Il cervello umano

Lo studio del cervello rappresenta una vera e propria sfida data l’enorme complessità e mistero che avvolge quest’organo centrale per la nostra esistenza. Già Spinoza, nel seicento, aveva scritto: “[…] il corpo umano supera in ingegnosità tutte le costruzioni della perizia umana” .

La cosa veramente sorprendente è che semplici cellule possano condurre al pensiero, all’azione e alla coscienza. Anche se si sono fatti passi avanti notevolissimi nella conoscenza dei processi cerebrali, bisogna dire che la neurobiologia è tuttavia assai lontana da una teoria completa della coscienza. Una solida base di conoscenza è comunque stata acquisita su come funziona il cervello.

I neuroni, unità fondamentali del cervello, vengono prodotti durante la vita fetale. Durante questa fase, l’organismo produce circa 250 mila neuroni al minuto. Ma circa un mese prima della nascita, la produzione si blocca e per il cervello comincia una seconda fase che durerà per tutta la vita: la creazione di connessioni tra le cellule. In questo processo, le cellule che falliscono le connessioni vengono eliminate, tanto che al momento della nascita sono già dimezzate.

La moria di neuroni diviene imponente a partire dai 30-40 anni quando, senza che l’organismo le sostituisca, le cellule cerebrali cominciano a morire al ritmo di 100 mila al giorno, circa 1 al secondo. Ma se hai più di 30/40 anni non è che devi preoccuparti più di tanto: per fortuna non c’è un corrispondente declino mentale: la capacità di creare nuove connessioni preserva, infatti, fino a un certo punto, le facoltà mentali acquisite.
Il neurone, questa minuscola cellula che costituisce il mattone del cervello, può essere paragonata ad un computer in miniatura perché raccoglie, elabora e trasferisce informazioni, o per meglio dire, impulsi

Nella figura ho riportato lo schema di un neurone. Ciascun neurone consiste di un corpo cellulare, o soma, che contiene il nucleo cellulare o, per continuare la similitudine con il computer, l’unità di elaborazione centrale (CPU).

Le informazione all’unità di elaborazione arrivano lungo un gran numero di fibre chiamate dendriti. Ogni dendrite costituisce una porta di ingresso. Quante porte di ingresso ci sono per ogni neurone? Non c’è un numero fisso. Ogni neurone può avere un numero variabile di dendriti che può variare da alcune centinaia ad alcune decine di migliaia. Nel disegno ho indicato solo tre porte di ingresso in corrispondenza di tre linee di input. Se consideri che un neurone può avere alcune decine di migliaia di porte di ingresso ti puoi rendere conto della complessità di questo minuscolo computer. Adesso immagina che, di questi computer in miniatura, nel cervello ce ne sono circa 100 miliardi! Sì, hai letto bene … cento miliardi.

Da dove provengono i segnali in input? Dalle cellule sensoriali, come quelle della retina dell’occhio, oppure, più frequentemente, da altri neuroni.

I segnali arrivano al micro-computer attraverso le porte di ingresso (dendriti) e vengono elaborati dall’unità centrale (corpo cellulare). Se, e solo se, l’unità centrale verifica determinate condizioni allora il corpo cellulare ‘spara’, o invia, un segnale lungo l’unica linea di output o porta di uscita. La linea di output è una singola fibra lunga chiamata assone. L’assone si allunga per un lungo tratto, in genere circa un centimetro (cento volte il diametro del corpo cellulare) e fino a un metro in casi estremi.

Dove va a finire il segnale in output lungo l’assone? Può andare ad attivare cellule muscolari oppure, più frequentemente, è applicato in input ad altri neuroni. Verso l’estremità anche l’assone si suddivide in numerose ramificazioni. Succede quindi che il singolo segnale in output non ha un solo destinatario ma può interessare alcune decine o centinaia di neuroni o cellule muscolari collegate.

