Mis à jour le lundi 1er juillet à 9 h 25 HE.
NEW YORK - L'idée que la conscience résulte de phénomènes mécaniques quantiques dans le cerveau est intrigante, mais manque de preuves, disent les scientifiques.
Le physicien Roger Penrose, de l'Université d'Oxford, et l'anesthésiologiste Stuart Hameroff, de l'Université de l'Arizona, proposent que le cerveau agisse comme un ordinateur quantique - une machine de calcul qui utilise des phénomènes mécaniques quantiques (comme la capacité des particules à être dans deux endroits à la fois) pour effectuer des calculs complexes. Dans le cerveau, les fibres à l'intérieur des neurones pourraient former les unités de base du calcul quantique, ont expliqué Penrose et Hameroff lors du Congrès international Global Future 2045, une conférence futuriste qui s'est tenue ici du 15 au 16 juin.
L'idée est séduisante, car la neuroscience, jusqu'à présent, n'a pas d'explication satisfaisante pour la conscience - l'état d'être conscient de soi et d'avoir des expériences et des pensées sensorielles. Mais de nombreux scientifiques sont sceptiques, citant un manque de preuves expérimentales pour l'idée.
Le modèle Orch OR
Penrose et Hameroff ont développé leurs idées de façon indépendante, mais ont collaboré au début des années 1990 pour développer ce qu'ils appellent le modèle de réduction d'objectifs orchestrés (OR Orch).
Le travail de Penrose repose sur une interprétation du théorème d'incomplétude du mathématicien Kurt Godel, qui affirme que certains résultats ne peuvent pas être prouvés par un algorithme informatique. Penrose fait valoir que les mathématiciens humains sont capables de prouver des résultats dits «non démontrables par Godel», et donc le cerveau humain ne peut pas être décrit comme des ordinateurs typiques. Au lieu de cela, dit-il, pour atteindre ces capacités supérieures, les processus cérébraux doivent s'appuyer sur la mécanique quantique.
Mais la théorie de Penrose n'a pas expliqué comment cette informatique quantique s'est produite dans le cerveau réel, juste que le phénomène serait nécessaire pour résoudre certaines équations mathématiques. Hameroff a lu le travail de Penrose et a suggéré que les petites structures fibreuses qui donnent aux cellules leur support structurel - appelées microtubules - pourraient être capables d'effectuer des calculs quantiques.
Les microtubules sont constitués d'unités de la protéine tubuline, qui contient des régions où les électrons tourbillonnent très près les uns des autres. Hameroff a proposé que ces électrons puissent devenir "enchevêtrés quantiques", un état dans lequel deux particules conservent une connexion, et une action effectuée sur l'une affecte l'autre, même lorsque les deux sont séparées par une distance.
Dans le modèle OR Orch, les probabilités mathématiques qui décrivent les états quantiques de ces électrons enchevêtrés dans les microtubules deviennent instables dans l'espace-temps. Ces probabilités mathématiques sont appelées fonctions d'onde et, dans ce scénario, elles s'effondrent, passant d'un état de probabilité à une réalité spécifique. Dans cet état, les microtubules d'un neurone pourraient être liés à ceux d'autres neurones via des connexions électriques appelées jonctions lacunaires. Ces jonctions permettraient aux électrons de «se creuser un tunnel» vers d'autres régions du cerveau, entraînant des vagues d'activité neuronale qui sont perçues comme une expérience consciente.
"Penrose avait un mécanisme pour la conscience et j'avais une structure", a déclaré Hameroff à LiveScience.
Problèmes avec le modèle
Aussi intéressant que cela puisse paraître, le modèle OR Orch n'a pas été testé expérimentalement, et de nombreux scientifiques le rejettent.
Les ordinateurs quantiques - des ordinateurs qui profitent des effets de la mécanique quantique pour effectuer des calculs extrêmement rapides - ont été théorisés, mais un seul (construit par la société D-Wave) est disponible dans le commerce, et la question de savoir s'il s'agit d'un véritable ordinateur quantique est débattue. Ces ordinateurs seraient extrêmement sensibles aux perturbations dans un système, que les scientifiques appellent le «bruit». Afin de minimiser le bruit, il est important d'isoler le système et de le maintenir très froid (car la chaleur fait accélérer les particules et générer du bruit).
