A che cosa serve il cervello?

Rodolfo Llinas

 

Ci si può chiedere: "A che cosa serve il cervello?" Tutti sappiamo che, in assenza di attività cerebrale, ciascuno di noi è morto. Il cervello è, dunque, l'elemento essenziale della nostra esistenza. Noi siamo il nostro cervello. Ma qual è la storia naturale del cervello? Come è diventato ciò che è? La biologia ci insegna che i soli organismi viventi che hanno sviluppato un cervello sono quelli dotati di attività motoria. Perfino il verme più semplice, o l'invertebrato marino più primitivo, ha un sistema nervoso. D'altro canto, le piante non hanno sistema nervoso. E infatti le piante non hanno neppure attività motoria.

 

Ma perché c'è bisogno di un cervello per muoversi attivamente? Perché noi siamo costretti a spostarci all'interno di una rappresentazione del mondo esteriore. Non possiamo andare alla cieca, sarebbe troppo pericoloso! Occorre avere un'idea di quello che c'è nell'ambiente. Possiamo, quindi, affermare che il cervello si è sviluppato per consentire agli animali di muoversi.

 

La struttura del cervello dei vertebrati è lo stesso per tutti. Tutti noi abbiamo un midollo spinale, e tutti noi abbiamo dei nervi per attivare i muscoli e degli altri nervi per trasmettere le sensazioni. I vertebrati superiori hanno, oltre al tatto, il senso della vista, dell'udito, del gusto e dell'olfatto. Questi sistemi sono tutti molto simili.

 

Ora, qual è uno dei problemi centrali del funzionamento del cervello? Il problema centrale è come facciamo a raccogliere tutti questi frammenti della realtà, il colore delle cose, la loro forma, le sensazioni che esse ci danno, i suoni che emettono, per generare un'unica immagine a partire da tutti questi elementi. E' come se voi masticaste la realtà e la divideste nelle sue componenti. Alcune parti del sistema analizzano il colore, altre analizzano il movimento, e altre ancora analizzano il peso o la sensazione tattile. Come sono integrate tutte queste sensazioni in un'unica immagine della realtà? Come facciamo a costruire un evento cognitivo unico?

 

E' un problema, perché quando si esamina il cervello si scopre che i diversi sistemi sensoriali sono situati in aree differenti del cervello. Posso avere un cervello, per favore? Questo è un cervello di gomma, che ha pressappoco le stesse dimensioni del cervello umano. Ecco, dunque, quello che abbiamo nella nostra testa. Se lo apriamo, vediamo le diverse regioni. Questa parte, qua dietro, è dedicata all'elaborazione degli stimoli visivi. Se guardate quest'occhio, qui, vedete che si collega alla parte posteriore dell'altro emisfero. Scoprite anche che l'udito viene elaborato in questa parte del cervello.

E allora, qual è il problema? Il problema sta nella grande distanza che separa questa regione da quest'altra. Questa distanza è enorme, rispetto alle minuscole dimensioni di un neurone. Come fanno, quindi, questi neuroni a trovare questi altri neuroni, per costruire, a partire dalla vista e dall'udito, un singolo evento? Se io tengo qualcosa in mano, ad esempio un uccello, lo vedo, lo sento cantare, sento il peso delle sue zampine sulla mia mano; ma come faccio a trasformare tutta questa attività in un unico evento? Questo è il problema.

 

Dall'occhio il nervo ottico si dirige per prima cosa verso un centro, chiamato talamo; quindi, dal talamo, le fibre ottiche raggiungono la corteccia visiva. Analogamente per l'orecchio, il segnale uditivo passa per prima cosa attraverso il talamo e quindi raggiunge la corteccia uditiva. La corteccia uditiva è qui e la corteccia visiva è lì. Il problema è il seguente: come fanno i neuroni che si trovano qui a collegarsi ai neuroni che si trovano lì, per informarmi che ho un uccellino sulla mano? L'immagine è qui e il suono è lì. Come fanno il suono e l'immagine a trovarsi? Ci sono solo due possibilità. La prima possibilità è che il suono attraversi la corteccia per trovare l'immagine, o viceversa, ma questo è molto difficile, perché fra due aree della corteccia ci sono delle connessioni che vanno in tutte le direzioni. Allora, qual è l'altra possibilità?

