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Résumé de l’article
« Conscience dans l’univers. Un réexamen de la théorie “RO Orch” »
par Stuart Hameroff et Roger Penrose
L’ éminent scientifique britanique Roger Penrose, basé à Oxford, et l’anesthésiste
américain Stuart Hameroff, professeur à l’Université d’Arizone, ont développé une théorie
tentative de la conscience qui a suscité beaucoup d’interêt appelée théorie de la
Réduction objective orchestrée (théorie Orch OR). Cet article est le document le plus
récent, technique, vaste et detaillé au sujet de leur théorie.
La théorie Orch OR étudie l’hypothèse que la conscience surgit des effets quantiques
dans certains polymères de protéines appelées « microtubules » situées dans les
neurones du cerveau. Ces effets controleraient les décharges neuronales. D’après les
idées de Penrose, la réduction quantique de la fonction d’onde est un phénomène réel
déclenché par l’interaction gravitationnelle. De maniére générique, la réduction de la
fonction d’onde se produit spontanément et de façon désordonnée chaque fois qu’un
certain seuil d’énergie gravitationnelle potentielle est atteint. Dans le cerveau, cette
réduction peut se produire d’une manière « orchestrée » aux échelles macroscopiques.
Autrement dit, le cerveau pourrait contenir une structure capable de controler et faire
usage du mécanisme de réduction de la fonction d’onde.
On distingue deux aspects remarquables de cette théorie. Le premier est le fait qu’elle
explore la possibilité concrète de l’effet de la mécanique quantique dans le cerveau. Le
second est plus ample : Hameroff et Penrose présentent cette théorie comme une
alternative à l’interprétation de la conscience comme un phénomène à grande échelle qui
émerge de la complexité des calculs entre les neurones, des calculs dont la réalisation est
seulement vue comme des décharges neuronales (‘spikes’) et des transmissions
synaptiques, parfois assimilées par vague analogie aux ‘bits’ binaires du calcul
numérique. Au lieu de cela, selon les termes de Hameroff, « La conscience ressemble
plutôt à la musique qu’au calcul ».
L’ idée sous-jacente, detaillée dans l’article, est que la conscience constitue un
phénomène physique, tout en nuançant que la physique comprend des objectives plus
amples de ce qu’il ne semblerait dans sa version la plus réductionniste et mécaniste ; en
particulier, le monde physique peut inclure une « proto-conscience » diffuse, de laquelle
les formes plus complexes de conscience animale et humaine peuvent émerger. Plus
précisément, dans leur propres mots : « La conscience résulte d’événements physiques
discrets ; ces derniers ont toujours existé dans l’univers sous la forme d’événements de
proto-conscience non cognitifs, agissant dans le cadre de lois physiques précises, non
encore entièrement comprises ».
Penrose et Hameroff présentent cela comme troixième alternative en ce qui concerne
l’alternative conventionnelle entre : (A) Science/Matérialisme, avec une conscience qui
émerge de la physique connue et n’ayant pas de rôle distinctif. (B) Dualisme/Spiritualité,
avec une conscience qui est radicalement distincte du reste du monde naturel, et dehors
de la science.
L’hypothèse que Penrose et Hameroff explorent en detail dans l’article est que les
microtubules du cerveau exploitent une manifestation d’une telle « proto-conscience » afin
de fonder la formation de la conscience humaine.

