Stuart Hameroff is een ondeugende figuur – kort, rond, met grijs haar en een breed, gnomisch gezicht. Zijn stem is rook – diep en korrelig, klaterend met het gewicht van zijn 70 jaar. Al meer dan twee decennia leidt hij een wetenschappelijke conferentie over bewustzijnsonderzoek. Hij verschijnt elke dag in een gekreukte spijkerbroek en overhemd met korte mouwen. Het effect is nonchalant, op het randje van slonzig. Maar van dichtbij heeft hij de leiding, en op zijn critici komt hij over als strijdlustig.
Het maakt hem misschien niet zo veel uit hoe hij gekleed gaat. Hij geeft er veel om hoe hij en zijn theorieën worden aangesproken.
Hameroff is het meest bekend als een soort gadfly op het gebied van neurowetenschappen en filosofie. Hij dook in 1994 op uit de raamloze ingewanden van het ziekenhuis in Arizona waar hij nog steeds als anesthesist werkt, om naar voren te brengen wat – op dat moment – een aantal van de meest bizarre ideeën over het menselijk brein leken.
De meeste neurowetenschappers zeggen dat gedachten worden geboren uit hersencellen die neuronen worden genoemd. Hameroff suggereert dat de meest betekenisvolle actie plaatsvindt op het onmogelijk kleine kwantumniveau, waar subatomaire deeltjes zoals fotonen en elektronen bizar gedrag vertonen. Kwantumfysica is de motor van het bewustzijn, meent hij.
Als Hameroff deze ideeën zelf had voorgesteld, zou hij misschien zijn genegeerd, maar zijn medetheoreticus was Sir Roger Penrose, een gewaardeerde figuur in de mathematische fysica. Hun theorie, ook wel “georkestreerde objectieve reductie” of Orch-OR genoemd, suggereert dat microtubuli, structuren die materiaal transporteren binnen cellen, ten grondslag liggen aan ons bewuste denken.
Maar het Penrose-Hameroff model van wat je kwantumbewustzijn zou kunnen noemen, was een wetenschappelijke non-starter. Vooraanstaande deskundigen verwierpen het nieuwe model ronduit. Kwantumeffecten, zo luidde de kritiek, zijn berucht moeilijk in stand te houden in het lab, en vereisen ultrakoude temperaturen en afscherming tegen zelfs de geringste interferentie. Volgens critici zijn levende wezens gewoon te “warm, te nat en te lawaaierig” om significante kwantumeffecten te laten voortduren. Bovendien, zo betoogden neurowetenschappers, bood het Penrose-Hameroff-model geen testbare hypothesen.
Het tweetal was het ondubbelzinnig oneens en karnde in de loop der jaren meer papers uit. Maar terwijl Penrose’s reputatie te torenhoog is om te vernietigen, leek Hameroff zijn stevigste voet aan de grond te krijgen via de popcultuur. Hij kreeg steun van Deepak Chopra, een auteur en New Age goeroe van kwantumbewustzijnstheorieën. Hij was ook te zien in What the Bleep Do We Know?, een film die wetenschappers boos maakte omdat ze een kwantummystiek opdrongen die aan de basis ligt van ons bestaan.
Terwijl Hameroff in 2006 een toespraak hield die zijn relatie met de wetenschappelijke gemeenschap samenvatte. Op een conferentie met de naam “Beyond Belief”, die werd bijgewoond door vooraanstaande persoonlijkheden uit vele disciplines, presenteerde hij zijn theorieën over alles van bewustzijn tot een op de kwantummechanica gebaseerde “spiritualiteit”. Aan het eind sprak de vooraanstaande natuurkundige Lawrence Krauss vanuit zijn stoel in het publiek. “Vanuit een natuurkundig perspectief,” zei hij, “is alles wat je zegt onzin.”
Velen beschouwen Hameroff als onzinnig, een wezen uit een Lewis Carroll-verhaal dat van onder een paddenstoel roept dat we het helemaal mis hebben, dat een soort kwantummagie ten grondslag ligt aan onze hersenfunctie.
