La Macchina della Mente: terza parte

Dalla macchina al sistema dinamico

Per gran parte del Novecento il modo piu comodo di pensare al cervello e stato quello della macchina: ingressi sensoriali, elaborazione, uscite comportamentali. Il neurone veniva descritto come un interruttore che si accende o si spegne, e la mente come il risultato di tanti interruttori collegati fra loro. Questo modello, utile e potente, ha pero un limite: spiega bene come una singola cellula reagisce a uno stimolo, molto meno come miliardi di cellule producano insieme percezioni, ricordi e decisioni.

Il paradigma neurodinamico nasce proprio da qui. La sua tesi di fondo e semplice da enunciare e difficile da studiare: le proprieta piu interessanti del cervello non stanno nei singoli neuroni, ma nel modo in cui le loro attivita si organizzano nel tempo. Un cervello, in questa prospettiva, assomiglia meno a un circuito e piu a un ecosistema, o al clima: un sistema con moltissime parti che si influenzano a vicenda e che, proprio per questo, genera comportamenti d’insieme non riducibili alla somma delle parti.

Le oscillazioni: il respiro elettrico del cervello

La caratteristica che ha spinto molti ricercatori verso questo paradigma e l’osservazione che i cervelli delle specie superiori sono sede di attivita elettriche oscillatorie continue. Le reti di neuroni non scaricano in modo casuale, ma tendono a sincronizzarsi, dando origine a ritmi collettivi. Questi ritmi si osservano a due livelli: al microscopio, come oscillazioni delle frequenze di scarica dei neuroni, e in superficie, come attivita elettroencefalografica.

Che cosa misura l’EEG

L’elettroencefalogramma registra, attraverso elettrodi posti sul cuoio capelluto, le variazioni di potenziale elettrico prodotte dall’attivita sincronizzata di grandi popolazioni di neuroni corticali. Non vede il singolo neurone: vede il coro. Per questo l’EEG e lo strumento naturale del paradigma neurodinamico, perche misura esattamente cio che al paradigma interessa, ovvero il comportamento collettivo delle reti.

I ritmi cerebrali

Le oscillazioni cerebrali vengono tradizionalmente descritte per bande di frequenza. I ritmi piu lenti si accompagnano al sonno profondo e agli stati di rilassamento, quelli piu veloci alla veglia attiva, all’attenzione e all’elaborazione cognitiva impegnativa. Non esiste una banda buona e una cattiva: ogni ritmo e appropriato a un certo stato funzionale, e la salute del sistema dipende dalla sua capacita di passare in modo flessibile da un regime all’altro a seconda di cio che il momento richiede.

Auto-organizzazione e reti neuronali

Il cuore del paradigma e il concetto di auto-organizzazione. In un sistema auto-organizzato l’ordine non viene imposto dall’esterno da un direttore d’orchestra, ma emerge dalle interazioni locali fra le parti. Nessun neurone sa che cosa sta facendo l’intera rete, eppure dall’insieme delle loro interazioni nascono schemi coerenti e riconoscibili di attivita.

Questo spiega perche il comportamento del cervello puo essere, allo stesso tempo, ordinato e imprevedibile. Le reti neuronali passano con rapidita da uno stato all’altro, si stabilizzano temporaneamente su configurazioni ricorrenti e poi le abbandonano. Molti modelli descrivono questi stati ricorrenti come attrattori, ovvero configurazioni verso cui il sistema tende a scivolare, un po’ come una biglia rotola verso il fondo di una conca. Percepire un odore, riconoscere un volto o richiamare un ricordo, in questa lettura, corrisponde all’ingresso della rete in uno di questi stati collettivi.

Perche il paradigma neurodinamico conta

Adottare questo punto di vista ha conseguenze concrete. Aiuta a capire fenomeni che il modello a interruttori fatica a spiegare: la flessibilita con cui il cervello riorganizza la propria attivita, la sua capacita di generare comportamento spontaneo anche in assenza di stimoli, il ruolo del rumore e della variabilita come risorse e non solo come disturbo. Aiuta inoltre a leggere in modo nuovo alcune condizioni cliniche, interpretabili come alterazioni della dinamica collettiva piu che come guasti di singoli componenti.

Resta molto da chiarire. La natura e la funzione precisa di molte di queste attivita oscillatorie non sono ancora del tutto comprese, e il rapporto fra i ritmi elettrici e cio che sperimentiamo come pensiero rimane una delle grandi domande aperte delle neuroscienze. Ma il cambio di prospettiva e ormai acquisito: per capire la macchina della mente conviene guardare non solo ai suoi pezzi, bensi al modo in cui, insieme, si mettono a oscillare.

Ai margini del caos

Uno degli aspetti piu affascinanti emersi da questo approccio e l’idea che il cervello lavori in una condizione di equilibrio delicato, a mezza strada fra l’ordine rigido e il disordine completo. Un sistema troppo ordinato ripeterebbe sempre gli stessi schemi e sarebbe incapace di novita; un sistema troppo disordinato non riuscirebbe a mantenere alcuna configurazione stabile abbastanza a lungo da essere utile. La ricchezza del comportamento cerebrale sembra nascere proprio dallo stare in bilico fra questi due estremi, in una zona che diversi studiosi hanno descritto come il margine del caos.

In questa condizione il cervello puo essere insieme stabile e pronto al cambiamento: mantiene le sue configurazioni ricorrenti quanto basta per riconoscere e agire, ma e sempre a un passo dal riorganizzarsi di fronte a qualcosa di nuovo. Concetti come sincronizzazione, transizione e metastabilita descrivono questa capacita delle reti di formare temporaneamente coalizioni di neuroni che oscillano insieme, per poi scioglierle e ricomporne altre. E un modo di funzionare che nessun interruttore, per quanto veloce, potrebbe riprodurre, e che rende ragione della flessibilita straordinaria del pensiero.

Domande frequenti

Che cos’e il paradigma neurodinamico?

E un modo di studiare il cervello che sposta l’attenzione dal singolo neurone al comportamento collettivo delle reti nervose nel tempo. Considera il cervello un sistema dinamico auto-organizzato, in cui le proprieta piu importanti emergono dalle interazioni fra molte cellule anziche risiedere in ciascuna di esse.

Che cosa sono le oscillazioni cerebrali?

Sono ritmi elettrici prodotti dall’attivita sincronizzata di grandi gruppi di neuroni. Si osservano come oscillazioni delle frequenze di scarica a livello microscopico e come tracciato elettroencefalografico in superficie. Diverse bande di frequenza si accompagnano a diversi stati funzionali, dal sonno profondo alla veglia attenta.

In che cosa si differenzia dal modello del cervello come computer?

Il modello del computer descrive il neurone come un interruttore e la mente come il risultato di calcoli sequenziali. Il paradigma neurodinamico sottolinea invece che il comportamento globale del cervello e ordinato e imprevedibile insieme, emerge dall’auto-organizzazione e non e riducibile alla somma dei singoli elementi.

Che cos’e un attrattore in questo contesto?

E una configurazione di attivita verso cui una rete neuronale tende a stabilizzarsi temporaneamente, per poi abbandonarla. Molti modelli descrivono percezioni e ricordi come l’ingresso della rete in uno di questi stati collettivi ricorrenti.