giovedì 26 settembre 2019
Il cervello presenta due aspetti apparentemente inconciliabili: è un corpo materiale e possiede un insieme di facoltà che non si trovano in nessun altro sistema fisico. Con le recenti tecniche di neuroimaging è possibile vedere e studiare molte migliaia di neuroni interconnessi tra loro quasi identici e operanti in sincrono, ossia in modo coordinato.
La comprensione della relazione tra la parte materiale del cervello e la sua immaterialità è la sfida di tutti i tempi. Oggi si sta procedendo in questo studio seguendo più vie, tra cui quella della decifrazione in termini matematici dei movimenti e delle operazioni neuronali nel cervello, in modo da riprodurre il tutto in cervelli artificiali costituiti da computer passando per interfacce cervello-macchina e dispositivi neuroprotesici. I progressi conseguiti nella formulazione di teorie e modelli matematici e fisici applicabili alle neuroscienze hanno così dato impulso allo sviluppo delle neuroscienze computazionali, che sono discipline dirette allo studio dei modelli che permettono di simulare il comportamento fondamentale dei neuroni fino ad arrivare alle complesse reti funzionali da esse formate. Dal punto di vista fisico il cervello umano è un sistema altamente complesso, non lineare e dinamico. Cento miliardi di neuroni che si scambiano informazioni attraverso una rete formata da oltre centomila miliardi di contatti sinaptici, un codice di comunicazione tra gruppi neuronali basato su molteplici frequenze di scarica delle cellule, nonché elevate e complesse comunicazioni chimiche ed elettriche, così come di espressione genetica.
La cosiddetta modellizzazione matematica dei circuiti neurali garantisce la coerenza con le ipotesi teoriche e consente il controllo e la simulazione degli esperimenti su computer. Noi comprendiamo solo ciò che siamo in grado di creare: l’emulazione del cervello umano è il sogno delle neuroscienza. La costruzione di un modello realistico di cervello potrà aprire la finestra da cui si potrà studiare come reagisce il cervello nella sua interezza e tutta un’infinità di condizioni. Si potrà vedere come si modifica attraverso l’apprendimento, fino al suo deterioramento nel corso di malattie neurologiche.
Nikola Tesla ha scritto che “se desideri scoprire i segreti dell’universo devi pensare in termini di energia, frequenza e vibrazione”. Il funzionamento del cervello si articola in potenziali di azione che sono, in parole semplici, scariche dei e tra i neuroni, la base del linguaggio dei neuroni. La dinamica dell’attività neuronale ed in generale di quella cerebrale si riflette in variazioni temporali dei campi elettrici e magnetici registrati. Le onde cosiddette alfa sono quelle che si aggirano a 8/12 Hz quando siamo in uno stato di riposo; sono onde beta quelle di frequenza a 12/30 Hz e gamma a 30 Hz; queste ultime sono associate alla percezione umana sensoriale cosciente (durante la meditazione l’attività gamma aumenta significativamente e si ipotizza che questa pratica metta il cervello in uno stato di massima sensibilità). Ci sono altre onde più tenui comprese tra 1 e 4 Hz, ampie ed associate allo stato del sonno più profondo e alla regolazione dei processi corporei incoscienti come il ritmo cardiaco, la funzione renale o quella dell’apparato digerente. Le onde theta sono caratterizzate da una frequenza compresa tra 4 e 8 Hz ed associate alla funzione della memoria.
Queste registrazioni vengono caratterizzate usando strumenti matematici che studiano l’attività in bande di frequenza e a segnale completo. Così un software, dopo un breve addestramento, riesce oggi a dedurre dall’elettroencefalogramma un nostro stato d’animo in maniera completamente automatizzata. Dalla registrazione wireless elettromagnetica cerebrale (con algoritmi matematici) delle scariche dei neuroni - i quali scaricano in maniera sincronizzata molte volte al secondo - si giunge alla decodifica di ciò che pensiamo.
Tutto ciò che siamo è racchiuso nel nostro cervello, comprendere il modo in cui il cervello elabora le informazioni che riceve e da queste genera pensieri ed emozioni è il futuro della nostra scienza. Il cervello può essere considerato come una rete di nodi - regioni cerebrali - e collegamenti - connettività. Contro l’idea che ad ogni sua parte corrisponda una funzione specifica è il fatto che ad una lesione di una parte la quale dovrebbe determinare la perdita funzionale permanente, al contrario, tutto il sistema del cervello mostra una plasticità tale da curare e riorganizzare le parti “aggiustando”, sostituendo o comunque venendo incontro e mettendoci una “pezza” alla parte difettosa o distrutta, con la riorganizzazione dell’insieme. Il cervello si organizza cioè in circuiti o reti funzionali e la sua elevata capacità computazionale non deriva dalle sue singole componenti, ma dalle relazioni tra queste. Una stimolazione fortemente ripetuta dà origine al lento sviluppo di una associazione cellulare; in pratica c’è un aumento di contatto tra le cellule attivate che determina una crescita delle connessioni sinaptiche. I neuroni che scaricano simultaneamente rimangono in connessione, mentre i neuroni che scaricano in modo asincrono non stabiliscono connessioni.
L’attivazione sincrona delle cellule determina un rafforzamento delle loro connessioni. Il biologo tedesco Richard Semon ha affermato che “ogni stato psicologico corrisponde a modificazioni nei nervi”. I processi cognitivi ed il nostro comportamento dipendono quindi dalle connessioni tra le regioni cerebrali. Ma come fa un cervello ad apprendere? In che modo modifica se stesso per registrare un nuovo fatto o una nuova capacità? In che modo l’attività cerebrale induce queste modificazioni, che a loro volta causano cambiamenti nel comportamento? Grazie alla tecnologia, la Rivoluzione industriale ha ceduto il passo alla società dell’informazione e quest’ultima alla società della conoscenza. Dall’unione sinergica delle tecnologie nano-bio-info-cognitive si stanno realizzando interfacce sempre più fluide tra cervello e computer. I pacemaker, gli impianti cocleari ed il ripristino funzionale della vista, gli arti comandati direttamente dal cervello grazie a un meccanismo di feedback tattile, sono già realtà. Ci stiamo incamminando verso un livello di interazione profonda. Oggi siamo a pieno titolo nella preistoria del futuro.
di Francesca Romana Fantetti