 

Cambiamo punto di vista. Questa è la corteccia e questo è il talamo. Il talamo si trova al centro, e noi possiamo disegnare la corteccia come un grande cerchio che gli gira attorno. Le proiezioni del talamo verso la corteccia sono, allora, come i raggi di una ruota di bicicletta. Bene, qual è il problema? L'immagine dell'uccello è qui e il suono dell'uccello è lì. Si può andare direttamente dall'immagine al suono, o viceversa, e le due percezioni forse si incontreranno da qualche parte sulla corteccia. Questa era la nostra prima possibilità. Oppure, se il talamo è al centro, diciamo come nel centro di una ruota, il suono andrà qui, l'immagine andrà lì, e la corteccia rinvierà questi segnali al talamo. Quindi le sensazioni non sono collegate né a livello della corteccia, né a livello del talamo, ma in questo dialogo fra il talamo e la corteccia: dal talamo alla corteccia, quindi di nuovo al talamo, e poi alla corteccia, e poi al talamo, e così via.

 

Una cosa interessante a questo proposito è che la distanza fra talamo e corteccia visiva, fra talamo e corteccia uditiva, fra talamo e corteccia somato-sensoriale (quella responsabile della sensazione tattile dell'uccello sulla mia mano) è la stessa in tutti e tre i casi. Quindi è possibile che uno stesso evento attivi simultaneamente queste tre regioni corticali.

 

Ciò permette anche di immaginare un processo di collegamento delle sensazioni che sia temporale piuttosto che spaziale, poiché le informazioni situate in diverse aree sensoriali della corteccia possono arrivare simultaneamente al talamo.

Se io sento, ascolto e vedo l'uccello simultaneamente, lo percepisco come un unico oggetto.

 

E' dunque importante capire che cosa rende possibile questa simultaneità di ritorno delle sensazioni verso il talamo. Come può l'attività dei neuroni essere più o meno sincronizzata? Se prendiamo in considerazione il talamo e una parte della corteccia, e ci chiediamo: "Che cosa c'è qui dentro?", troviamo dei neuroni. Che aspetto hanno i neuroni? Hanno un corpo cellulare, un assone e dei dendriti. Se con un elettrodo si misura l'attività elettrica dei neuroni del talamo, si osserva che essi scaricano regolarmente a una frequenza variabile a seconda del nostro stato di coscienza. Ad esempio, quando questi neuroni scaricano a una frequenza di 2 Hz, ossia a 2 cicli al secondo, noi siamo addormentati, cioè non siamo coscienti.

 

Quando torniamo coscienti, la frequenza con cui i neuroni del talamo scaricano aumenta fino a 40 Hz, cioè a un ritmo di 40 cicli al secondo. Ciò significa che questi neuroni scaricano tutti alla stessa frequenza e quindi in modo sincrono.

 

Che cosa succede allora? Questo neurone è collegato a questa regione corticale, e ne attiva alcuni neuroni a una frequenza di 40 Hz. Quest'altro neurone è collegato a quest'altra regione corticale, e ne attiva alcuni neuroni alla stessa frequenza di 40 Hz. In questo modo, queste due regioni corticali diventano coordinate nel tempo, cioè i loro neuroni scaricano simultaneamente a una frequenza di 40 Hz. In queste condizioni, collegare le diverse sensazioni consiste nell'individuare i neuroni delle aree corticali che scaricano simultaneamente. E', quindi, molto facile per il nostro cervello riconoscere le aree corticali sincrone, ed è proprio questa sincronizzazione temporale a produrre la percezione. E' come ciò che accade quando si suonano due note molto distanti l'una dall'altra sulla tastiera del pianoforte: se le si suona insieme, si riesce comunque a produrre un effetto unitario, anche se i tasti sulla tastiera e le corde corrispondenti nel pianoforte sono fisicamente distanti. E' la sincronizzazione a produrre la coerenza.

 

Esaminiamo precisamente il funzionamento del sistema talamo-corticale. Qui si trova il talamo e qui si trova la corteccia. Il talamo è composto da due parti. Oltre a essere interessante, questa divisione rende le cose più facili da comprendere. Se guardiamo il talamo lateralmente, vediamo che c'è una regione centrale, detta "non-specifica", e una regione periferica, detta "specifica".

 

Il sistema non-specifico riceve gli stimoli provenienti dal tronco cerebrale, che controlla il sonno, in generale le funzioni corporee, i nostri impulsi e probabilmente anche la nostra capacità di attenzione. Il sistema non-specifico ha, dunque, funzioni rivolte verso l'interno. E' il sentire del nostro corpo.