Normalmente un neurone spara un segnale tutto-o-niente, o, per dirla in termini informatici, un segnale digitale di valore 1 o valore 0. Ma cosa deve verificare la CPU per decidere se sparare o meno il segnale in uscita? Ogni neurone ha una soglia di attivazione, se il livello di attivazione raggiunge la soglia prestabilita, il neurone spara il segnala in uscita. Il livello di attivazione del neurone in un dato momento è determinato dai segnali applicati sulle centinaia o migliaia di porte di ingresso.

Ma non è tutto così semplice! Ogni singola porta ha un filtro che può amplificare o attenuare il segnale in arrivo. Il filtro si chiama sinapsi (nel mio disegno le ho indicate con le lettere w1, w2, e w3). Se ci sono 100 miliardi di neuroni ed ogni neurone può avere decine di migliaia di porte di ingresso … quante sinapsi ci sono nel cervello? Un numero impressionante … dell’ordine di migliaia di trilioni.

L’esistenza di queste sinapsi fu scoperta da Charles Scott Sherrington, grande neurofisiologo, premio Nobel 1932 per la medicina e la fisiologia. Le sinapsi non sono connessioni fisiche perché tra due neuroni s’interpone sempre una microscopica fessura. Per superare questo varco, i segnali si trasformano: da elettrici, diventano chimici. La terminazione dell’assone rilascia sostanze, dette neurotrasmettitori, che, saltata la fessura della sinapsi, sono raccolte dagli appositi recettori presenti sulla membrana della cellula-obiettivo. Catturato il neurotrasmettitore, il messaggio chimico viene riconvertito in impulso elettrico.

Per i nostri scopi, possiamo tralasciare la complicata reazione elettrochimica e vedere le sinapsi come un semplici filtri che amplificano o attenuano i segnali elettrici che vengono frapposti fra l’assone della cellula mittente e il dendrite della cellula ricevente.
Torniamo alla mia figura di prima. Per conoscere il livello di attivazione raggiunto in un certo momento dal neurone in figura occorre calcolare la formula: La = i1w1 + i2w2 + i3*w3 dove il valore di ‘w’ è positivo nei casi di sinapsi eccitatorie e negativo per le sinapsi inibitorie. Bene, penserai, anche se si tratta di migliaia di sinapsi, il livello di attivazione del neurone sarà determinato, una volta per tutte, dal risultato di un calcolo ben preciso. Neanche per sogno! Il fattore di amplificazione/attenuazione di w1, w2, e w3 non è fisso. Le connessioni sinaptiche esibiscono, infatti, una certa plasticità, ovvero possono cambiare il fattore di amplificazione/attenuazione di w1, w2, e w3 in risposta a determinati schemi di stimolazione. In altre parole il cervello è capace di plasmare se stesso attraverso il continuo rimodellamento delle sinapsi esistenti e la creazione di sinapsi nuove.

Il tuo cervello, il mio cervello non è uguale a come era solo 1 secondo fa, si rimodella in continuazione, ogni volta che lo usiamo si modifica. Ogni singolo pensiero che passa per la nostra testa modifica qualcosa nei circuiti neuronali del nostro cervello.
Abbiamo già visto che due neuroni, per comunicare, si scambiano sostanze chimiche che li inducono a generare particolari impulsi elettrici. Immagina di ripetere questo processo milioni, miliardi di volte e avrai un’idea, sia pur semplificata, del trasferimento di un’informazione (visiva, acustica…) all’interno di un circuito neuronale del cervello umano.

Metti ora insieme i singoli pezzi e prova ad immaginare i 100 miliardi di neuroni e le migliaia di trilioni di sinapsi collegati tutti insieme in una complicata architettura di interconnessioni percorsa in continuazione da segnali elettrochimici. A questo punto puoi cogliere la complessità pazzesca dell’architettura del cervello, di questo grumo di materia amorfa, informe, leggermente repellente e troppo spesso sottovalutata (vedi Cartesio).

Ma a cosa serve questa complessa architettura? Che relazione ha con i processi di apprendimento, con la memorizzazione? Il segreto della memorizzazione è nella plasticità neuronale, cioè nella capacità delle sinapsi di modificare il fattore di amplificazione o di attenuazione di un segnale.

