Le "cerveau quantique", une théorie audacieuse qui pourrait aider à résoudre le mystère de la naissance de la conscience humaine

Alejandra Martins BBC News Mundo

Que fait votre cerveau en ce moment même lorsque vous lisez cet article ? Comment comprend-il l'information et remarque-t-il en même temps votre environnement, vos perceptions et vos sentiments ?

Malgré les progrès des études sur le cerveau, la question de savoir ce qu'est la conscience et comment elle apparaît reste un mystère.

Deux études récentes menées à l'Institut des neurosciences du Trinity College de Dublin, en Irlande, suggèrent que la réponse à ce mystère pourrait se trouver dans la physique quantique.

Dans le monde quantique, les certitudes de la physique classique cèdent la place à une dimension de probabilités. Et il existe également des phénomènes qui peuvent sembler étranges, comme la connexion entre des objets même lorsqu'ils sont éloignés les uns des autres.

Les deux études, publiées dans le Journal of Physics Communications, indiquent que notre cerveau pourrait fonctionner comme un ordinateur quantique.

Si les conclusions des chercheurs sont confirmées, elles pourraient aider à comprendre non seulement le fonctionnement du cerveau, mais aussi ce qui se passe en cas de déficience cognitive due à l'âge ou à une maladie.

Classique et quantique

Dans le domaine de la physique classique, qui comprend tout, d'une table aux planètes, les objets ont des emplacements et des vitesses définis.

Dans la physique du très petit, l'échelle quantique, en revanche, les particules n'ont pas d'emplacement fixe, mais une probabilité qu'elles existent à un endroit et à un moment donnés.

À cette échelle, on parle également d'intrication quantique, un phénomène qui se produit lorsque deux particules sont tellement liées que ce qui arrive à l'une affecte immédiatement l'autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

"La physique traditionnelle est chargée d'expliquer les effets macroscopiques que nous observons", a expliqué à BBC Mundo David López Pérez, un scientifique espagnol titulaire d'un doctorat en neurosciences et coauteur des deux études.

"La physique quantique tend à être probabiliste parce que nous ne pouvons jamais savoir avec certitude ce qu'une chose particulière va devenir."

En quoi consistait l'expérience ?

Dans la première de ces études, M. Lopez Perez et son co-auteur, Christian Kerskens du Trinity College, ont utilisé des machines IRM modifiées pour scanner le cerveau de 40 personnes.

Pour obtenir une imagerie par résonance magnétique (IRM), de puissants aimants font en sorte que les particules magnétiques du corps s'alignent dans la même direction. Le mouvement de la matière à l'intérieur du corps peut alors être observé.

Dans le cas de l'étude, ce que les scientifiques ont observé dans le scanner, c'est le comportement des protons dans le cerveau.

"Le cerveau contient beaucoup d'eau. Dans les scanners IRM, vous envoyez un signal, une impulsion pour que les protons de l'eau soient excités, puis ils reviennent à leur position initiale", explique M. Lopez Perez.

"C'est comme quand on fait une fête. Vous êtes tous en train de parler entre vous et soudain le DJ joue la musique que tout le monde aime et tout le monde se tourne vers le DJ pour écouter la musique. Et quand la musique s'arrête, tout le monde retourne à ce qu'il faisait. C'est ce qui est fait dans les IRM pour mesurer les protons dans l'eau".

Les scientifiques ont découvert dans cette expérience qu'il y avait une intrication quantique entre les protons du cerveau.

"Les protons interagissent entre eux, c'est comme s'ils étaient là séparément et que soudain une relation s'établissait.

"L'expérience n'a jamais été réalisée auparavant, car nous avons saturé le signal. C'est comme si le DJ jouait la meilleure musique tout le temps et que les gens le regardaient toujours. C'est à ce moment-là que nous voyons ces effets".

Quel est le rapport entre cet enchevêtrement et la conscience ?

Pour explorer le fonctionnement du cerveau, les chercheurs ont appliqué un outil développé dans le passé pour tenter de tester un phénomène appelé "gravité quantique".

Cet outil stipule que lorsque deux systèmes quantiques connus interagissent avec un système inconnu, si les systèmes connus sont entrelacés, alors l'inconnu doit également être un système quantique.

"Cela permet d'éviter les difficultés liées à la recherche de dispositifs de mesure pour quelque chose dont nous ne savons rien", a expliqué M. Kerskens.

Dans l'expérience IRM, les systèmes connus sont les protons enchevêtrés. Et le système inconnu avec lequel ils interagissent est le fonctionnement du cerveau.

"Nous disons que les protons sont enchevêtrés parce qu'il y a une fonction qui sert de médiateur à cet enchevêtrement, et pour nous cette fonction est la conscience qui sert de médiateur", a déclaré Lopez Perez.

"Nous ne pouvons pas le mesurer directement, mais nous mesurons les protons.

Le scientifique a expliqué à BBC Mundo que "la gravité quantique est un monde purement théorique qui n'a pas encore été expliqué expérimentalement et qui vise à unir deux théories a priori incompatibles (la mécanique quantique et la théorie de la relativité). Pour ce faire, ils ont créé la figure du graviton, qui est quelque chose dont nous ne savons pas à quoi il ressemble mais qui serait le pont entre les deux théories".

"C'est comme si nous avions deux personnes aux opinions politiques différentes qui ne parvenaient à aucun accord, mais qui, grâce à un négociateur, pouvaient mettre leurs différences de côté et s'asseoir pour discuter".

"Dans le cerveau, nous proposons quelque chose de similaire. Nous proposons que le fonctionnement de notre signal IRM ne puisse pas être expliqué de manière classique".

