L'origine de la conscience est l'un des plus grands mystères de la science. Une solution proposée, suggérée pour la première fois par le lauréat du prix Nobel et mathématicien d'Oxford Roger Penrose et l'anesthésiste Stuart Hammeroff, à l'Université de l'Arizona, à Tucson, attribue la conscience aux calculs quantiques dans le cerveau. Cela repose à son tour sur la notion que la gravité pourrait jouer un rôle dans la façon dont les effets quantiques disparaissent, ou "s'effondrent". Mais une série d'expériences dans un laboratoire au plus profond des montagnes du Gran Sasso, en Italie, n'a pas permis de trouver des preuves à l'appui d'un modèle d'effondrement quantique lié à la gravité, ce qui compromet la faisabilité de cette explication de la conscience. Le résultat est rapporté dans la revue Physics of Life Reviews .

"La façon dont la conscience apparaît dans le cerveau est un énorme casse-tête", explique Catalina Curceanu, membre du groupe de réflexion sur la physique, le Foundational Questions Institute, FQXi, et physicienne en chef des expériences à l'INFN à Frascati, en Italie. "Il existe de nombreuses idées concurrentes, mais très peu peuvent être testées expérimentalement."

La physique quantique nous dit que les chats peuvent être vivants et morts en même temps, du moins en théorie. Pourtant, dans la pratique, nous ne voyons jamais de félins enfermés dans un état de limbes aussi malheureux. Une explication populaire pour pourquoi pas est que la "fonction d'onde" d'un système - son caractère quantique lui permettant d'être simultanément dans deux états contradictoires - est plus susceptible de "s'effondrer" ou d'être détruite si elle est plus massive, le laissant dans un état défini. état, soit mort ou vivants, disons, mais pas les deux à la fois. Ce modèle d'effondrement, lié à la gravité agissant sur des objets lourds comme les chats, a été invoqué par Penrose et Hammeroff lors du développement de leur modèle de conscience, "Orch OR theory" (the Orchestrated Objective Reduction theory), dans les années 1990.

Calculs quantiques dans le cerveau

Curceanu s'est d'abord intéressée à la théorie Orch OR lorsqu'elle a rencontré Penrose, également membre de FQXi, lors d'une conférence il y a quelques années. La conscience n'est généralement pas associée aux propriétés quantiques car les effets quantiques sont fragiles et difficiles à maintenir même dans des conditions hautement contrôlées et à des températures froides en laboratoire. On a donc longtemps supposé que l'environnement chaud et humide du cerveau serait trop perturbateur pour permettre aux effets quantiques de survivre. Mais Penrose a expliqué que lui et Hammeroff ont identifié de minuscules structures appelées microtubules dans les neurones du cerveau qui pourraient potentiellement maintenir des effets quantiques pendant de courtes périodes, juste assez longtemps pour effectuer des calculs quantiques. La théorie Orch OR attribue la conscience à des calculs quantiques orchestrés ("Orch") par des oscillations électriques dans ces microtubules. "Ce que j'ai aimé dans cette théorie, c'est qu'elle est en principe testable et j'ai décidé de rechercher des preuves qui pourraient aider à la confirmer ou à l'infirmer", déclare Curceanu.

"Ce que j'ai aimé dans cette théorie, c'est qu'elle est en principe testable et j'ai décidé de rechercher des preuves qui pourraient aider à la confirmer ou à l'infirmer."

Au cœur de la théorie se trouve l'idée que la gravité est liée à l'effondrement de la fonction d'onde quantique et que cet effondrement est plus rapide dans les systèmes avec plus de masse. Ce concept a été développé dans un certain nombre de modèles par divers physiciens dans les années 1980. One of those was Lajos Diósi, at the Wigner Research Center for Physics and at the Eötvös Loránd University in Budapest, Hungary, who has co-authored the new paper with Curceanu, Maaneli Derakhshani of Rutgers University in New Brunswick, New Jersey, Matthias Laubenstein also at INFN, and Kristian Piscicchia of CREF and INFN. Penrose independently approached this idea a few years later and it became the core of his consciousness theory with Hammeroff.

The two theories are often referred to by the umbrella term, the "Diósi-Penrose theory." But behind the joint name there is an important difference, notes Curceanu. Diósi's approach predicts that collapse would be accompanied by the spontaneous emission of a small amount of radiation, just large enough to be detected by cutting edge experiments.

Going underground

Curceanu's underground lab is housed within the Gran Sasso National Laboratory, 1.4 km under the Gran Sasso Italian mountains. The lab stands on one side of the 10-km long highway tunnel which crosses the Gran Sasso massif, connecting L'Aquila and Teramo. "The location was chosen because it is basically free from cosmic-ray radiation sources above the ground, that could interfere with the experiment," says Curceanu. The experiment uses an extremely sensitive cylindrical detector, not much bigger than a mug, made from highly pure germanium. It is surrounded by shielding, made of layers of ultra-pure lead and copper, to shelter it from any background radiation coming from the rocks. After running the experiment for two months the team did not measure spontaneous radiation signals, constraining the feasibility of gravity-related collapse. In 2020, the team reported in Nature Physics that their negative result had helped them rule out the simplest version of the Diósi-Penrose model.

In their new paper they have explicitly examined the repercussions of their finding for Penrose and Hammeroff's Orch OR theory of consciousness. After reanalyzing the most plausible scenarios set out by Hammeroff and Penrose, in light of their recent experimental constraints on quantum collapse, they were led to conclude that almost none of the scenarios are plausible. "This is the first experimental investigation of the gravity-related quantum collapse pillar of the Orch OR consciousness model, which we hope will be followed by many others," says Curceanu. "I am very proud of our achievement."

Interdisciplinary characteristics

The experiments and analysis are partially funded by a grant from the Foundational Questions Institute, FQXi. "Without it, it would have not been possible to achieve this outcome," says Curceanu. "It is hard to otherwise get funding for projects such as this, based on its interdisciplinary characteristics."

"It is really exciting to connect what you can do in the laboratory to perhaps the biggest mystery in the universe—consciousness."

But all is not lost for Orch Or, adds Curceanu. "Actually, the real work is just at the beginning." she says. In fact, Penrose's original collapse model, unlike Diósi's, did not predict spontaneous radiation, so has not been ruled out. The new paper also briefly discusses how a gravity-related collapse model might realistically be modified. "Such a revised model, which we are working on within the FQXi financed project, could leave the door open for Orch OR theory," Curceanu says.

Meanwhile the team is preparing to test these refined new collapse models, to further investigate their implications for the Orch OR model. "It is really exciting to connect what you can do in the laboratory to perhaps the biggest mystery in the universe—consciousness," says Curceanu. + Explorer plus loin

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