Vediamo un caso semplice. Immagina, per esempio, di cogliere un fiore mai visto prima e che qualcuno ti dica che il fiore in questione si chiama ‘fresia’ (in costiera amalfitana, dove crescono spontaneamente, le fresie dovrebbero essere già fiorite in questo periodo). Ti accorgi che questo fiore è caratterizzato da un profumo piacevolissimo e lo annusi varie volte. Questo tipo di informazione viaggerà dalla tua mucosa olfattiva (la parte interna del naso che “sente” gli odori), lungo il nervo olfattivo, fino alla parte della corteccia cerebrale organizzata per analizzare e comprendere i profumi. Nel fare ciò, l’informazione attraverserà un numero enorme di sinapsi creando l’equivalente di un “sentiero” neuronale. Al ripetersi dell’esperienza, ogni volta che riannusi il fiore, l’informazione viaggerà nuovamente lungo lo stesso percorso rinforzandolo ancora di più, proprio come il passaggio di molte persone sulla neve fresca crea un solco sempre più profondo in relazione al numero di persone che vi passano. Questo processo, chiamato “facilitazione”, è la base fisica dei processi di apprendimento e memorizzazione: quando un’informazione è passata un gran numero di volte attraverso lo stesso “sentiero”, cioè la medesima sequenza di sinapsi, le sinapsi stesse sono così “facilitate” che, per esempio, quando sentirai, dopo un certo tempo, lo stesso profumo piacevolissimo, automaticamente lo abbinerai all’immagine di un fiore chiamato fresia. Ecco generato il ricordo. Io ho sentito il profumo delle fresie da bambino e sono ancora in grado di riconoscerlo a occhi chiusi.

Lo stesso accadeva quando, a scuola, si cercava di memorizzare una poesia. Ripetendo mentalmente, in continuazione, una sequenza di parole si andava a rinforzare un certo percorso neuronale che poi era facile ripercorrere quando si veniva interrogati in classe. Questo meccanismo spiega anche un altro piccolo mistero: perché mai, quando abbiamo imparato una poesia, è così difficile recitarla partendo dalla seconda strofa e non dall’inizio? Proprio perché l’intera memorizzazione fa parte di un percorso “facilitato”: solo imboccandolo dall’inizio si riesce a ripercorrerlo senza difficoltà. Questa teoria dell’apprendimento fu proposta per la prima volta dallo psicologo canadese Donald Olding Hebb che introdusse quella che è ancora conosciuta come la “regola di Hebb”, o dell’apprendimento hebbiano. Secondo questa regola: «se un neurone A è abbastanza vicino (minima fessura sinaptica, NdA) ad un neurone B da contribuire ripetutamente e in maniera duratura alla sua eccitazione, allora ha luogo in entrambi i neuroni un processo di crescita o di cambiamento metabolico tale per cui l’efficacia di A nell’eccitare B viene accresciuta».

Ovviamente il processo dell’apprendimento è molto più complesso. Le informazioni da apprendere e memorizzare sono caratterizzate da diversi parametri (colore, sapore, suono, emozione, dimensione, gioia, sofferenza…) che, presi uno per uno, interessano aree cerebrali differenti. Il cervello è infatti suddiviso in centinaia di aree, ognuna delle quali governa una specifica funzione.

Ogni volta che pensiamo, ricordiamo, parliamo, cantiamo, corriamo, annusiamo o soffriamo, queste aree si attivano in maniera trasversale, attraverso un processo ancora non ben chiarito d’integrazione dei singoli aspetti della realtà. Il mistero maggiore è come facciano i frammenti dispersi nelle varie aree del cervello a ricomporsi, all’occorrenza, in qualche millesimo di secondo, facendo riemergere il ricordo completo. Più facile, invece, è capire perché alcuni ricordi si perdano (o vengano fatti sparire volontariamente): basta che il percorso “facilitato” tra le sinapsi si cancelli o si indebolisca, e il ricordo diventa inaccessibile.