Maar slechts vier jaar later was er een verschuiving aan de gang. In 2010 werd Hameroff uitgenodigd om te spreken op een minder openbare bijeenkomst, op de campus van Google in Mountain View, Californië. Zijn presentatie suggereerde dat hij misschien een vastere kijk op de werkelijkheid had dan sommigen misschien dachten.
Hameroff en enkele andere wetenschappers waren uitgenodigd door Hartmut Neven, een Google-onderzoeker in visuele zoektechnologieën. Tegen die tijd probeerden wetenschappers al de wetten van de kwantumfysica te gebruiken om kleinere, slimmere computers te bouwen. En biologen begonnen te vermoeden dat kwantumfysica belangrijk zou kunnen zijn voor processen als fotosynthese en migratie met behulp van het magnetisch veld van de aarde. Neven zegt dat hij geïnteresseerd was in het onderzoek van Hameroff omdat het begrijpen van de efficiëntie van de hersenen enorme kostenbesparingen voor Google zou kunnen opleveren.
“Ik vind het nogal opmerkelijk dat het menselijk brein in staat is zijn enorme prestaties te leveren met slechts een lepel suiker per dag,” zegt Neven.
Er gebeurde iets grappigs op Hameroffs reis door de onkruidachtige velden van wetenschappelijke spot: Er verschenen gegevens.
De gegevens zijn niet voldoende om Orch-OR te bevestigen, maar de nieuwe bevindingen suggereren dat sommige beweringen van Hameroff aannemelijker zijn dan eerder werd aangenomen. Bovendien is de microtubule – de minuscule structuren die volgens Hameroff kwantumoperaties in de hersenen huisvesten – plotseling een veelbesproken onderwerp. En twee onderzoekers komen tot de conclusie dat de oude anesthesist wel eens gelijk zou kunnen hebben: Kwantumfysica zou wel eens van vitaal belang kunnen zijn voor ons bewustzijn, onze cognitie en zelfs ons geheugen.
Lees meer: De Biocentrische Universum Theorie: Life Creates Time, Space, and the Cosmos Itself
The Hard Problem
Ondanks Hameroffs controversiële status in de wetenschappelijke gemeenschap, blijven de conferenties die hij organiseert een goede get voor neurowetenschappelijke onderzoekers en filosofen. Op zijn eerste bewustzijnsconferentie in Tucson, Arizona, in 1994, maakte de jonge filosoof David Chalmers – een Australiër in een leren jas, met het lange ruige haar van een heavy metal fan – furore met een nieuwe interpretatie van een eeuwenoud vraagstuk.
Chalmers betoogde dat sommige problemen bij cognitieve studies relatief “gemakkelijk” op te lossen zijn. De meeste informatieverwerking, zoals het besturen van een auto, is louter rekenwerk. En daarvoor is het vuren van neuronen voldoende. Het “moeilijke probleem”, zegt hij, is het bestaan van het bewustzijn zelf. Dezelfde bedrading in onze hersenen laat ons genieten van het eten van een appel en laat ons ook denken dat we er een eten als er geen echte appel in de buurt is. De wetenschap kan niet precies verklaren hoe. Theorieën waren er al in overvloed, en onderzoekers als neurowetenschapper Christof Koch – samen met Francis Crick, de mede-ontdekker van het DNA-molecuul – zochten naar wat hij de neurale correlaten van het bewustzijn noemde.
Maar waar de meesten vasthielden aan orthodoxe opvattingen over natuurkunde en neurowetenschappen, kwam Hameroff zijn meer buitenissige ideeën aanprijzen.
Tijdens de 2016 Tucson Science of Consciousness Conference werd Hameroff behandeld met het respect dat een conferentie-organisator toekomt en werd hij ook af en toe het mikpunt van grappen. Hoorbaar gekreun was te horen in het publiek, bijvoorbeeld, wanneer Hameroff de microfoon nam en wat zojuist gepresenteerd was terugbracht naar zijn eigen theorie.
Maar tijdens de lunch, op een bijzonder warme dag halverwege de conferentie, zocht Hameroff een plaatsje in de schaduw en betoogde hij dat hij slechts zo goed geeft als hij krijgt: Zijn critici mogen hun oordeel dan wel in academische finesses gieten, zegt hij, maar in wezen zeggen ze dat hij zijn carrière heeft verkwanseld in een verkeerde poging om de neurowetenschap te sturen in pure speculatie en quantum woo.