Physics of Life Reviews 11 (2014) 39-78
Conscience dans l’univers
Un réexamen de la théorie « RO Orch »
Stuart Hameroff a, Roger Penrose b
a Anesthésiologie, psychologie et Centre d'études de la conscience, Université de l’Arizona, Tucson, AZ, USA
b Institut de Mathématiques et Wadham College, Université d'Oxford, Oxford, Royaume-Uni
Reçu le 23 juillet 2013; approuvé le 5 août 2013
Disponible en ligne: 20 août 2013
Communiqué par L. Perlovsky
Abrégé
La nature de la conscience, les mécanismes par lesquels elle se produit dans le cerveau et sa place finale dans l'univers nous sont
inconnus. Au milieu des années 1990, nous avons soutenu que la conscience dépendait de processus quantiques cohérents et
biologiquement « orchestrés » à l’intérieur d’ensembles de microtubules dans les neurones du cerveau, que ces processus quantiques
étaient en corrélation avec l’activité neuronale membranaire et synaptique et régulaient cette dernière, et, enfin, que l'évolution continue
de Schrödinger de chacun de ces processus se terminait conformément au schéma de Diosi-Penrose (DP) de « réduction objective »
(« RO ») de l'état quantique. Cette activité de réduction objective orchestrée (« RO Orch ») donne lieu à des moments de prise de
conscience et / ou à des choix conscients. La forme DP de la RO est liée aux fondamentaux de la mécanique quantique et de la
géométrie d'espace-temps, la RO Orch suggère donc qu'il existe un lien entre les processus biomoléculaires du cerveau et la structure
basique de l'univers. Nous réexaminons ici la RO Orch à la lumière des critiques et des progrès de la biologie quantique, des
neurosciences, de la physique et de la cosmologie. Nous introduisons également une nouvelle suggestion de « fréquences de battement »,
de vibrations plus rapides des microtubules comme étant une source possible des corrélats électro-encéphalographiques (« EEG »)
observés de la conscience. En conclusion, la conscience jouerait un rôle intrinsèque dans l'univers.
1. Introduction : Conscience dans l'univers
La conscience implique la prise de conscience : une expérience subjective et phénoménale des mondes interne et
externe. La conscience implique aussi la conscience de soi, les sentiments, le libre arbitre, la maîtrise des comportements
volontaires, la mémoire, la pensée, le langage et (par exemple lorsque nous fermons les yeux ou méditons) des images
générées intérieurement et des motifs géométriques. Cependant, ce que la conscience est vraiment reste inconnu. Notre
vision de la réalité, de l’univers, de nous-mêmes, dépend de notre conscience. La conscience définit notre existence.
Trois possibilités générales regardant l'origine de la conscience et sa place dans l'univers ont été communément
avancées.
(A) La conscience n’est pas une entité indépendante mais surgit, en termes de processus physiques conventionnels
comme une conséquence évolutive naturelle de l'adaptation biologique des cerveaux et des systèmes nerveux. Ce
point de vue scientifique répandu considère que la conscience a émergé, tout au long de l’évolution, comme une
propriété de calculs biologiques complexes. Les opinions divergent pour ce qui est de quand, où et comment la
conscience est apparue par exemple, seulement récemment chez l'homme ou plus tôt, chez des organismes inférieurs.
La conscience en tant qu’adaptation évolutive est généralement considérée comme un épiphénomène (c’est-à-dire un
effet secondaire sans influence indépendante [1–3]), et aussi comme étant illusoire (construisant largement la réalité
plutôt que de la percevoir [4]). Cependant, la conscience est fréquemment connue pour apporter des avantages
bénéfiques à l’espèce [5]. En somme, dans cette vision, la conscience n’est pas une caractéristique intrinsèque de
l’univers.

(B) La conscience est une entité indépendante, distincte des actions physiques et non soumise aux lois de la physique, qui
a toujours existé dans l’univers. L’approche « dualiste » de Descartes, les points de vue religieux et autres approches
spirituelles considèrent que la conscience existe depuis toujours dans l’univers, par exemple en tant que « fondement
de l’être », « créateur » ou partie d’un « Dieu » omniprésent [6]. Dans cette vision la conscience peut influencer
causalement la matière physique et le comportement humain, mais n’a pas de fondement ou de descriptions en
science[7]. Dans une autre approche, le panpsychisme attribue une conscience à toute matière, mais sans identité
scientifique ou influence causale. L’idéalisme soutient que la conscience est la seule à exister et que le monde
matériel (et la science) est une illusion [8]. Dans toutes ces théories, la conscience se trouve en dehors de la science.
(C) La conscience résulte d’événements physiques discrets ; ces derniers ont toujours existé dans l'univers sous la forme
d’événements de proto-conscience non cognitifs, agissant dans le cadre de lois physiques précises, non encore
entièrement comprises. La biologie a développé un mécanisme capable d’orchestrer ces événements et de les coupler
à l'activité neuronale, créant un sens cognitif, des moments conscients, et par là aussi un contrôle causal du
comportement. Spécifiquement, ces événements sont supposés correspondre à des moments de réduction de l'état
quantique (« auto-mesure » intrinsèque quantique). Ceux-ci n’ont pas à être considérés forcément comme faisant
partie des théories actuelles sur les lois de l’univers, mais ils devraient en fin de compte pouvoir être scientifiquement
descriptibles. Ceci est essentiellement le type d’opinions avancées, dans des termes très généraux, par le philosophe
A.N. Whitehead [9,10] et également étoffé dans le cadre scientifique de la théorie de Penrose–Hameroff sur « la
réduction objective orchestrée » (« RO Orch » [11–16]). Dans la théorie RO Orch, ces événements conscients sont le
résultat de calculs d’opérations quantiques dans les microtubules cérébraux, se réduisant par la « réduction
objective » de Diosi-Penrose (« RO »), et ayant des propriétés expérientielles. Dans cette perspective, la conscience
est une caractéristique intrinsèque de l'action de l'univers.