Certo, è legittimo pensare che l’apprendimento sia qualcosa di più della ristrutturazione di un certo numero di sinapsi… ma è assolutamente certo, esistono prove concrete, che senza la plasticità neuronale non saremmo capaci di apprendere e di ricordare.
Finora ho cercato di dare un’idea, semplificata al massimo, della struttura e del funzionamento del cervello. Adesso provo a passare ad un argomento molto più controverso e ancora avvolto nel mistero. Ora “si tratta di capire come si passa dal cervello alla mente. Come si passa cioè dal corpo allo spirito”. (Edoardo Boncinelli)
Ecco qui, penserai, … ricompare lo spirito e la speranza di immortalità. Ma se pensi di poterti ancora aggrappare allo spirito a cui si riferisce Boncinelli per continuare ad illuderti di essere immortale … sorry … sei cascato male.

Il neuro-scienziato Antonio Damasio, portoghese operante negli USA, rappresenta una delle figure di maggior spicco a livello mondiale nel campo delle neuroscienze. Secondo Damasio, lo studio delle funzioni cognitive, e in particolare della coscienza, è stato per lungo tempo trascurato a causa della tradizione filosofica che, come hai visto nel mio precedente articolo sull’anima, può essere fatta risalire a Cartesio. Damasio, nel 1994 ha pubblicato il libro “L’errore di Cartesio” dove spiega come Cartesio non abbia capito che la natura ha costruito l’apparato della razionalità, della coscienza di sé, non solo al di sopra di quello dell’apparato biologico, ma anche a partire da esso e al suo stesso interno. Per la cronaca segnalo che Damasio, nel 2003, ha pubblicato anche “Alla ricerca di Spinoza. Emozioni, sentimenti e cervello”.

Egli riporta il caso di pazienti con danni nella regione prefrontale che sembrano aver perduto la coscienza di sé e la capacità di provare alcune delle emozioni più comuni. Questi pazienti si comportano come zombie, sono, cioè, capaci di muoversi e di fare cose, ma sembrano aver perso la coscienza di sé. In altre parole questi pazienti sembrano aver perso l’anima.

Mentre sulla struttura e funzionamento del cervello sono stati fatti grandi passi avanti, non altrettanto si può dire per lo studio delle funzioni cognitive, e in particolare della coscienza. Bisogna ammettere che si è ancora molto lontani da una teoria della coscienza.

Riporto qui comunque la teoria della coscienza proposta da Antonio Damasio.
La coscienza, nel modello di Damasio, emerge da specifici fenomeni che hanno luogo nei neuroni del cervello. Damasio usa una terminologia tutta particolare per presentare la sua teoria. Egli introduce il termine “movie-in-the-brain” o “film-nella-testa” per descrivere la capacità del cervello di creare immagini del mondo e del proprio corpo basandosi su mappe neuronali del cervello. L’immagine del proprio corpo e delle sue sensazioni è qualcosa chiamato “proto-self” o “proto-sé”. Infine, egli usa il termine core-consciouness per definire la coscienza di sé o “sé autobiografico”.

Ho introdotto sopra il termine ‘mappa neuronale’. Cos’è questa cosa strana? Una mappa neuronale può essere immaginata come un insieme di indirizzi a particolari locazioni di memoria nel cervello. Volendo fare una similitudine con le pagine web di Internet si può dire che la mappa neuronale corrisponde agli insieme degli hyperlink presenti nel Menù della Home Page del mio sito. Cliccando sul collegamento o hyperlink si salta ad una altra pagina con l’accesso alle informazioni d’interesse.

La coscienza, secondo Damasio, consiste nella costruzione di immagini mentali, un film nella testa (movie-in-the-brain) generato da particolari mappe neuronali. Vediamo come funziona. Nel film ci sono due attori protagonisti che interagiscono.
Il primo protagonista è l’immagine del proprio corpo (proto-sé) con le relative sensazioni del momento. Le capacità sensitive di questo personaggio sono molto limitate: le uniche sensazioni che prova sono quelle del momento generate dal rapporto di interazione con il secondo personaggio del film. Il proto-sé ha scarsissima memoria: l’unico passato che possiede è quello, vago, relativo a ciò che è appena accaduto. Non sa fare previsioni per il futuro.