“Roger is nog steeds aan boord,” zegt hij over Penrose. “
Penrose blijft zich inzetten voor wat het tweetal in de loop der jaren samen heeft gepubliceerd – de theoretische wetenschap. Ze verschillen van mening buiten de pagina. Penrose heeft zich meestal stilgehouden over de filosofische implicaties van hun theorie. Hameroff heeft vrijuit gespeculeerd over wat het allemaal betekent. Zo stelde hij bijvoorbeeld dat bijna-doodervaringen een reële afspiegeling zouden kunnen zijn van een mogelijk kortstondig quantum-leven na de dood.
De uitdaging is dus om Hameroffs speculaties terzijde te schuiven en in plaats daarvan te kijken naar wat hij en Penrose hebben gepubliceerd, en hoe dit merkwaardige paar überhaupt tot partners is gekomen.
Hameroffs biografie, en tenminste sommige van zijn beweringen, zijn steviger in de wetenschap geworteld dan zijn critici gewoonlijk toestaan.
Carnival Barker’s Son
Hameroff werd in 1947 geboren in Buffalo, New York. Zijn vader, Harry, trad op als kermisblaffer en als komiek in het burleske theater en vaudeville. Zijn grootvader Abraham had een grote invloed op hem. Hij kocht boeken over wetenschap voor de jonge Stuart en leerde hem over Einstein. “Hij was een soort intellectuele dilettant,” zegt Hameroff. “Hij wist veel over veel.”
Toen het tijd werd voor een hogere opleiding, was Hameroff al diep geïnteresseerd in het “geest-lichaam probleem” – in wezen Chalmers “harde probleem” voordat hij de term bedacht.
Hameroff koos voor een medische opleiding, maar het vinden van een specialisme ontging hem. Neurologie? Psychiatrie? Tijdens een stage in het Tucson Medical Center vertelde de voorzitter van de afdeling anesthesiologie hem dat anesthesiologie de sleutel was tot het begrijpen van het bewustzijn. Dus ging Hameroff op onderzoek uit, en zijn carrière in de anesthesiologie kreeg al snel vorm.
Hameroff zegt dat een patiënt onder narcose een relatief normale hersenfunctie vertoont, op één ding na: het bewustzijn. Neuronen blijven vuren, en zelfs pijnsignalen leggen hun normale route af. Maar die pijn wordt nooit gevoeld, nooit ervaren. De wetenschap van de anesthesie zit in het hart van het moeilijke probleem – “gemakkelijke” rekenprocessen laten doorgaan terwijl subjectieve ervaring selectief wordt geëlimineerd. Maar niemand weet precies hoe.
Al vroeg in zijn carrière vermoedde Hameroff dat microtubuli een antwoord zouden kunnen bieden. Microtubuli werden bij toeval ontdekt in de jaren zestig. In de daaropvolgende decennia bleken zij een van de meest veelzijdige biologische structuren in de natuur te zijn. Tubuline, een flexibel eiwit, vormt een lange keten waaruit microtubuli ontstaan. Deze 25 nanometer brede buisjes – duizenden malen kleiner dan een rode bloedcel – worden in elke cel van planten en dieren aangetroffen.
Microtubuli fungeren als het cruciale cytoskelet, dat de structuur van levende cellen ondersteunt; als transportbanden, die chemische componenten van de ene cel naar de andere verplaatsen; en als bewegers zelf, die verschillende formaties aannemen en chromosomen delen. Tijdens de celdeling verplaatsen microtubuli de chromosomen van het ene uiteinde van de cel naar het andere en plaatsen ze de chromosomen in de nieuwe dochtercellen. Microtubuli spelen zelfs een rol aan de buitenkant van cellen, door cilia en flagellen te vormen die celbeweging mogelijk maken. Daarmee zijn deze structuren zo’n beetje de Transformers van de biologie.
Hameroff kwam tot de overtuiging dat de microtubule een bepalende rol speelt bij de effecten van verdoving – bij het bewustzijn. Hij wijst op de eencellige paramecium als bewijs. “De paramecium heeft geen centraal zenuwstelsel,” zegt hij. “Geen hersenen, geen neuronen, maar het zwemt rond, vindt voedsel, zoekt een partner en vermijdt gevaar. Het lijkt keuzes te maken, en het lijkt zeker informatie te verwerken.”
