melhorar a terapia eletroconvulsiva (a aplicação transcraniana de correntes elétricas) e o método menos bem estabelecido, mas também menos invasivo, de estimulação magnética transcraniana (o uso de campos magnéticos para estimular partes do cérebro) como tratamentos para a depressão.
Decifrar o papel da luz também pode ser benéfico, pois vários estudos recentes mostraram que ela tem uma série de efeitos fisiológicos. Os pesquisadores descobriram que os camarões expostos ao excesso de antidepressivos à base de serotonina de contaminação humana tinham maior probabilidade de buscar luz, um resultado que levou ao aumento da predação (Aquatic Toxicology 99 397). Embora seja prejudicial para o camarão, isso pode nos dizer o quanto de nossa própria fisiologia responde à luz e em que medida a luz pode ser farmaceuticamente útil.
Em outro estudo recente, os pontos quânticos – nanopartículas semicondutoras capazes de produzir luz – foram usados com sucesso para desfazer a aglomeração de proteínas ligada à doença de Parkinson e Alzheimer (Nature Nanotechnology 13 812). Enquanto isso, o declínio da visão demonstrou melhorar por meio da melhora do dano mitocondrial pelo tratamento com luz vermelha (The Journals of Gerontology: Series A 75 e49). A fotobiomodulação, a aplicação de luz laser vermelha ou infravermelha próxima, também se mostrou promissora no tratamento de vários distúrbios cerebrais, bem como na melhora da atenção, memória e aprendizado (BBA Clinical 6 113).
Uma iluminação em todos os sentidos da palavra, parece que pode haver mais do que uma metáfora para a ação de se tornar iluminado.
Publicado em 30/01/2021 10h39
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