 

Il sistema specifico guarda, invece, al mondo esterno e riceve dei segnali grezzi dall'occhio, dall'orecchio, dalla mano e dalle altre periferiche sensoriali.

 

Allora, come funziona precisamente il sistema talamo-corticale? C'è il talamo e c'è la corteccia. Ciascun neurone del talamo specifico si connette a un neurone corticale e scarica a 40 Hz. Però i potenziali d'azione sinaptici così trasmessi a questo dendrite non sono sufficienti per fare scaricare il neurone corticale. Ci vorrebbe un altro stimolo oltre al primo. Se ora guardiamo la regione del talamo non-specifico, anche qui troviamo un neurone che si connette allo stesso dendrite del neurone corticale e che scarica anch'esso a una frequenza di 40 Hz. Quando i segnali dei neuroni specifico e non-specifico si sommano, il neurone corticale viene attivato e può quindi scaricare. In altre parole, è necessaria la combinazione del neurone del talamo specifico e di quello del talamo non-specifico perché il neurone della corteccia possa rinviare il segnale verso il talamo.

 

Quindi il movimento di "avanti-e-indietro" tra il talamo e la corteccia è causato dalla combinazione delle attività specifiche e non-specifiche.

 

Se subiamo un danno a livello del talamo specifico coinvolto nella visione, diventiamo ciechi, ma non sordi, perché solo una parte del cervello è danneggiata: quella che va dal talamo alla corteccia visiva. Analogamente, se abbiamo una lesione nella regione che collega il talamo alla corteccia uditiva, non possiamo più sentire, ma continuiamo a vedere. Vi è, dunque, una separazione tra le sensazioni. La sensazione visiva corrisponde a questa parte del talamo e a questa regione della corteccia, la sensazione uditiva corrisponde a un'altra parte del talamo e a un'altra regione della corteccia.

 

Al contrario, se subiamo un danno nel sistema non-specifico, perdiamo in un colpo solo la vista, l'udito e il tatto. Il sistema non-specifico è, quindi, indispensabile al buon funzionamento del sistema specifico.

 

Per concludere, riprendiamo i due concetti fondamentali: il sistema specifico rappresenta il contenuto del mondo, i colori, le forme, i movimenti, i suoni. Il sistema non-specifico rappresenta, invece, ciò che siamo, ciò che facciamo del contenuto, in altre parole è il contesto. L'uno osserva il mondo, l'altro osserva noi stessi. Il dialogo fra il contenuto e il contesto non è altro che la coscienza.

 

Come può questo sistema collegare tutte le diverse sensazioni prodotte da un uccello? Noi abbiamo l'immagine dell'uccello qui, la sensazione tattile delle zampe sulla mano lì, e il canto da un'altra parte ancora della corteccia. Dunque, le zampe producono uno stimolo da 40 Hz, il suono produce un altro stimolo da 40 Hz e l'immagine produce un terzo stimolo da 40 Hz, ma noi non vediamo ancora l'uccello. Che cosa manca? Abbiamo una stimolazione specifica qui, un'altra lì e un'altra ancora lì: dobbiamo aggiungervi la stimolazione non-specifica, che è poi quella che produrrà un movimento a onda nella corteccia. Se questo e quest'altro neurone scaricano insieme, viene attivata la percezione della zampa. Se questo e quest'altro neurone scaricano insieme, viene attivata la percezione del suono. Se questo e quest'altro neurone scaricano insieme, sarà attivata anche la percezione visiva. Tutti e tre insieme, la parte tattile, la parte uditiva e la parte visiva, si combinano a significare "uccello"

 

Ora, come funziona l'onda? Voi vedete qui il cervello e qui il nucleo non-specifico. Il nucleo non-specifico ricorda un po' una frittella. I suoi assoni, invece di andare verso punti specifici della corteccia, si irradiano in tutte le direzioni. E i suoi neuroni sono organizzati in modo tale che questo neurone attivi quest'altro, quest'altro ne attivi a sua volta un altro ancora e così via. Si forma, dunque, un circuito: 1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 7°, 8°, 9°, il tutto in 12,5 millisecondi, e poi si ricomincia. L'onda si ripete regolarmente, e ogni volta tutto quello che nella corteccia oscilla a 40 Hz lo si ritrova lì. Ogni onda è un quanto di coscienza.