Hoe? Of meer naar Hameroff’s punt, waar? In welk deel van de paramecium vindt deze ruwe vorm van kennis plaats? Hameroff dacht dat hij de antwoorden kon vinden in de enige interne structuur van de paramecium: microtubuli, het cytoskelet van de paramecium. En omdat dit structuren op nanoschaal zijn, begon hij ook te denken dat kwantumfysica een rol zou kunnen spelen. Maar in de jaren tachtig kreeg zijn onderzoek geen publieke erkenning. Toen, op een avond in 1990, ging hij zitten om Penrose’s boek The Emperor’s New Mind te lezen, een verrassende bestseller die door de natuurkunde, kosmologie, wiskunde en filosofie slingert voordat hij een laatste, knallende halte maakt bij het bewustzijn.
In zijn afsluitende pagina’s vraagt Penrose zich af hoe vurende neuronen ervaring genereren. Hij meent dat kwantumfysica nodig zou kunnen zijn om het bewustzijn te begrijpen.
Maar waar in het lichaam – een onherbergzame plaats voor delicate kwantumverstoringen – zouden dergelijke gebeurtenissen kunnen plaatsvinden? Hameroff voelde zich onmiddellijk verbonden met Penrose. En natuurlijk dacht hij dat microtubuli het antwoord zouden geven.
Van veraf leken de twee een vreemde combinatie: Penrose is een van de meest gerespecteerde wetenschappers van de laatste halve eeuw, en zijn werk in de kosmologie en de algemene relativiteit heeft hem hoge onderscheidingen opgeleverd. Hameroff was een relatieve onbekende, schreeuwend over een obscure biologische structuur. Maar binnen een paar jaar waren ze samen auteur van papers, en trokken ze de hoon aan van een generatie collega-wetenschappers.
Data Arrives
In het kort stelt Orch-OR voor dat het bewustzijn zijn oorsprong vindt in microtubuli en acties binnen neuronen, in plaats van de verbindingen tussen neuronen. Als je een tennisbal met een racket slaat, kun je daarna met behulp van de traditionele natuurkunde voorspellen waar de bal zich op een bepaald punt bevindt. Maar in de kwantumwereld gaan zulke verwachtingen het raam uit. Bewegingen zijn onbekend totdat ze worden waargenomen, volgens de traditionele interpretatie van de kwantummechanica. Natuurkundigen noemen deze laatste waarneming, die bepaalt wat er is gebeurd, een golf die “ineenstort” tot een enkele toestand.
In kwantumsystemen binnen het neuron stellen Hameroff en Penrose dat het elke ineenstorting van de golffunctie is die een bewust moment oplevert.
Hameroff en Penrose maakten zich schuldig aan het inroepen van een mysterie om een ander op te lossen: We begrijpen het bewustzijn niet, en we begrijpen de kwantumfysica niet, dus misschien verklaren ze elkaar?
Dus Orch-OR was en blijft kwetsbaar voor aanvallen – en velen doen dat met veel enthousiasme. Twee decennia geleden waren neurofilosofe Patricia Churchland en natuurkundige Max Tegmark onder degenen die regelrecht de aanval inzetten. Hameroff en Penrose reageerden, en Hameroff publiceerde een lijst met 20 testbare voorspellingen van Orch-OR.
De grotere theorie dient echter als een soort afleiding van enkele ideeën van Hameroff: dat kwantumfysica een niet-triviale rol zou kunnen spelen in menselijke cognitie en bewustzijn, en dat microtubules – activiteit binnen het neuron – deze kwantumgebeurtenissen zouden kunnen huisvesten.
“Als je pakweg tien jaar geleden in deze richting zou hebben gespeculeerd, zou je voor crackpot zijn uitgemaakt,” zegt Google’s Neven.