"Nous observons que les protons s'entrecroisent, mais nous ne savons pas comment ni pourquoi. Nous avons donc repris les idées de la gravité quantique et proposé qu'il y ait un médiateur dans ce processus qui permette que cela se produise. Ce médiateur pour nous est la conscience.

Les scientifiques ont commencé à réfléchir à la relation avec la conscience à cause d'un patient qui s'est endormi.

"Au départ, nous ne pensions pas qu'il y avait une relation avec la conscience. Cette idée nous est venue d'un participant qui s'est excusé de s'être endormi dans le scanner", a déclaré M. López Pérez.

"Nous avons observé comment le signal diminuait lorsque le participant s'endormait dans le scanner et réapparaissait lorsqu'il se réveillait. Puis nous avons commencé à penser qu'il y avait une possibilité de relation avec l'état conscient du participant".

"C'est la seule explication que nous avons trouvée, mais nous devons reproduire l'expérience et mener une étude plus poussée qui nous permettra de démontrer ce qui a été présenté dans les deux études que nous avons récemment publiées".

Le rôle du cœur

Les scientifiques ont également observé un lien entre le signal d'intrication et le fonctionnement du cœur.

"Notre signal est très sensible à toute perturbation et le signal provenant du cœur est susceptible de perturber l'intrication, c'est pourquoi notre signal ressemblait à celui d'un électrocardiogramme", a déclaré López Pérez.

Le scientifique a expliqué que le signal d'intrication est très sensible.

"Si vous êtes dans l'IRM et que vous bougez, le signal est perdu.

"Et ce que fait le coeur, c'est qu'il envoie du sang tout le temps. Lorsque le sang pénètre dans le cerveau, celui-ci se dilate et se contracte. Quand il se dilate, le liquide céphalo-rachidien sort et le sang entre. Quand il se contracte, le sang sort et le liquide rentre."

"Nous pensons donc que ce mouvement est à l'origine de la modification du signal, car nous perdons cette relation quantique en raison du mouvement pendant un très bref instant."

Les scientifiques ont attaché un pulsomètre au doigt des participants pour mesurer le flux sanguin.

"Nous avons constaté que les changements dans le signal d'intrication et le rythme cardiaque étaient couplés dans le temps, ils étaient synchronisés."

Quelles peuvent être les applications futures de la recherche ?

Dans une deuxième étude, les chercheurs ont montré que les signaux d'intrication dépendaient également de l'âge des participants.

Dans cette deuxième expérience, des images IRM ont été obtenues à partir de deux groupes de patients d'âge différent. Un groupe était composé de personnes âgées de 18 à 30 ans, et l'autre de personnes âgées de 65 ans et plus.

"Ce que nous avons vu, c'est qu'avec l'âge, il y avait des changements assez significatifs dans le signal", a-t-il souligné.

"C'est quelque chose que nous ne pouvons pas encore expliquer. Nous avons également fait un essai pilote avec quelques patients souffrant de dépression. Ils étaient peu nombreux, mais il semblait que les signaux étaient également différents."

"Alors qu'est-ce qui se passe ici avec l'intrication - est-ce que c'est que ces communications cérébrales ne fonctionnent plus bien ?"

"Nous savons qu'avec l'âge, il y a beaucoup et beaucoup de changements structurels dans le cerveau, il devient plus petit, votre pression artérielle augmente, votre flux sanguin change."

"Peut-être qu'à l'avenir, ces études pourront être utilisées pour générer une sorte de médicament.

Kerstens a expliqué que "comme les fonctions cérébrales étaient également corrélées aux performances de la mémoire à court terme et à la conscience, il est probable que les processus quantiques jouent un rôle important dans nos fonctions cérébrales cognitives et conscientes".

Le cerveau quantique

Selon les chercheurs, la prochaine étape consiste à mener des études à plus grande échelle.

"Ce que nous essayions de faire avec ces expériences, c'était essentiellement de prouver que le cerveau peut se comporter de manière quantique. Nous voulions donner une preuve physique de quelque chose dont on parle depuis de nombreuses années. Parce qu'il y a eu des conjectures selon lesquelles le cerveau peut être quantique depuis l'époque où la mécanique quantique a commencé, dans les années 1930 ou 1940", a indiqué M. López Pérez.

"Mais personne n'a été capable de le prouver."

"Dans l'étude, ce que nous essayons de faire, c'est d'écarter continuellement la physique classique pour prouver qu'au final, le cerveau se comporte de manière quantique".

Le scientifique espagnol a souligné que la physique classique peut expliquer de nombreux aspects du cerveau, tels que les modifications du flux sanguin ou l'activation des neurones.

"Mais la conscience, par exemple, est quelque chose qui n'est pas compris.

"Je crois que si nous voulons comprendre le cerveau, nous devons descendre d'un niveau jusqu'à l'échelle quantique.

"Avec cette étude, nous espérons faire notre part dans le domaine des neurosciences et suivre une ligne de recherche (le monde quantique). Jusqu'à présent, cela a été théorisé (bien que pour beaucoup, ce type d'intrication ne puisse exister dans un corps chaud et humide comme notre cerveau), mais aucune preuve scientifique n'a été trouvée comme celle que nous présentons."

Pour Kerstens, "les processus cérébraux quantiques pourraient expliquer pourquoi nous pouvons encore surpasser les superordinateurs lorsqu'il s'agit de circonstances imprévues, de prendre des décisions ou d'apprendre quelque chose de nouveau. Nos expériences ... peuvent faire la lumière sur les mystères de la biologie et de la conscience."