En résumé nous avons :
(A) Science/Matérialisme, avec une conscience n’ayant pas de rôle distinctif [1–5].
(B) Dualisme/Spiritualité, avec une conscience (etc.) en dehors de la science [6–8].
(C) Science, avec la conscience comme ingrédient essentiel des lois de la physique non entièrement comprises [9–17].
2. Conscience, calcul et activités cérébrales
2.1 Caractères inexpliqués de la conscience
Comment le cerveau produit-il la conscience ? La plupart des scientifiques et philosophes ont considéré la conscience
comme le résultat de calculs complexes au sein de neurones d’« intégration et décharge » qui s’interconnectent et
commutent au niveau des synapses à médiation chimique. Toutefois le mécanisme par lequel ces calculs neuronaux sont
supposés créer l’expérience de la conscience reste inconnu [18,19]. Des caractères spécifiques inexpliqués de la conscience
comprennent ce qui suit :
« Le problème épineux » : quelle est la nature de l'expérience phénoménale et qu’est ce qui distingue la conscience de la
non conscience? La perception et le comportement peuvent être accompagnés ou conduits par une prise de conscience
phénoménale, l'expérience ou des sentiments subjectifs, constitués de ce que les philosophes appellent « qualia » [19].
Cependant, la perception et le comportement peuvent, à d’autres moments, s’accompagner de conscience. Nous aurions
pu évoluer comme des « zombies » dont le comportement complexe est sur « pilote automatique » à plein temps, sans
aucune conscience. Comment et pourquoi avons nous une conscience phénoménale, une « vie intérieure » de
l'expérience subjective ?
« Liaisons » : Les entrées sensorielles disparates sont traitées dans différentes régions du cerveau, à des moments
légèrement différents, et sont ensuite liées ensemble dans un contenu conscient unifié (« Liaisons » [20]). Comment
tout ce contenu conscient est-il relié ?
« Synchronisation » : Les états de polarisation de la membrane neuronale peuvent être synchronisés avec précision sur
de grandes régions du cerveau [21] et aussi se propager à travers les régions du cerveau en tant que zones synchronisées
[22]. Une synchronisation précise nécessite-t-elle des synapses électriques (« jonctions de communication ») et /ou une
intrication quantique ? Est-ce que la synchronisation reflète des moments conscients unifiés et discrets ?
« "Non-calculabilité" et actions de causalité »: Comme démontré par le théorème de Gödel, Penrose [23,24] explique

que la qualité mentale de la « compréhension » ne peut pas être cernée par un système de calcul et doit découler d’un
fait non-calculable. En outre, l'approche neuronale de calcul de la volition, là où le calcul algorithmique détermine
complètement tous les processus de la pensée, semble exclure toute possibilité d’une action indépendante de causalité
ou de libre arbitre. Quelque chose fait défaut. Quel facteur non calculable peut se produire dans le cerveau ?
Comportements cognitifs des organismes unicellulaires : les protozoaires, comme les physarum, peuvent s'échapper des
labyrinthes et résoudre les problèmes ; les paramécies peuvent nager, trouver de la nourriture et des partenaires,
apprendre, se souvenir et avoir des relations sexuelles, le tout sans connexions synaptiques [25,26]. Comment font les
organismes unicellulaires pour faire preuve d’un comportement intelligent ?