Maar onderzoekers hebben onlangs ontdekt dat kwantumeffecten belangrijk zijn voor bepaalde biologische processen, zoals fotosynthese. Wanneer een foton een elektron in een blad raakt, levert het elektron het af aan een ander molecuul, het zogenaamde reactiecentrum, dat het licht omzet in chemische energie om de plant te voeden. Wetenschappers dachten altijd dat het proces bijna te efficiënt was, omdat er maar heel weinig overtollige energie verloren gaat in het proces.
Toen, in 2007, begonnen onderzoekers te vermoeden dat kwantumfysica achter deze efficiëntie zat. Het elektron zou het kwantumeffect van superpositie, waarbij een deeltje op twee plaatsen tegelijk kan zijn, kunnen gebruiken om verschillende routes te testen naar het reactiecentrum waar de fotosynthese plaatsvindt, en de meest efficiënte te nemen. Het concept is nog niet bewezen, maar het heeft aan kracht gewonnen. Neven zegt dat wetenschappers nu voorzichtig zijn om dergelijke ideeën niet zonder meer af te wijzen.
In een recent artikel in Nature Physics bijvoorbeeld noemde natuurkundige Neill Lambert van het Advanced Science Institute in Japan het nieuwe fotosynthese-onderzoek alleen al opmerkelijk omdat het suggereert dat kwantumeffecten kunnen optreden in biologische systemen bij kamertemperatuur.
En onlangs gaf Rod Eckenhoff, onderzoeker aan de Universiteit van Pennsylvania en criticus van Hameroff, kikkervisjes verdovingsmiddelen om uit te zoeken aan welke moleculen zij zich binden. Zijn team ontdekte dat tubuline-eiwitten daartoe behoorden, en ontdekte vervolgens dat wanneer een soort omgekeerd middel werd toegediend – een microtubule-stabiliserend geneesmiddel – de verdovingseffecten ook werden versterkt. Hij blijft een criticus van Hameroffs “speculatieve” theorieën, maar zegt dat zijn onderzoek suggereert dat microtubuli “een rol” zouden kunnen spelen in het bewustzijn.
Hameroff blijft echter controversieel. Koch, de hersenonderzoeker en bewustzijnsdeskundige, weigerde commentaar te geven en zei dat hij niet de “eeuwige criticus” wil zijn waar iedereen naar toe gaat voor het neerhalen van de Hameroff-Penrose theorie. Maar sommigen draaien bij.
“Ik was altijd nogal sceptisch over Stuart’s beweringen over microtubules,” zegt Anthony Hudetz, een neurowetenschapper op de afdeling anesthesiologie aan de Universiteit van Michigan. “Maar nu zijn er gegevens. En ik moet zeggen, ik denk dat Stuart nu wel wat momentum heeft.”
Hudetz ziet microtubules als een goed potentieel mechanisme om anesthesie te verklaren. “Ik heb het gevoel dat de hele microtubuleleer eigenlijk al aardig gerijpt is,” zegt hij. Voor Hudetz komt het er nu op aan te testen of de moleculaire gebeurtenissen binnen microtubuli daadwerkelijk verband houden met de kwantumgebeurtenissen zoals Hameroff voorstelt.
En nu brengen twee wetenschappers die onafhankelijk van elkaar werken, maar allebei openlijk door Hameroff zijn geïnspireerd, het microtubule-onderzoek naar een heel nieuw niveau.
Inside The Neuron
Anirban Bandyopadhyay vatte zijn onderzoek samen in een toespraak op Hameroffs conferentie Science of Consciousness 2016. 1,80 meter lang en slank met donker, zwart haar en een brede, vrolijke glimlach, Bandyopadhyay geniet van een loodzware baan voor een wetenschapper in zijn vroege jaren 40, het leiden van zijn eigen onderzoeksgroep aan het National Institute for Materials Science (NIMS) in Japan. Als natuurkundige heeft hij de interne werking van zowel natuurlijke als kunstmatige hersenen bestudeerd. Om de hersenfunctie te begrijpen, moeten wetenschappers volgens Bandyopadhyay de werking binnenin het neuron begrijpen, met inbegrip van de microtubule.
De conventionele opvatting is dat neuronen ontvlammen wanneer een kanaal in het celmembraan wordt geopend, waardoor het neuron wordt overspoeld met positief geladen ionen. Zodra een bepaalde drempel is bereikt, gaat een elektrisch signaal door het axon – de zenuwvezels in het neuron – en het neuron vuurt. Axonen zijn lange draden die neuronen verbinden met andere cellen. Binnen elk axon bevindt zich een bundel nanodraden, waaronder de microtubule.
