Proceedings

An introduction to a theory on the role of π-electrons of docosahexaenoic acid in brain function^★

The Quantum Brain

Une théorie sur le rôle des électrons π de l’acide docosahexaénoïque dans la fonction cérébrale (Partie I)

Quelques points de vue sur le fonctionnement du cerveau

Institute of Brain Chemistry and Human Nutrition, and Department of Cancer and Surgery, Chelsea and Westminster Hospital Campus of Imperial College, London, Room H3,34, 369 Fulham Road, London SW10 9NH, UK

^* Corresponding author: michael.crawford@imperial.ac.uk

Received: 24 December 2017
Accepted: 7 February 2018

Abstract

In Part I, we discuss the background to views on brain function and our thesis that it is conducted by π-electrons which perform sensory reception, memory, action, cognition and consciousness. Our thesis is consistent with the classical views of ion movement and synaptic protein strengthening. However, protein based views contain no element of precision for the signal. Precision is essential for true signal transduction of sensory input and the faithful execution of learnt neural pathways. In Part II, we incorporate these principles to discuss the mechanism whereby electron function adds precision of signal energy to the process through the Pauli Exclusion Principle. The Huxley-Hodgkin (HH) account of neural function describes the movement of sodium, potassium and calcium ions to create electrochemical potentials across membranes with well-established mathematical and experimental support. To explain learning, consciousness and perception, others have claimed brain function depends on protein synthesis or RNA coding. Some consider super position and collapse as the computational mechanism. This however is fragile with no mechanism described to protect from natural collapse and decoherence at the temperatures of the brain. A novel approach was adopted by Penrose and Hammeroff who describe consciousness as a function of ʻobjective reduction’ (ʻOR’) of the quantum state. This orchestrated OR activity (ʻOrch OR’) is taken to result in moments of conscious awareness and/or choice (Hameroff S, Penrose R. 2014 Consciousness in the universe: a review of the ʻOrch OR’ theory. Phys Life Rev 11(1): 39–78. Doi: 10.1016/j.plrev.2013.08.002. Epub 2013 Aug 20). Orch-OR operates in principle in protein tubules of neurons. This concept is non-computational and has received much attention with a convincing advocacy and its share of criticism. The advocacy includes the fossil record of organisms that emerged throughout the first Cambrian period with onset roughly 540 million years ago (mya). They had essential degrees of microtubular arrays in skeletal size, complexity and capability for quantum isolation. Attractive as this hypothesis maybe we point out that the brain is predominantly made of lipid not protein. We suggest that both protein and RNA in the brain would more likely been required to serve the extraordinary energy requirements for the brain. Early photosynthetic systems such as the dinoflagellates are rich in docosahexaenoic acid (DHA) including di-DHA phosphoglycerides as also in contemporary mammalian photoreceptors. We wish to discuss in Part II, quantum mechanical properties of the π-electrons of DHA suggestive of a mechanism for the depolarization of the receptor membrane at a precise energy levels as required for vision and neural signalling (Crawford MA, Broadhurst CL, Guest M et al., 2013. A quantum theory for the irreplaceable role of docosahexaenoic acid in neural cell signalling throughout evolution. Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids (PLEFA) 88(1): 5–13. Doi: 10.1016/j.plefa.2012.08.005. PMID: 23206328). We wish to extend this principle to a concept of brain function in learning, recall, perception and cognition.

Résumé

Dans la partie I de cet article, nous discuterons des bases du fonctionnement cérébral et de notre thèse selon laquelle il est conduit par des électrons π qui assurent la réception sensorielle, la mémoire, l’activité, la cognition et la conscience. Notre théorie est cohérente avec les théories classiques sur les mouvements ioniques et le renforcement par les protéines synaptiques. Cependant, les théories basées sur les protéines ne contiennent pas d’éléments de précision suffisants pour expliquer le signal. La notion de précision est essentielle pour obtenir un signal correct de transduction à partir de l’induction sensorielle, et une exécution fidèle des voies neurales apprises. Dans la partie II, nous utiliserons ces principes pour discuter des mécanismes par lesquels la fonction des électrons ajoute de la précision au signal énergétique du système, par le biais du principe d’exclusion de Pauli. Le modèle de fonctionnement neuronal de Huxley-Hodgkin (HH) décrit les mouvements des ions sodium, potassium et calcium pour créer les potentiels électrochimiques trans-membranaires selon des théories mathématiques et des expérimentations largement confirmées. Pour expliquer l’apprentissage, la conscience et la perception, d’autres ont proposé que la fonction cérébrale dépende de la synthèse protéique et du codage de l’ARN. D’autres encore considèrent la superposition et le collapsus comme un mécanisme computationnel, comparable à celui réalisé par un ordinateur. Cependant, cette hypothèse demeure fragile et sans description de mécanismes qui devraient limiter les phénomènes de collapsus et de décohérence susceptibles d’être obtenus à la température du cerveau. Une approche originale a été adoptée par Penrose et Hammeroff qui décrivent la conscience comme une fonction de «  réduction objective (OR) » de l’état quantique. L’orchestration de cette activité OR (Orch OR) est considérée comme résultant de moments d’attention consciente et/ou de choix. Elle se réalise en partie dans les tubules protéiques des neurones. Ce concept non-computationnel a soulevé beaucoup d’intérêt, apportant à la fois des arguments convaincants et des critiques. Les arguments favorables font appel aux connaissances sur les fossiles d’organismes de plus de 540 millions d’années issus du Cambrien primaire qui présentent un réseau complexe de microtubules. Aussi attractive que puisse être cette hypothèse, le cerveau est essentiellement composé de lipides et non de protéines. Nous postulons que les protéines comme l’ARN interviendraient plus probablement pour répondre aux énormes besoins énergétiques du cerveau. Les organismes vivants primaires utilisant la photosynthèse, comme les dinoflagellés, se révèlent riches en DHA (y compris en DHA-phosphoglycérides), de même que les photorécepteurs des mammifères contemporains. Nous discuterons dans la partie II des propriétés quantiques des électrons π du DHA, suggérant un mécanisme de dépolarisation des récepteurs membranaires à un niveau précis d’énergie, comme requis pour la vision et la signalisation neuronale. Nous voulons étendre ce principe à un concept plus général de fonctionnement du cerveau dans l’apprentissage, la mémorisation, la perception et la cognition.