Il secondo personaggio del film è l’immagine di un qualsiasi oggetto del mondo esterno. ‘Oggetto’ qui deve intendersi in modo molto esteso. Può essere un’altra persona, una faccia, un auto, una melodia, un mal di denti, il ricordo di un fatto, ecc. Nel film-nella-testa i due personaggi interagiscono fra di loro in serie di reciproche azioni e reazioni.
Le immagini del proto-sé e dell’oggetto vengono generate da una mappa neuronale di primo livello che permette l’accesso ad una limitatissima base di conoscenza cerebrale.
Nel film abbiamo quindi i due personaggi, proto-sé e oggetto, che interagiscono fra di loro a livello di fotogramma, ma non abbiamo un meccanismo in grado di registrare la storia dell’incontro: la mappa neuronale di primo livello è insufficiente. Per poter registrare la storia occorre passare ad una mappa neuronale di secondo livello gestita da un terzo personaggio, il “narratore silenzioso”.

Costui guarda il film, osserva e valuta, in silenzio, le azioni e reazioni reciproche dei due personaggi. E’ importante considerare che il narratore silenzioso dispone di una mappa neuronale di secondo livello ed è quindi in grado di accedere ad un’ampia base di conoscenza cerebrale, con tutti i ricordi, le esperienze e soprattutto i marcatori somatici.

Non mi dilungo qui sul concetto di marcatori somatici altrimenti l’articolo non finisce più. Basti dire che i marcatori somatici ricordano l’esito, positivo o negativo, di incontri similari fra proto-sé e oggetto.

Il narratore silenzioso contempla la scena del film ma non è uno spettatore passivo, egli, oltre a “pensare in merito al pensiero” del proto-sé, può intervenire, in base alla sua più ampia base di conoscenza, per aggiornare la mappa neuronale di primo livello e modificare quindi l’atteggiamento e le sensazioni del proto-sé nella relazione con l’oggetto.

Il narratore silenzioso non è quindi uno semplice spettatore del movie-in-the-brain. Egli stesso sta dentro un film generato dal cervello o meglio è il protagonista principale del film dal titolo “il narratore che guarda il film dell’incontro fra proto-sé e oggetto”. Ma c’è di più, oltre a contemplare il film, il narratore silenzioso può modificare la storia del film che sta guardando.

La capacità del “narratore solitario” di contemplare le interazioni fra il proto-sé e il mondo e, nello stesso tempo, la sua facoltà di influenzare la storia del rapporto, costituisce, per Damasio, l’essenza della core-consciouness o coscienza di sé.
Rileggendo quest’ultima parte dell’articolo mi sono reso conto che forse tutta la storia del movie-in-the-brain risulterà alquanto ermetica se non oscura. Credo che frasi come “pensare in merito ad un pensiero” e “il narratore che guarda il film dell’incontro fra proto-sé e oggetto” siano poco felici, ma non so trovare di meglio. Prova a fare uno sforzo di immaginazione aggiuntivo. Prova a pensare, per esempio, ad una scatola di scarpe dentro una scatola di scarpe più grande. Nella scatola esterna c’è il “narratore silenzioso”, nella scatola interna ci sono il proto-sé e l’ oggetto. Le due scatole, insieme, sono il film-nella-testa generato dalle mappe neuronali.

Questa è la mia personale reinterpretazione della teoria della coscienza di Damasio. Ci sono da fare due valutazioni: la prima è se io abbia in effetti capito completamente la teoria di Damasio; la seconda è se Damasio abbia colpito nel segno nell’elaborare la sua teoria.

Una cosa è certa: a Damasio va senz’altro riconosciuto il merito di aver contribuito a introdurre il corpo nella discussione scientifica sulla coscienza. L’idea che l’organismo partecipi all’esperienza cosciente rompe nettamente con una tradizione che vuole la mente ben distinta dal corpo e restituisce alla coscienza stessa i requisiti biologici indispensabili per farne un oggetto di studio scientifico.

Luigi Di Bianco

ldibianco@alice.it