Construire des ordinateurs quantiques est difficile même dans des conditions soigneusement contrôlées. "Cela dépeint une image désolée pour le calcul quantique à l'intérieur du cerveau humide et chaud", a écrit Christof Koch et Klaus Hepp, de l'Université de Zurich, en Suisse, dans un essai publié en 2006 dans la revue Nature.
Un autre problème avec le modèle concerne les échelles de temps impliquées dans le calcul quantique. Le physicien du MIT Max Tegmark a effectué des calculs des effets quantiques dans le cerveau, constatant que les états quantiques dans le cerveau durent beaucoup trop peu de temps pour conduire à un traitement cérébral significatif. Tegmark a qualifié le modèle Orch OR de vague, affirmant que les seuls chiffres qu'il a vus pour des modèles plus concrets sont loin.
"Beaucoup de gens semblent penser que la conscience est un mystère et la mécanique quantique est un mystère, donc ils doivent être liés", a déclaré Tegmark à LiveScience.
Le modèle OR Orch attire également les critiques des neuroscientifiques. Le modèle soutient que les fluctuations quantiques à l'intérieur des microtubules produisent de la conscience. Mais les microtubules se trouvent également dans les cellules végétales, a déclaré le neuroscientifique théorique Bernard Baars, PDG de la Society of Mind-Brain Sciences à but non lucratif à Falls Church, en Virginie, qui a ajouté que "les plantes, au meilleur de nos connaissances, ne sont pas conscientes".
Ces critiques n'excluent pas en principe la conscience quantique, mais sans preuves expérimentales, de nombreux scientifiques ne sont pas convaincus.
"Si quelqu'un propose une seule expérience", pour démontrer la conscience quantique, Baars a déclaré: "Je laisserai tomber tout mon scepticisme."
Note de l'éditeur: Cet article a été mis à jour le 27 juin 2013 pour modifier l'affirmation selon laquelle «aucun ordinateur quantique… n'a été réalisé». La société D-Wave prétend en avoir créé un, bien que certains se soient demandé s'il fonctionne vraiment comme un ordinateur quantique.
Addendum: (1er juillet 2013)
En réponse aux critiques du modèle OR Orch citées dans cet article, Stuart Hameroff propose plusieurs éléments de preuve. En réponse à l'objection selon laquelle le cerveau est trop chaud pour les calculs quantiques, Hameroff cite une étude de 2013 dirigée par Anirban Bandyopadhyay à l'Institut national des sciences des matériaux (NIMS) à Tsukuba, au Japon, qui a constaté que «les microtubules deviennent essentiellement conducteurs quantiques lorsqu'ils sont stimulés à des fréquences de résonance spécifiques », a déclaré Hameroff.
En réponse à la critique selon laquelle des microtubules se trouvent également dans les cellules végétales (inconscientes), Hameroff a déclaré que les plantes ne possédaient qu'un petit nombre de microtubules, probablement trop peu pour atteindre le seuil nécessaire à la conscience. Mais il a également noté que Gregory Engel de l'Université de Chicago et ses collègues ont observé des effets quantiques dans la photosynthèse des plantes. "Si une tomate ou un rutabaga peut utiliser la cohérence quantique à température chaude, pourquoi notre cerveau ne le peut-il pas?" Dit Hameroff.
En réponse aux objections générales à un manque de preuves pour sa théorie, Hameroff a cité une étude de 2013 menée par Rod Eckenhoff à l'Université de Pennsylvanie qui suggère que les anesthésiques - qui arrêtent uniquement l'activité cérébrale consciente - agissent via des microtubules.
Ces études apportent un certain soutien au modèle OR Orch. Mais comme pour toutes les hypothèses scientifiques, le modèle doit accumuler des preuves significatives afin d'être largement accepté par la communauté scientifique.