2.2 Moments conscients et calcul
La conscience a souvent été considérée comme une succession de moments discrets. William James [27] étudie « le
présent trompeur, la courte durée à laquelle nous sommes immédiatement et sans cesse sensibles » (même si James a été
vague à propos de la durée, et a également décrit un « Courant de conscience » continu). La théorie de Stroud sur le
« moment perceptuel » [28] décrit la conscience comme une série d’événements discrets, à l’instar des images séquentielles
d’un film (les films modernes et les vidéos présentent 24 à 72 images par seconde, 24 à 72 Hertz, « Hz »). La conscience
est également regardée comme une série d’événements discrets dans le bouddhisme; des méditants qualifiés décrivent un
« vacillement » distinct au cours de leur expérience de conscience pure et indifférenciée [29]. Les textes bouddhistes
dépeignent la conscience comme un « ensemble momentané de phénomènes mentaux », et comme des « moments
distincts, déconnectés et éphémères qui s’évanouissent aussitôt qu’ils sont nés ». Les écrits bouddhistes vont même jusqu’à
quantifier la fréquence des moments conscients. Par exemple, les Sarvastivadins ont compté 6,480,000 « moments » en 24
heures (une moyenne d’un « moment » par 13.3 ms, 75 Hz), et quelques bouddhistes chinois ont rapporté une « pensée »
par 20 ms (50 Hz). La meilleure corrélation mesurable de la conscience dans la science moderne est l’électro-
encéphalographie de synchronie gamma (EEG) – l'activité neuronale membranaire cohérente de 30 à 90 Hz se produisant à
travers des régions du cerveau synchronisées variées. Des périodes plus lentes, par exemple des fréquences thêta de 4 à 7
Hz avec des ondes gamma imbriquées, peuvent correspondre à des saccades et des gestalts visuelles [31,32] (Fig. 11).
Ainsi, nous pouvons affirmer que la conscience se compose d’événements discrets à fréquences variables se produisant
dans toutes les régions du cerveau, par exemple 40 moments conscients par seconde, qui sont synchronisés dans les
neurones du cortex frontal et pariétal. Quelle est la nature de ces moments conscients?
La présomption tortueuse de la science moderne et de la philosophie est que la conscience émerge de calculs
synaptiques complexes dans des réseaux de neurones du cerveau, agissant comme des unités d’information fondamentales.
Dans les ordinateurs numériques, des niveaux de tension électrique distincts représentent des unités d'information (exemple
: « bits ») au sein de portes logiques de silicium. McCulloch et Pitts [33] présentent ces portes comme des neurones
artificiels d’« intégration et décharge », donnant lieu à des « perceptions » [34] et remarquent d’autres types de « réseaux
de neurones artificiels » capables d’apprendre et de comportements auto-organisés. De même, conformément au modèle de
« Hodgkin– Huxley » [35], les neurones biologiques sont des dispositifs de seuils logiques d’« intégration et décharge », à
l’intérieur desquels plusieurs dendrites ramifiées et le corps cellulaire (le soma) reçoivent et intègrent des entrées
synaptiques comme des potentiels de membranes (Fig. 1). Selon Hodgkin et Huxley, le potentiel intégré est alors
comparable à un potentiel de seuil au niveau des cônes d'implantation de l'axone ou des segments initiaux des axones (SIA).
Quand le seuil de l’SIA est atteint par le potentiel intégré, (Fig. 2), un potentiel d’action tout-ou-rien de « décharge », ou
spike, est déclenché en tant que sortie et transmis le long de l'axone de la prochaine synapse. Les neurones des réseaux
cognitifs d’Hodgkin–Huxley, connectés par des synapses de résistances variables, [36] peuvent s’auto-organiser et
apprendre, étant donné que leurs sorties de décharges axonales contrôlent l'activité et le comportement en aval.
Comment la conscience émerge-t-elle des calculs neuronaux ? Certains combattent l’idée que la conscience puisse naître
de la complexité des calculs due aux stimulations et autres activités électriques du cerveau [37,38]. Cependant, ni les
activités neuronales spécifiques participant à cette complexité, ni aucun seuil de complexité prédit pour l'émergence de la
conscience, n’ont pu être avancés. Il n'y a, non plus, aucune explication sur comment la complexité en soi pourrait donner
lieu à des moments conscients discrets. D'autres soutiennent la grande échelle, les sorties d'ensembles de décharges
axonales, les « salves », ou les « explosions » produisant de la conscience [18,39]. Mais les décharges axonales cohérentes
sont dans tous les cas précédées et causées par des intégrations dendritiques/somatiques synchronisées. En effet, la
synchronie gamma EEG – le meilleur corrélat de la conscience – est générée, non pas par des décharges axonales, mais par
des potentiels d'intégration dendritique/somatique. Par conséquent, certains suggèrent que la conscience implique
principalement les dendrites neuronales et les corps cellulaires / soma, c’est-à-dire dans les phases d'intégration de
séquences d'« intégration et décharge » [40–42]. L'intégration implique la réduction de l'incertitude, en fusionnant et
consolidant plusieurs possibilités en une seule, comme par exemple sélectionner les perceptions et les actions conscientes.

