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Gibt es optische Kommunikationskanäle in unserem Gehirn?
Hier ist eine interessante Frage: Gibt es optische Kommunikationskanäle im Gehirn? Dies mag ein radikaler Vorschlag sein, aber einer, für den es mehr als nur wenige Beweise dafür gibt, dass es sich lohnt, ihn weiterzuverfolgen.
Viele Organismen produzieren Licht, um zu kommunizieren, Partner anzuziehen und so weiter. Vor zwanzig Jahren entdeckten Biologen, dass Rattengehirne unter bestimmten Umständen auch Photonen produzieren. Das Licht ist schwach und schwer zu erkennen, aber Neurowissenschaftler waren überrascht, es überhaupt zu finden.
Seitdem sind die Beweise gewachsen. Sogenannte Biophotonen scheinen auf natürliche Weise im Gehirn und anderswo durch den Zerfall bestimmter elektronisch angeregter Molekülarten erzeugt zu werden. Das Gehirn von Säugetieren produziert Biophotonen mit Wellenlängen zwischen 200 und 1.300 Nanometern – mit anderen Worten, vom nahen Infrarot bis zum Ultraviolett.
Wenn Zellen im Gehirn auf natürliche Weise Biophotonen produzieren, ist es naheliegend zu fragen, ob die Natur diesen Prozess möglicherweise ausgenutzt hat, um Informationen zu übertragen. Dazu müssen die Photonen von einem Ort zum anderen übertragen werden, und das erfordert eine Art Wellenleiter, wie eine optische Faser. Welche biologische Struktur könnte also diese Funktion erfüllen?
Dank der Arbeit von Parisa Zarkeshian von der University of Calgary in Kanada und einigen Freunden erhalten wir heute eine Art Antwort. Sie haben die optischen Eigenschaften von Axonen, den langen fadenförmigen Teilen von Nervenzellen, untersucht und kommen zu dem Schluss, dass die Übertragung von Photonen über Zentimeterentfernungen im Gehirn durchaus möglich erscheint.
Die Arbeit ist eine Überprüfung früherer Experimente und Studien von Axonen. Das Team überprüfte zunächst eine Studie, in der die optischen Eigenschaften myelinisierter Axone berechnet wurden, indem die berühmten elektromagnetischen Gleichungen von Maxwell in drei Dimensionen gelöst wurden, um die optischen Eigenschaften der Zelle zu bestimmen.
Diese Studie legt nahe, dass die äußere Beschichtung eines Axons – seine Myelinscheide – als Wellenleiter fungieren kann, um Biophotonen zu kanalisieren. Es deutet aber auch darauf hin, dass eine Vielzahl von Faktoren dieses Phänomen beeinflussen können, indem sie Licht streuen oder absorbieren.
Zu diesen Faktoren gehört, wie die Lichtübertragung durch Biegungen im Axon, durch Änderungen im Radius der Hülle, durch nicht kreisförmige Querschnitte usw. beeinflusst wird.
Zarkeshian und Kollegen kommen zu dem Schluss, dass Axone mit einer Länge von etwa 2 Millimetern – etwa der Länge von Axonen im Gehirn – zwischen 46 und 96 Prozent der in sie eintretenden Biophotonen übertragen könnten. Es ist erwähnenswert, dass sich Photonen in beide Richtungen ausbreiten können: vom Axonterminal bis zum Axonhügel oder in die entgegengesetzte Richtung entlang des Axons, heißt es.
Das Team berechnet dann die Datenübertragungsraten, die dies ermöglicht. Biologen haben die von Rattengehirnen produzierten Biophotonen mit einer Rate von einem Photon pro Neuron pro Minute gemessen. Obwohl das nicht nach vielen klingt, gibt es 1011 Neuronen in einem menschlichen Gehirn, was darauf hindeutet, dass es mehr als eine Milliarde Photonen pro Sekunde produzieren könnte.
Dieser Mechanismus scheint ausreichend zu sein, um die Übertragung einer großen Anzahl von Informationsbits zu erleichtern oder sogar die Erzeugung einer großen Menge an Quantenverschränkung zu ermöglichen, sagen Zarkeshian und Co.
Natürlich gibt es in diesen Berechnungen zahlreiche Unsicherheiten. Niemand kennt zum Beispiel die genauen optischen Eigenschaften von Myelinscheiden, weil sie nie gemessen wurden.
Der beste Weg, mehr herauszufinden, ist, die optischen Übertragungseigenschaften von Gehirngewebe zu testen. Zarkeshian und Co. schlagen eine Reihe unkomplizierter Experimente vor, die dieses Gebiet voranbringen würden. Eine Möglichkeit besteht darin, ein Ende einer dünnen Gehirnscheibe zu beleuchten und nach den hellen Flecken zu suchen, die mit den offenen Enden der myelinisierten Axone am anderen Ende zusammenhängen, sagen sie. Es gibt auch verschiedene andere Ansätze. Das ist etwas, was ein Neurowissenschaftler mit Zeit auf seinen oder ihren Händen übernehmen könnte.
All dies weist auf ein größeres Rätsel hin. Wenn unser Gehirn optische Kommunikationskanäle hat, wozu dienen sie? Dies ist eine Frage, die reif für blaue Himmelsspekulationen ist.
Ein Gedankengang geht davon aus, dass Photonen gute Träger von Quanteninformationen sind. Viele Menschen haben die Theorie aufgestellt, dass Quantenprozesse hinter einigen der mysteriöseren Prozesse des Gehirns stehen könnten, von denen nicht zuletzt das Bewusstsein selbst ist. Zarkeshian und Co. sind eindeutig von dieser Idee begeistert.
Aber das ist nicht mehr als wilde Spekulation. Quantenkommunikation erfordert deutlich mehr als optische Kommunikationskanäle. Es muss auch Mechanismen geben, die Quanteninformationen codieren, empfangen und verarbeiten können. Es ist möglich, dass lichtempfindliche Moleküle im Gehirn existieren, aber dafür gibt es wenig Beweise und noch weniger, dass sie als Quantenprozessoren dienen.
Dennoch ist diese Art des Denkens spannend und es wert, auf einer grundlegenden Ebene verfolgt zu werden. Wenn die Natur Biophotonen produziert, hat die Evolution möglicherweise einen Weg gefunden, sie zu nutzen. Die Frage ist wie.
Ref: arxiv.org/abs/1708.08887 : Gibt es optische Kommunikationskanäle im Gehirn?