Bandyopadhyay ontdekte dat hij een van deze specifieke ladingen kon aanbrengen op de microtubule, waardoor activiteit in het neuron werd opgebouwd. Door de stroom door te laten gaan, kon hij het neuron laten vuren, of – door het signaal af te breken – het neuron helemaal laten stoppen met vuren.
Hij zegt dat deze bundel nanodraden resoneert als een gitaarsnaar en duizenden malen sneller vuurt dan de normale activiteit in een neuron. De neuron, zo dacht hij, is niet de essentiële, of eerste oorzaak van het menselijke denkproces, in tegenstelling tot alle huidige wetenschappelijke inzichten.
“moeten dieper gaan – in de microtubule,” zegt hij.
Voor Bandyopadhyay is de nadruk van de moderne hersenwetenschap op het neuron misplaatst. Hij noemt neurowetenschap soms brutaal en verwant aan dermatologie.
“Het neuron is de huid,” zegt hij. “Het is belangrijk, ja, maar niet alles.”
Fringe or Frontier?
Bandyopadhyay’s werk in 2013 aan de microtubule vereiste het ombouwen van een speciale microscoop en het sluiten van een contract met een extern bedrijf om een naald te maken met een punt van 1 bij 1 nanometer – de kleinste die ooit is gemaakt, aldus Bandyopadhyay. Zijn team gebruikte deze om met ongelooflijke precisie in de microtubule te kijken.
Bandyopadhyay stak de naald in een neuron van een rat om de microtubule te bekijken. Terwijl hij dat deed, flikkerden de monitoren aan een muur in de kamer met beelden van het allerkleinste niveau van dierlijke biologie. De volgende reeks experimenten bestond erin verschillende elektrische ladingen aan te brengen en zowel de “huid” van het neuron als de binnenkant van de microtubule te bekijken. In het begin gebeurde er niets. Maar toen hij specifieke energieladingen op de microtubule begon aan te brengen, reageerde deze door te vibreren en de elektriciteit te geleiden. Dit was merkwaardig en opwindend.
Een microtubule bestaat uit vele afzonderlijke subeenheden. Als ze op een zuiver klassieke manier zouden werken, als isolatoren – zoals hout, glas en andere veelgebruikte materialen die verhinderen dat elektrische stroom vrij kan stromen – zou de hoeveelheid weerstand over de microtubule moeten toenemen. Maar Bandyopadhyay ontdekte iets heel anders toen hij specifieke ladingen wisselstroom toepaste. De weerstand nam toe met een factor van een miljard. De microtubule gedroeg zich als een soort halfgeleider, een van de belangrijkste ontwikkelingen in de elektronica. Hij stond verbaasd over zijn eigen resultaten.
“Als je dit soort resultaten krijgt,” zegt hij, “schrik je wel. Heb ik het op de een of andere manier mis?”
Maar hij controleerde het en liet zelfs collega’s buiten zijn laboratorium bij NIMS naar zijn resultaten kijken. In latere experimenten zag hij dat deze geleidende activiteit in de microtubule voorafging aan het vuren op neuronaal, of membraangebied. Zijn onderzoek naar microtubuli verscheen in het tijdschrift Biosensors and Bioelectronics. En een andere studie wordt nog door vakgenoten beoordeeld.
De bevindingen moeten nog door andere wetenschappers worden gerepliceerd. Maar degenen die Bandyopadhyay’s bevindingen aanprijzen, zijn filosofisch over zijn status.
“Als je op zoek bent naar grensverleggende wetenschap, moet je naar de rand van het bekende gaan,” zegt David Sonntag, een toxicoloog die voorheen in Tokio werkte voor de U. S. Air Force’s Research and Research.S. Air Force’s Research and Development Wing en hielp een deel van Bandyopadhyay’s onderzoek te financieren.
“Als je een verkeerde afslag neemt,” zegt hij, “stuit je op zijn gekke buurman, de marginale wetenschap. Het gaat erom dat je begrijpt wanneer je op het bifurcatiepunt bent. Wanneer wordt de marge de grens?”
