Cosa rende il cervello umano "Umano?" Parte 2

La prima parte di What Makes the Human Brain "Human?" (16 aprile 2017) ha introdotto la domanda su come la struttura del cervello umano differisce dal cervello di altri animali. È stato sottolineato che i cervelli sono veri e propri sistemi complessi, che producono modelli dinamici e sotto-modelli di attività elettrica e chimica a più livelli di organizzazione (scale spaziali). Per comprendere meglio questi modelli, la scienza del cervello avanza a piccoli passi: i primi risultati sperimentali portano a nuove ipotesi, nuovi esperimenti, nuovi risultati e il processo viene ripetuto. In questo modo, le verità scientifiche vengono affrontate in una serie di approssimazioni successive. Ma qui capovolgiamo questo processo speculando che i cervelli condividono alcune caratteristiche di base con noti sistemi fisici e sociali complessi che possono servire come utili analoghi. La figura che segue indica che affinché questo processo sia scientificamente utile, tali speculazioni dovrebbero essere controllate per vedere se sono coerenti con la scienza del cervello stabilita. Se tali idee non sembrano violare la scienza conosciuta, potremmo etichettarle come "amiche del cervello" e prenderle più sul serio.

Fonte: Paul Nunez

Le domande essenziali sul comportamento di quasi tutti i sistemi complessi implicano una distinzione tra gli stati estremi di localizzazione (isolamento) rispetto agli stati globali . In altre parole, chiediamo se il sistema in questione si comporta come una singola entità integrata, implicando forti interazioni continue tra tutte le sue parti più piccole. O il sistema è composto da molti piccoli sottosistemi che agiscono più o meno indipendentemente? Questa idea è ben illustrata dai fan che interagiscono in uno stadio di calcio; il comportamento collettivo del ventilatore è analogo a vari stati del cervello. Prima che inizi il gioco, la maggior parte delle interazioni si verificano tra le persone sedute vicine; le conversazioni individuali sono in gran parte non correlate. Possiamo chiamare questa condizione uno stato di fan del calcio di localizzazione funzionale . Lo stato opposto si verifica quando viene segnato un touchdown e tutti i tifosi della squadra di casa stanno tifando insieme; chiamiamo questa condizione la coerenza globale . Ma anche in questo stato globale, le tasche locali di visitatori insoddisfatti e bevitori ubriachi rimangono integrati nel sistema globale.

Il problema locale-globale è strettamente correlato alla salute del cervello. La scienza del cervello suggerisce che gli stati cerebrali più complessi avvengono tra gli estremi del comportamento pienamente locale e globale, suggerendo quindi una corrispondenza tra complessità cerebrale e coscienza sana. I sistemi chimici (neurotrasmettitori) possono agire per spostare il cervello in luoghi diversi lungo la gamma locale globale di comportamenti dinamici. Sostanze chimiche diverse possono alterare la forza di accoppiamento tra aree corticali distinte mediante azioni selettive a diverse profondità corticali. Una coscienza sana è associata ad un corretto equilibrio tra meccanismi locali, regionali e globali. Gli stati cerebrali reali che appaiono analoghi a questi stati metaforici del calcio vanno dalla schizofrenia e dall'autismo (localizzazione estrema) agli stati sani (localizzazione moderata) fino al coma o all'anestesia (estrema coerenza globale).

In che modo la fisiologia del cervello umano si è evoluta per generare schemi complessi e consentire inoltre ai cervelli di transitare facilmente tra i loro stati localizzati e quelli globali? In particolare, la preponderanza delle piccole connessioni mondiali tra regioni distanti della corteccia cerebrale umana fornisce un mezzo plausibile per produrre una vasta gamma di modelli cerebrali complessi. Ogni coppia di neuroni nella corteccia cerebrale dei mammiferi può essere separata da una lunghezza di percorso di solo due o tre sinapsi. Questo suggerisce che un potenziale d'azione di un neurone bersaglia un neurone secondario che, a sua volta, bersaglia un terzo neurone, e così via. Ma, solo due o tre di questi passaggi possono essere necessari per influenzare da una regione a diffondersi alla corteccia distale. Tali lunghezze del percorso cortico-corticale sono analoghe alla rete sociale umana globale con i suoi cosiddetti sei gradi di separazione tra due esseri umani, vale a dire una lunghezza del percorso di non più di sei contatti sociali in tutto il mondo. Scegli qualcuno a caso, ad esempio un uomo di Taiwan. Probabilmente conosci qualcuno, che conosce qualcuno, e così via, che conosce quest'uomo, con forse solo sei passaggi di conoscenza necessari per completare il percorso. Noi umani viviamo in un piccolo social network mondiale. Molte altre proprietà sono spesso associate a reti di piccole dimensioni. In genere esiste un'eccessiva quantità di nodi hub nella rete con un numero elevato di connessioni. Per analogia, le reti di piccole dimensioni delle rotte aeree hanno brevi distanze di viaggio (lunghezze di percorso) tra due città in quanto molti voli vengono instradati attraverso le città hub.

Fonte: Paul Nunez

La corteccia cerebrale forma uno strato cerebrale esterno. In che modo le nostre argomentazioni sulle piccole connessioni corticali mondiali riguardano il cervello di diversi mammiferi? Supponiamo di contare il numero di assoni che entrano e lasciano un cerotto nella parte inferiore della corteccia. Alcune di queste fibre collegano la corteccia alla corteccia (fibre cortico-corticali); altri collegano la corteccia alle strutture profonde (mesencefalo), in particolare il talamo. Nel cervello umano solo circa il 2% -5% delle fibre umane che entrano o escono dalla corteccia sono collegate a strutture del mesencefalo. Cioè, la stragrande maggioranza di queste fibre (assoni) nell'uomo sono cortico-corticali. Al contrario, la densità relativa degli assoni cortico-corticali è molto più bassa nei mammiferi inferiori, forse solo circa il 50% nei ratti, per esempio.

Sembra che la densità relativa delle fibre cortico-corticali diventi progressivamente maggiore man mano che i mammiferi diventano capaci di comportamenti più complessi. Questo sembra avere un senso intuitivo – dichiaro di essere più intelligente del mio cane Savannah, ma in che senso sono più intelligente? La mia corteccia olfattiva è un idiota rispetto a quella di Savannah. In qualche modo la nostra umanità sembra provenire da interazioni globali di più neuroni e colonne corticali a diverse scale all'interno della gerarchia annidata del tessuto corticale. Il feedback dinamico che collega la corteccia alla corteccia può essere relativamente più importante negli umani che nei mammiferi inferiori.

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