Le cerveau est trop chaud pour être quantique — sauf peut-être à un endroit

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En 2000, un physicien du MIT a calculé combien de temps un état quantique pouvait survivre dans un cerveau humain. La réponse — un cent-millième de milliardième de seconde, au mieux — a refermé le dossier pour une génération entière. Quinze ans plus tard, un spécialiste de la matière condensée a rouvert le dossier par une porte que personne n’avait essayée : non pas les électrons, mais les noyaux atomiques.

L’objection qui a clos le débat

Le calcul de Max Tegmark est resté célèbre parce qu’il est simple et brutal. Un cerveau est chaud, humide et bruyant ; toute superposition quantique y est détruite par son environnement en un temps compris entre un dix-millième de milliardième de seconde et bien moins encore — treize à vingt ordres de grandeur trop court pour peser sur une activité neuronale, qui se compte en millisecondes. Établi

L’argument visait explicitement l’hypothèse des microtubules de Penrose et Hameroff, et il a fait son office : pendant une quinzaine d’années, proposer un rôle quantique au cerveau revenait à ignorer un calcul que personne ne contestait. Établi

Entre-temps, la biologie quantique est devenue sérieuse

Une chose a changé, et elle ne concerne pas le cerveau. Des effets quantiques non triviaux ont été documentés dans des systèmes biologiques chauds et humides : la capture de lumière dans la photosynthèse, la magnétoréception des oiseaux migrateurs. La revue de référence sur le sujet est d’ailleurs remarquablement prudente : elle présente côte à côte les arguments en faveur d’un rôle fonctionnel de la cohérence quantique et les arguments contre. Débattu

Le résultat ne dit rien du cerveau. Il déplace seulement la charge de la preuve : « c’est trop chaud » n’est plus une objection qui se suffit à elle-même. Il faut désormais examiner le mécanisme proposé, cas par cas. Débattu

Le seul candidat qui coche toutes les cases

C’est le raisonnement de Matthew Fisher, physicien de la matière condensée à Santa Barbara, en 2015. Plutôt que de chercher où la cohérence pourrait survivre, il cherche quel objet biologique pourrait la porter — et il procède par élimination. Débattu

Un bon qubit biologique doit avoir un spin nucléaire un demi : sans moment quadrupolaire, il est bien plus insensible au bruit électrique environnant. Un seul élément biologiquement abondant satisfait la condition : le phosphore. Le seul transporteur possible est alors l’ion phosphate. Et le seul édifice capable de protéger durablement ces spins serait un amas de phosphate de calcium découvert en 1975 dans l’os, la « molécule de Posner », Ca₉(PO₄)₆. Spéculatif

La chaîne complète est presque trop belle. Une enzyme, la pyrophosphatase, coupe un ion pyrophosphate en deux phosphates ; les contraintes de spin du processus produiraient les deux noyaux de phosphore dans un état singulet, c’est-à-dire intriqués. Ces phosphates se lient ensuite à du calcium extracellulaire pour former des molécules de Posner, qui héritent de l’intrication. Le pyrophosphate est un sous-produit de l’ATP, la molécule d’énergie de toute cellule vivante : le mécanisme, s’il existe, tourne en permanence. Spéculatif

La chimie a suivi

Trois ans plus tard, Michael Swift, Chris Van de Walle et Fisher lui-même publient le calcul de premiers principes : structure de la molécule, spectres vibrationnels, interactions avec d’autres cations, mécanisme de liaison par paires. Leur conclusion est favorable — l’édifice offrirait bien un environnement idéal aux six spins de phosphore-31, avec des temps de cohérence très longs. Débattu

Notons que ce résultat est de la chimie quantique, pas de la neurobiologie. Il établit qu’un objet peut protéger des spins ; il n’établit pas que le cerveau s’en sert. Établi

Le procès en durée

C’est sur les chiffres que tout se joue, et c’est là que le dossier se retourne. Fisher avance des durées de cohérence spectaculaires : jusqu’à vingt et un jours pour les spins de phosphore, son estimation la plus prudente restant de l’ordre de la journée. En 2018, Thomas Player et Peter Hore reprennent le calcul en tenant compte des interactions dipolaires à l’intérieur de la molécule, que Fisher négligeait au profit des interactions entre molécules. Débattu

Ils obtiennent une borne supérieure stricte de trente-sept minutes — et écrivent que quelques secondes leur paraissent plus vraisemblables qu’une demi-heure. Leur conclusion est sans détour : il leur est impossible d’imaginer des états intriqués de paires de molécules de Posner ayant les durées de vie extraordinairement longues qu’exige la proposition de Fisher. Débattu