Voorlopig blijft Bandyopadhyay duidelijk aan de marge. Maar hij heeft iets nieuws in het debat gebracht: een al dan niet repliceerbaar experiment en een andere kijk op Hameroff.
Hij distantieert zich zorgvuldig van Hameroffs grotere theorie over het bewustzijn. “Dat is niet mijn zorg,” zegt hij. Toch beschrijft hij Hameroff als een vader voor zijn eigen onderzoek. “Deze man had het in 1982 al over microtubuli’, zegt hij. “Hij dacht er alleen al aan, kon ze niet bestuderen zoals ik dat heb gedaan, maar hij wist het wel, en hij was iedereen ver vooruit. Ik vroeg me af: ‘Wat voor hersens heeft hij?’
A Circuit’s Missing Element
Er is ook een andere, veel meer ervaren wetenschapper die aan hetzelfde onderzoek werkt en dramatische resultaten ziet met betrekking tot de microtubule.
Jack Tuszynski, een biofysicus aan de Universiteit van Alberta, is een oude medewerker van Hameroff die medicijnen tegen kanker ontwikkelt. Zijn laatste bevindingen suggereren dat microtubuli interessante geleidende eigenschappen hebben, maar wijzen er ook op dat ze zogenaamde “memristors” kunnen zijn. De memristor is het veelgevraagde vierde element in een elektrische schakeling, voor het eerst getheoretiseerd door Leon Chua, een elektrotechnicus aan de Universiteit van Californië, Berkeley.
Chua zag iets voor de hand liggends. De drie bestaande elementen – weerstand, condensator en spoel – zijn afhankelijk van relaties tussen paren die bepalen hoe elektriciteit stroomt, hoe het wordt opgeslagen en hoe het verandert als het door een stroomkring beweegt:
– weerstand (spanning + stroom)
– condensator (spanning + lading)
– spoel (magnetische flux + stroom)
Door de paren te bestuderen, theoretiseerde Chua dat er een vierde circuitelement moest zijn dat de relatie tussen het “ontbrekende” paar – lading en flux – regelt. Chua bedacht de term memristor, een woordspeling op de woorden geheugen en weerstand, en vanaf dat moment was zijn werk strikt wiskundig. Als zo’n schakelelement zou bestaan, wat zou het dan doen? Chua’s vergelijkingen suggereerden dat de elektrische weerstand, of geleidbaarheid, van een memristor niet constant zou zijn, zoals die van een gloeilamp, maar dynamisch, en bepaald door de geschiedenis van de stroom die door het apparaat heeft gelopen.
Wat is het grote probleem? Bij transistors leidt elke onderbreking in de elektronenstroom tot gegevensverlies. Memristors bevatten echter zowel elektronenstroom als ionen – elektrisch geladen atomen.
Omdat zij de lading onthouden die eerder door het materiaal is gegaan, kan informatie behouden blijven, zelfs als het is uitgeschakeld. Voor computers betekent deze innovatie dat ze niet meer opnieuw hoeven te worden opgestart. Computers gaan aan als gloeilampen, en harde schijven behoren tot het verleden.
De race om memristorchips te bouwen tegen een kostprijs die schaalbaar is voor consumentencomputers is begonnen, en daar is een goede reden voor: Memristoren verbruiken misschien 1% van de energie van een standaardchip. En terwijl standaard computerchips beperkt zijn tot de binaire code van 0’s en 1’s, handelen memristors in fractionele eenheden van informatie – een ontwikkeling die als sleutel wordt beschouwd bij het bouwen van computers die zich gedragen als het menselijk brein.
Tuszynski was niet bekend met memristors totdat hij Chua ontmoette op een conferentie in India in 2015. “Ik denk dat microtubuli memristors zijn,” vertelde Chua hem, waarmee hij een langdurige interesse in het werk van Hameroff onthulde. Chua was vooral getroffen, zegt hij, toen hij Hameroff er eens op hoorde wijzen dat microtubuli alomtegenwoordig zijn in de natuur, terwijl neuronen dat niet zijn. Dit inzicht – eigenlijk een simpele constatering van een feit – vond Chua van cruciaal belang. “Al deze biologische systemen houden zich bezig met een soort informatieverwerking,” zegt hij. “
Hij dacht dat Hameroff het antwoord had gevonden in microtubuli.
