Du traitement quantique dans le cerveau?

C’était en 1986. Les films Top Gun et La folle journée de Ferris Bueller étaient à l’affiche au cinéma, alors que les chansons Papa Don’t Preach et The Final Countdown dominaient les palmarès.

En Illinois, Matthew Fisher, physicien quantique alors âgé de 26 ans, terminait son doctorat. Avec une bourse postdoctorale déjà garantie et un mariage prévu pour l’été, il avait le monde à ses pieds lorsqu’il est allé se coucher un soir de février. Le lendemain matin, il s’est levé dans un brouillard mental si épais qu’il pouvait à peine parler. Ses membres bougeaient comme s’ils étaient plongés dans de la mélasse. Il avait mal partout, et rien n’avait de sens.

Et soudainement, brutalement, il est tombé dans une grave dépression. La maladie allait à la fois l’accompagner et le tourmenter pendant des années marquées par une carrière exceptionnelle, la fondation d’une famille, un divorce, des récompenses prestigieuses, un remariage et un bref séjour dans un hôpital psychiatrique.

Aujourd’hui, le yin et le yang de sa vie — la physique quantique et la maladie mentale — sont réunis dans un projet de recherche profondément personnel. Matthew Fisher soupçonne que le cerveau humain pourrait exploiter le traitement quantique, et il vient de proposer un mécanisme qui rendrait la chose possible.

Ces travaux l’ont amené dans le domaine nouveau à la fois brûlant et très controversé de la biologie quantique.

La mécanique quantique décrit les choses à leur niveau le plus fondamental, mais on a supposé pendant longtemps que les êtres vivants étaient trop chauds, trop humides et trop complexes pour que les effets quantiques puissent s’y manifester.

Depuis une dizaine d’années, ce point de vue est remis en question dans une nouvelle discipline appelée biologie quantique. De la photosynthèse à l’odorat humain, en passant par le système de navigation des oiseaux migrateurs et d’autres phénomènes, des signes s’accumulent montrant que la nature fait appel à des processus quantiques « exotiques » comme le spin et l’intrication.

Mais de nombreux scientifiques demeurent sceptiques quant à la validité de la biologie quantique. Un obstacle majeur vient de ce que le traitement quantique, tel qu’on le pratique en laboratoire, isole des particules minuscules et fragiles de leur environnement plein de bruit, en vue d’exploiter et de contrôler leurs propriétés quantiques. Laisser entendre que de telles propriétés pourraient se manifester et persister dans des systèmes biologiques et dans des circonstances ordinaires va à l’encontre de ce que l’on sait à propos des matériaux quantiques.

Le sous-domaine naissant des neurosciences quantiques, selon lequel des processus quantiques se déroulent dans le cerveau, est encore plus controversé.

À la fin des années 1980, dans son ouvrage intitulé The Emperor’s New Mind (Le nouvel esprit de l’empereur), l’éminent physicien Roger Penrose a postulé l’existence de « microtubules », analogues biologiques du calcul quantique. Après un tourbillon initial d’intérêt de la part de gens de diverses disciplines, l’idée a été abandonnée par une grande partie de la communauté scientifique.

M. Fisher, qui est maintenant chercheur dans le domaine de la matière condensée à l’Institut Kavli de physique théorique, titulaire d’une chaire de chercheur invité distingué de l’Institut Périmètre ainsi que spécialiste des transitions d’états quantiques et de la supraconductivité, vise à ressusciter cette idée, mais dans le cadre d’un processus biologique tout à fait différent.

Dans son article intitulé Quantum Cognition: The possibility of processing with nuclear spins in the brain (Cognition quantique : possibilité de traitement avec des spins nucléaires dans le cerveau), publié en novembre 2015 dans Annals of Physics, l’auteur décrit un processus par lequel un traitement quantique neural pourrait s’effectuer chez l’être humain, utilisant comme bits quantiques ou qubits les spins nucléaires du phosphore. Il identifie en outre des molécules et mécanismes biologiques précis qui pourraient produire une intrication quantique à long terme.

Si cette hypothèse est fondée, elle pourrait bouleverser nos connaissances concernant le cerveau humain.

La plus ancienne référence écrite à des études du cerveau humain remonte à un texte médical de l’Égypte ancienne datant d’environ 1600 avant notre ère, mais ce n’est qu’au XX^e siècle que les neurosciences sont devenues une discipline en soi.