Trente-sept minutes reste, pour un spin nucléaire en milieu biologique, un temps immense. L’objection de Player et Hore n’est donc pas « c’est trop court pour être quantique » — c’est « c’est trop court pour ce mécanisme-là ». La différence est de taille : Tegmark fermait une porte, ceux-ci la referment de quelques centimètres. Débattu

En 2023, une équipe de l’UCLA et de l’université d’Exeter reprend le calcul à l’intérieur même de la molécule, et le verdict tombe plus bas encore. Leurs simulations donnent une intrication entre deux spins de phosphore logés dans des molécules de Posner séparées qui s’effondre en moins d’une seconde — non plus trente-sept minutes, mais moins d’une seconde, et les auteurs le disent sans ménagement : c’est trop court pour un traitement neuronal à l’échelle de plusieurs cellules. Débattu

Mais le même article ouvre une porte de sortie, et son titre la désigne : le qubit biologique, ce sont des dimères, pas des trimères. La molécule de Posner est un trimère — trois motifs assemblés. Les dimères de phosphate de calcium, plus petits, se révèlent au contraire étonnamment résistants à la décohérence, et conservent des spins intriqués pendant des centaines de secondes. Le candidat de Fisher tomberait donc, tandis que l’idée qu’il défendait — un qubit abrité dans le tissu vivant — lui survivrait, logée dans une autre molécule. Débattu

Il faut mesurer ce que ce sauvetage sauve, et ce qu’il ne sauve pas. Des centaines de secondes, pour un spin nucléaire au chaud et dans l’eau, c’est remarquable. Mais c’est sans commune mesure avec les vingt et un jours du modèle initial, et même avec la journée que Fisher retenait comme son estimation prudente. Ce que le déplacement préserve, c’est un programme de recherche ; ce n’est pas le mécanisme de Fisher. Établi

Ce qui se mesure aujourd’hui

La proposition de Fisher a une propriété que peu d’hypothèses sur la conscience possèdent : elle prédit un effet isotopique. Les deux isotopes stables du lithium n’ont pas le même spin nucléaire, et leurs temps de cohérence en solution diffèrent d’un facteur considérable — de l’ordre de cinq minutes pour le lithium-6, d’une dizaine de secondes pour le lithium-7. Or le lithium est un médicament du trouble bipolaire dont le mécanisme d’action reste mal compris. Débattu

Le programme expérimental existe donc, et il a commencé : travaux de chimie sur l’incorporation des isotopes du lithium dans le phosphate de calcium, et — sur un autre front — protocoles proposés en 2024 par une équipe réunissant Google Quantum AI, Santa Barbara et Christof Koch, qui envisagent d’« anesthésier » des organoïdes cérébraux instrumentés pour tester si des processus quantiques accompagnent l’expérience consciente. Cette équipe-là, notons-le, retire explicitement la gravité de l’équation, contrairement à Penrose. Spéculatif

Rien de tout cela n’établit que le cerveau est quantique — et il faut le dire nettement, parce que le sujet attire les conclusions hâtives. Ce que ce dossier montre est plus modeste et plus intéressant : une objection qu’on croyait définitive a été contournée non par un argument, mais par la découverte d’un candidat matériel précis, dont la durée de vie se calcule, se conteste et se mesure. Le désaccord entre Fisher et ses critiques ne porte plus sur la philosophie de l’esprit. Il porte sur un temps de relaxation.

Sources. Tegmark, M., « Importance of quantum decoherence in brain processes », Physical Review E 61, 4194 (2000), arXiv:quant-ph/9907009. Lambert, N., Chen, Y.-N., Cheng, Y.-C., Li, C.-M., Chen, G.-Y. & Nori, F., « Quantum biology », Nature Physics 9(1), 10-18 (2013), DOI 10.1038/nphys2474. Fisher, M. P. A., « Quantum Cognition: The possibility of processing with nuclear spins in the brain », Annals of Physics 362, 593-602 (2015), DOI 10.1016/j.aop.2015.08.020, arXiv:1508.05929. Swift, M. W., Van de Walle, C. G. & Fisher, M. P. A., « Posner molecules: from atomic structure to nuclear spins », Physical Chemistry Chemical Physics 20, 12373-12380 (2018), DOI 10.1039/C7CP07720C, arXiv:1711.05899. Player, T. C. & Hore, P. J., « Posner qubits: spin dynamics of entangled Ca₉(PO₄)₆ molecules and their role in neural processing », Journal of the Royal Society Interface 15(147), 20180494 (2018), DOI 10.1098/rsif.2018.0494, arXiv:1807.06339. Neven, H., Zalcman, A., Read, P., Kosik, K. S., van der Molen, T., Bouwmeester, D., Bodnia, E., Turin, L. & Koch, C., « Testing the Conjecture That Quantum Processes Create Conscious Experience », Entropy 26(6), 460 (2024), DOI 10.3390/e26060460.