Fig. 1. Un neurone d'« intégration et décharge » du cerveau, et des coupes de ce neurone sont schématisés avec des microtubules internes. Dans les dendrites
et le corps du cellule/soma (à gauche) impliqués dans l’intégration, les microtubules sont interrompus et de polarité mixte, ils sont interconnectés grâce à des
protéines associées aux microtubules (MAP) en réseaux récursifs (le cercle en haut, à droite). L’intégration dendritique/somatique (avec la contribution des
processus des microtubules) peut déclencher des décharges axonales vers les synapses suivants. Les microtubules dans les axones sont unipolaires et
continus. Les jonctions de communication synchronisent les membranes dendritiques, et peuvent permettre l'intrication et l'intégration collective entre les
microtubules dans les neurones adjacents (cercle en bas à droite). En RO Orch, les calculs des microtubules quantiques se produisent durant l'intégration
dendritique / somatique, et les résultats choisis régulent les décharges axonales qui contrôlent le comportement.
2.3 Conscience et intégration dendritique
L’intégration neuronale est communément définie comme une addition linéaire de potentiels de membranes somatiques-
dendritiques (Fig. 2a). Cependant, l’intégration réelle n’est pas passive, puisqu’elle implique activement des traitements
complexes [44–46]. Les membranes somatiques-dendritiques génèrent des potentiels locaux de champs (local field
potentials) qui créent l'électroencéphalogramme (EEG) incluant des synchronies gamma cohérentes : la corrélation
neuronale de la conscience la plus mesurable (‘CNC’ [47,48]). Les molécules anesthésiantes effacent la conscience d’une
manière sélective, en agissant sur les dendrites post-synaptiques et le soma, avec très peu ou pas d’effets sur la capacité de
décharges axonales. On peut dire que l'intégration dendritique/somatique est plus étroitement liée à la conscience, avec des
décharges axonales servant à transmettre des sorties de processus conscients (ou non-conscients) de contrôle du
comportement. Mais même une intégration active et complexe au niveau des neurones de Hodgkin–Huxley serait – à
l’exception d’une entrée totalement probabiliste (aléatoire) – entièrement algorithmique et déterministe, et ne laisserait
aucune place au libre arbitre, qui constitue une part de la conscience.
Toutefois, les neurones impliqués dans le processus du cerveau conscient s’écartent apparemment du modèle de
Hodgkin–Huxley. Naundorf et al. [43] ont montré que, dans les neurones corticaux de cerveaux d’animaux réveillés
(comparés à des neurones in vitro), le seuil de décharge au niveau des SIA (segments d’initiation des axones) variait d’une
manière significative d’un pic à l’autre (spike-to-spike) (Fig. 2b). En plus des entrées, des forces synaptiques et du potentiel
de membrane intégré SIA, d’autres facteurs contribueraient à l’intégration effective qui contrôle les décharges et,
finalement, influenceraient le comportement. Ce facteur inconnu de fin d’intégration et de pré-décharge est parfaitement
placé pour les perceptions et actes conscients. Qu’est ce que cela implique ?
Un facteur possible de modulation de décharge vient des connections latérales entre les neurones, via les jonctions de
communication, ou les synapses électriques (Fig. 1). Les jonctions de communication sont des complexes de protéines qui
fusionnent les neurones adjacents et synchronisent leurs états de polarisation des membranes, comme par exemple avec la
synchronie gamma EEG [49–54]. Les cellules de jonctions de communication connectées possèdent des membranes
synchronisées fusionnées ainsi que des volumes intercellulaires continus, de même que des jonctions de communication
ouvertes entre les cellules agissent à l’instar d’une porte entre deux chambres adjacentes. Les neurones connectés par des
jonctions dendritiques lacunaires ont des potentiels locaux de champs synchronisés en phases d'intégration, mais pas
nécessairement de sorties de décharges axonales synchronisées. Les réseaux dendritiques de jonctions de communication