Nous avons fait d’énormes progrès dans la connaissance de la structure interne et du fonctionnement du cerveau, qui demeure néanmoins l’un des systèmes les plus complexes et mystérieux de l’univers.

Le désir de Matthew Fisher de résoudre une partie du casse-tête prend sa source dans son histoire personnelle. La maladie mentale est omniprésente dans sa famille étendue, mais elle s’exprime de diverses manières — ce qui n’est pas inhabituel. (L’interdisciplinarité est également présente dans sa famille : son père et son frère sont tous deux des physiciens qui s’intéressent à la biologie.)

En 1988, 2 ans après le début de sa maladie, Matthew Fisher a cherché à avoir un diagnostic officiel et un traitement. Il a fallu 3 semaines pour que les antidépresseurs commencent à faire effet. Lorsque cela s’est produit, on aurait dit un miracle. « De petites percées sont apparues dans les nuages, dit-il, et j’ai commencé à nager vers la lumière, redevenant lentement un être humain fonctionnel et sensible. » [traduction]

Il a été fasciné et mystifié par cette transformation. Pendant des décennies, il a caché un désir en grande partie latent de la comprendre scientifiquement. Il y a 3 ans, il a finalement commencé à mener d’intenses recherches, avec beaucoup de discrétion. « Après tout, j’ai une réputation à préserver » [traduction], dit-il à la blague.

Il a commencé par se renseigner le plus possible sur le lithium. Utilisé à partir des années 1880 pour le traitement de la manie et de la dépression, le lithium est d’un usage clinique très répandu depuis les années 1960. Ce petit atome est le plus simple des médicaments, mais il peut avoir de profonds effets sur les fonctions cognitives. Pour un physicien habitué à ramener des problèmes à leur forme la plus simple, cela semblait la meilleure manière de commencer.

M. Fischer passait chaque soir des heures à se plonger dans la biologie, la chimie, les neurosciences, etc. Au bout du compte, il a eu l’idée d’une expérience consistant à tester différents isotopes du lithium sur des rats.

Mais il n’était pas le premier. En 1986 — l’année même où la maladie de Matthew Fisher s’est déclarée —, une équipe de scientifiques de l’Université Cornell avait examiné l’effet de divers isotopes du lithium sur le comportement maternel de rongeurs.

L’article résultant de leurs travaux a abasourdi M. Fisher. Des rates normales qui avaient reçu du lithium-7 (l’isotope naturel le plus répandu) pendant leur grossesse avaient des signes de dépression après avoir mis bas. Les rates enceintes qui avaient reçu du lithium-6, isotope plus rare, devenaient de supermères, construisant des nids plus gros, et nettoyant, nourrissant et soignant leurs petits davantage que celles du groupe témoin.

Les isotopes sont différentes formes d’un même élément : les noyaux contiennent le même nombre de protons, mais des nombres différents de neutrons. Le lithium-6 et le lithium-7 ont donc des masses légèrement différentes. Mais dans l’eau, le lithium polarise les molécules qui l’entourent pour créer une coquille d’hydratation si grosse que cette différence de masse s’estompe.

La seule autre différence entre les isotopes du lithium est leur spin nucléaire. Le lithium-7 a un spin de 3/2. Dans un contexte biologique, il ne peut rester longtemps isolé de son environnement. En langage quantique, il présente une « décohérence ».

Le lithium-6 a un spin de 1, qualifié de « spin ½ honoraire » parce qu’il est peu affecté par les champs et charges électriques. De fait, le spin nucléaire du lithium-6 peut résister aux interférences — ou demeurer « cohérent » — dans l’eau jusqu’à 5 minutes, ce qui est une durée interminable dans le monde quantique.

Matthew Fisher se trouvait face à une possibilité remarquable : des spins nucléaires pourraient avoir une fonction dans le traitement neural. (Depuis lors, il a breveté l’utilisation du lithium-6 comme traitement de la maladie mentale et, à la fin de 2015, il a passé une période sabbatique à l’Université Stanford pour reproduire l’expérience sur les rates.)

Mais le lithium n’est présent qu’à l’état de trace, à des concentrations très faibles dans le corps quand il n’est pas pris comme médicament. Si le spin jouait un rôle dans les fonctions cognitives en général, M. Fisher savait que cela devait se faire par le truchement d’un autre élément, plus répandu.