 

 

Eccoci arrivati alla fine della storia, quando, a partire dai nostri elementi anatomici, dobbiamo rendere il tutto vivace. Come lo possiamo animare? L'informazione entra, in modo continuo, diciamo dalla retina, e viene subito suddivisa in pacchetti. Questi pacchetti sono quanti di coscienza. Noi lo sappiamo molto bene, perché quando andiamo al cinema e vediamo qualcuno a cavallo, o che spara con una pistola, non lo percepiamo come un insieme di immagini, ma come un evento continuo. Ciò significa che il cervello non è in grado di distinguere tra una sequenza di immagini e un evento continuo.

 

Pertanto l'idea è che quando innescate un'onda, ottenete un'immagine, innescate un'altra onda, ottenete un'altra immagine, innescate ancora un'onda, ottenete una terza immagine. La coscienza, la cognizione, è così un insieme di immagini che si succedono le une alle altre come in un film.

 

E come è costituita ciascuna immagine? I sistemi specifico e non-specifico mettono in comunicazione tutte le parti del cervello: dal talamo alla corteccia, dalla corteccia al talamo, con un'onda ogni 12,5 millisecondi.

 

Possiamo chiederci quanti neuroni ci siano approssimativamente all'interno del cervello. La risposta è 10 alla decima, o 10 000 000 000. E' un numero enorme! Eppure, questo sistema funziona come un singolo evento funzionale: la coscienza.

 

Ci possiamo chiedere quanti neuroni siano dedicati alla vista, all'udito o al tatto. In verità, molto pochi: la maggior parte dei neuroni del cervello non si occupa del mondo esterno. Queste e altre considerazioni ci fanno ritenere che il cervello sia, fondamentalmente, un sistema chiuso.

 

Come sapete, i colori in realtà non esistono indipendentemente da noi, ma sono l'interpretazione che il nostro cervello fa di particolari informazioni provenienti dalla retina. Anche i suoni non esistono, ma sono la nostra interpretazione delle vibrazioni dell'aria. Analogamente, il tatto è qualcosa che noi produciamo in seguito alla deformazione della pelle. Tutto questo ci dice che il nostro cervello è un emulatore della realtà, qualcosa che si è evoluto nel tempo per "imitare" ciò che esiste al di fuori di noi, o, in altre parole, per costruire una storia. Ma gli elementi di questa storia esistono da prima della nostra nascita, poiché nessuno ci insegna a vedere i colori, né a sentire il dolore o le altre sensazioni. Queste facoltà nascono con noi, proprio come il naso, le orecchie e il corpo. Noi siamo come una coscienza equipaggiata con un sistema di sensazioni! Il nostro cervello è, dunque, un emulatore che genera una realtà e che ne verifica l'affidabilità servendosi delle sensazioni.

 

Simulazione mentale di un'azione

 

Quando il cervello simula mentalmente un'azione, esso attiva le stesse regioni di quando pianifica ed esegue un'azione intenzionale.

 

Nella foto in alto il soggetto sta muovendo le dita della mano destra, mentre nella foto in basso sta simulando mentalmente lo stesso gesto. In entrambi i casi si rileva una forte attivazione dell'area "motrice supplementare" della corteccia (1) implicata nella programmazione dell'azione, come pure della parte della "corteccia motoria primaria"(2) dedicata alla mano destra (nell'omuncolo motorio dell'emisfero sinistro).

 

Questi risultati, ottenuti da Jean Decety, confermano l'idea sviluppata da Rodolfo Llinas, secondo il quale il cervello sarebbe in primo luogo un emulatore della realtà.

La coscienza è un sogno limitato dalla realtà

 

Esiste una qualche ragione inconfutabile per sostenere che il cervello sia un sistema chiuso? Sì, è il sogno.

 

I miei sogni sono a colori e molto dettagliati. Immaginiamo che nel corso di uno dei miei sogni io veda il mio amico Francis Crick, che lo senta parlare con un accento inglese e con un tono molto critico. Come si può produrre tutto questo nel mio cervello, in assenza di ogni informazione sensoriale? Come faccio a vederlo? Come faccio a sentire la sua voce? La sola spiegazione plausibile è che il mio cervello sia un sistema chiuso, la cui attività può produrre un'immagine anche in assenza di informazioni provenienti dall'esterno.

 

A questa considerazione fa seguito un corollario abbastanza sorprendente, e cioè che il cervello serva fondamentalmente per sognare, e che noi possiamo sognare in due modi. Quando dormiamo e abbiamo gli occhi chiusi, il contenuto della nostra attività cognitiva dipende da ciò che è presente nella nostra memoria e da quello che il sistema può inventare. Durante la veglia, invece, facciamo dei sogni il cui contenuto è governato dai sensi.