Tuszynski is heel anders dan Hameroff, zijn vaste medewerker bij het onderzoek. Hij is standvastig en praktisch, heeft meer dan 400 artikelen gepubliceerd in peer-reviewed publicaties en zwoegt op de aardse gebieden van de precisiegeneeskunde en de computationele biologie. “Stuart is, denk ik, erg vatbaar voor speculatie,” zegt hij. “In veel opzichten is hij zijn eigen ergste vijand en zou hij beter af zijn als hij zichzelf een beetje zou beperken. Maar Stuart is een genie. Zijn werk aan microtubuli, zelfs voordat hij ooit betrokken raakte bij Penrose, is briljant, en het is de reden waarom ik vandaag de dag aan microtubuli werk.”
Om de memristortheorie te testen, vulde Tuszynski’s team een schaaltje met microtubuli, tubuline-eiwitten en een bufferoplossing, en voegde vervolgens elektriciteit toe. In de loop van vele weken ontdekte hij een fascinerend resultaat. Hoe meer hij de bufferoplossing verving door meer microtubuli, hoe beter de geleiding werd.
“De geleiding nam twee- of drievoudig toe naarmate de aanwezigheid van microtubuli toenam,” zegt Tuszynski, wat suggereert dat de microtubuli beter energie konden geleiden dan de bufferoplossing.
Daarnaast vond hij het kenmerkende memristor-effect: Wanneer hij de stroom omkeerde, zoals bij een wisselstroom, nam de efficiëntie van de geleiding toe, alsof de microtubule zich de stroom herinnerde die er eerder doorheen ging.
Tuszynski’s lab publiceerde afgelopen zomer een artikel over de geleidende eigenschappen van microtubules in Nature Scientific Reports, en bereidt nu een artikel voor over microtubules als memristors. Als deze resultaten standhouden, zou dat Hameroffs zaak kunnen ondersteunen.
The Quantum Realm
De laatste ochtend van de conferentie in Tucson rolt Hameroff langzaam een koffer uit naar de lobby en ploft neer in een loungestoel om nog een paar administratieve taken af te handelen.
“Ik denk dat het goed is gegaan,” zegt hij. “Mensen vertellen me dat ze ervan genoten hebben. Ik heb dit georganiseerd, dus dat kan onzin zijn. Maar ik denk dat ze het menen.”
Dit was een Hameroff-productie, dus er was nogal wat strijd. Chalmers beschuldigde Hameroff ervan dat hij de conferentie te ver in het kwantumdomein had gebracht.
Hameroff heeft een pasklaar antwoord. Hij kon zoveel kwantumgeoriënteerde conferentiesessies houden, zegt hij, omdat kwantumbiologie een groeiend vakgebied is.
Natuurlijk wil dit alles niet zeggen dat Hameroff dit debat wint. Hij moet rand als grens herdefiniëren, en dat zal hij misschien ook nooit doen. Maar op dit moment, nu wetenschappelijk succes voor een deel een eenvoudige functie van wiskunde is – wint of verliest een idee aanhangers? – is hij duidelijk op weg naar boven, en dat is misschien nooit zo duidelijk als wanneer hij opstaat om te vertrekken.
Met één hand aan het handvat van zijn bagage wordt hij onmiddellijk tegengehouden. Hudetz, de anesthesist die Hameroff ooit zo minachtend bejegende, loopt naar hem toe om hem te begroeten. Hij zegt tegen zijn gastheer, met een schijnbare ernst: “Het was een erg goede conferentie, Stuart. Ik heb het erg naar mijn zin gehad.”
Hameroff bedankt hem. Ze kletsen wat, en Hudetz loopt weg. “Weet je,” zegt Hameroff, hem tegenhoudend, “je zou eens wat onderzoek moeten doen naar microtubuli.”
“Grappig dat je dat zegt,” antwoordt Hudetz. “Omdat we het er in mijn lab over hebben. Er is wat interesse. Misschien gaan we dat wel doen.”
Steve Volk is redacteur bij Discover.