Il s’est mis à la recherche d’éléments biologiques communs ayant un spin nucléaire de ½. Mis à part l’hydrogène, il n’en a trouvé qu’un seul, le phosphore, qui, sous la forme de l’ion phosphate, joue un rôle central dans le métabolisme (stockage, transport et libération de l’énergie qui alimente des réactions biochimiques).

Matthew Fisher indique comment le phosphore pourrait constituer un « qubit neural », les ions phosphate pouvant agir comme transporteurs de qubits. Si 2 ions phosphate intriqués sont captés par des molécules différentes — plus précisément des molécules dites de Posner —, cela pourrait fonctionner comme une « mémoire à qubits ».

Ce processus pourrait créer, et potentiellement maintenir, une intrication quantique à long terme dans le cerveau.

Senthil Todadri, depuis longtemps ami et collègue de Matthew Fisher, était au courant depuis un certain temps de l’intérêt discret de ce dernier pour la biologie quantique. Au cours des années 1990, Roger Penrose est allé à Santa Barbara pour faire un exposé sur la cognition quantique. « D’après moi, seulement 2 personnes dans la salle pensaient que Penrose n’était pas fou : Penrose lui-même, et Matthew » [traduction], déclare M. Todadri, maintenant professeur de physique de la matière condensée au MIT et titulaire d’une chaire de chercheur invité distingué de l’Institut Périmètre.

Senthil Todadri était sceptique, et pendant des années il a refusé toute discussion sur le sujet : « Je ne pensais pas qu’il pouvait y avoir un intérêt à cela. J’avais mes préjugés. » [traduction]

Ce n’est pas avant 2015 qu’il a finalement consenti à prendre le temps de se pencher sur les idées de Matthew Fisher. Les deux participaient à la conférence Convergence à l’Institut Périmètre. Ils ont senti que l’Institut, où il est bien vu de sortir des sentiers battus, était probablement le meilleur endroit pour tenir leur conversation maintes fois reportée.

« J’ai été surpris, dit M. Todadri. Je m’attendais à quelque chose de fou, mais c’est de la science sérieuse. » [traduction]

Quelques mois plus tard, John Preskill, professeur à Caltech, a accueilli Matthew Fisher pour un séminaire et un dîner de discussion. Après cela, John Preskill a écrit dans son blogue Quantum Frontiers : « Ce sont assurément des questions scientifiques qui méritent une investigation et une exploration expérimentale plus poussées. […] Ce sera bien intéressant de voir où tout cela va mener. Si vous êtes un jeune scientifique ambitieux, vous pourriez hésiter entre la physique quantique et les neurosciences. La bonne solution serait peut-être de faire les deux. » [traduction]

Matthew Fisher espère maintenant mettre à l’épreuve certains aspects de son hypothèse. Il est à la recherche de fonds pour réaliser d’autres expériences de laboratoire afin de prouver ou d’infirmer ses idées.

Senthil Todadri n’est pas totalement convaincu — l’hypothèse de M. Fisher remet en question la plus grande partie de ce à quoi l’on s’attend en mécanique quantique —, mais selon lui ça ne signifie pas que ces questions ne devraient pas être étudiées.

« Être sceptique ne veut pas dire que vous ne pouvez pas poser de questions très précises, dit-il. Il y a une grande différence entre considérer la cognition quantique comme très improbable et établir qu’elle n’existe pas. Cette hypothèse est si captivante que cela vaut la peine de l’examiner avec une bonne dose de scepticisme intransigeant. » [traduction]

Matthew Fisher espère que ses travaux susciteront de nouvelles recherches sur le fonctionnement du cerveau et le traitement de la maladie mentale. Il espère que la diffusion de sa propre histoire contribuera à détruire certains préjugés à propos de la maladie mentale.

Enfin, le yin et le yang de sa vie sont au grand jour et le poussent dans la même direction. Reste à savoir où cela va le mener — et où cela va mener la biologie quantique elle-même.

« Ces travaux sont aussi pluridisciplinaires qu’on peut l’imaginer, dit-il. Ils vont des spins nucléaires aux neurosciences, en passant par la chimie organique et la physique quantique. C’est bien qu’ils couvrent une gamme de domaines aussi vastes. Quelque chose de passionnant pourrait en ressortir. » [traduction]