 

In altre parole, dobbiamo ridefinire il concetto di sogno: il sogno è il meccanismo che genera le immagini nelle quali noi ci muoviamo quando interagiamo con l'ambiente esterno. E' l'emulatore di una realtà che può essere costruita a partire da ciò che proviene tanto dall'interno, quanto dall'esterno del nostro cervello.

 

La veglia, il sonno e il sogno

 

L'attività cognitiva è caratterizzata da un un'oscillazione a onda. Ciascuno stato di veglia, di sonno o di sogno è caratterizzato da delle oscillazioni tipiche.

Quando un individuo viene svegliato, si osserva che l'onda a 40 Hz viene riportata a zero da uno stimolo esterno. Ad esempio, uno schiocco sonoro che arriva all'orecchio va ad attivare il talamo che, a sua volta, attiva la corteccia e, se lo stimolo è sufficientemente forte, l'oscillazione viene riportata a zero. Questo è interessante, perché è un modo di caratterizzare lo stato di veglia.

 

Durante il sonno, soprattutto durante la fase delta che corrisponde al sonno più profondo, si osserva un tipo di onda molto lenta, con una frequenza compresa fra 2 e 3 Hz. In questo stadio, qualunque sia lo stimolo che arriva all'occhio o all'orecchio, il cervello non ne tiene conto. Sebbene l'occhio e l'orecchio non dormano e continuino a funzionare, il cervello è immerso nel sonno e le informazioni che arrivano al talamo non possono rimettere l'onda a zero, non vengono prese in considerazione. Il cervello non presta loro attenzione.

 

Quando sogniamo, si osserva un'onda che si propaga dalla regione anteriore a quella posteriore del cervello a frequenze molto vicine a 40 Hz. Queste onde, tuttavia, non possono essere rimesse a zero dagli stimoli provenienti dal mondo esterno. In altri termini, quello che accade all'interno non può essere influenzato da uno stimolo esterno. Durante il sogno il cervello si comporta come un sistema chiuso che non consente al mondo esterno di modificarlo.

 

Un'applicazione potenziale di queste osservazioni è il rilevamento oggettivo delle allucinazioni nei pazienti psichiatrici. Quello che ci aspettiamo di trovare - i lavori sono in corso - è che un'allucinazione sia qualcosa di molto simile a un sogno. Durante l'allucinazione, i pazienti sognano ad occhi aperti e non sono in grado di individuare la differenza fra ciò che vedono e ciò che stanno sognando. Se fosse davvero così, potremmo rilevare uno stato di allucinazione fornendo a questi pazienti, durante la veglia, uno stimolo e verificando se esso produce o meno la rimessa a zero dell'onda.

 

1- Llinas R, Ribary U (1993 a) Perception as an oniric-like state modulated by the senses. In: Large-scale neuronal theories of the brain. Boston, MIT Press, in press.

 

 

L'associazione del "dove" con il "che cosa"

(Stephen Kosslyn)

 

Questi due tipi di informazione devono essere combinati l'uno con l'altro, da qualche parte nel cervello, come dimostra il fatto che noi sapppiamo come sono disposti i mobili nel nostro soggiorno o che la maggior parte della gente sa dove si trovano le cose nel proprio ufficio.

 

Quindi, da qualche parte nel cervello, le informazioni sulla localizzazione e quelle sulla forma devono essere incrociate e collegate. Noi riteniamo che questo accada da qualche parte, all'incirca qui, nel punto di congiunzione del lobo temporale, del lobo parietale e del lobo occipitale.

 

Questa struttura, che io chiamo "memoria associativa", riceve informazioni dal sistema ventrale, sul "che cosa", e dal sistema dorsale del lobo parietale posteriore, che elabora le proprietà spaziali, sul "dove". La memoria associativa identifica gli oggetti e connette le informazioni. A essa non arrivano informazioni solo dalla visione, ma anche dall'udito (se sentiamo un gatto che miagola, siamo in grado di identificarlo), dal tatto (nel caso in cui sentiamo il gatto che si strofina sulle nostre gambe) e da altre regioni ancora... Tutte queste diverse regioni alimentano le strutture della memoria associativa. Ma una volta che un'informazione ha raggiunto la memoria associativa, il modo in cui essa vi è arrivata non ha più alcuna importanza, poiché noi conosciamo la sua categoria, il suo nome eccetera.

 

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