Dove la neuroscienza si trova nella comprensione della coscienza

Le dinamiche di rete sono la chiave.

Molti scienziati, persino scienziati fisici, affermano che il Santo Graal della scienza è capire la coscienza umana. Questo stato umano è anche difficile da definire, ma è caratterizzato da uno stato in cui sappiamo ciò in cui crediamo, sappiamo e immaginiamo, sappiamo cosa decidiamo e pianifichiamo e sentiamo ciò che sentiamo. Questo non spiega nulla.

Fonte: Davidboyashi – Opera personale, CC BY-SA 4.0

Il problema nella comprensione non è solo il fatto che i meccanismi devono essere sicuramente complicati, ma anche che non abbiamo buoni strumenti sperimentali non invasivi. Ci sono solo due strumenti utili, un proxy metabolico dell’attività elettrica neurale (fMRI funzionale) e il monitoraggio del cuoio capelluto dell’attività elettrica (l’elettroencefalogramma {EEG), o la sua controparte del campo magnetico. Tra i problemi con la risonanza magnetica funzionale è che è solo una misura indiretta dell’effettiva segnalazione all’interno del cervello che genera pensiero e sentimento e consente la coscienza. La sua risoluzione temporale è di circa un secondo o più, mentre la segnalazione nel cervello avviene su una scala milliseconda. Sebbene l’EEG monitora l’attività sulla scala temporale appropriata, ha una risoluzione spaziale molto scarsa, in quanto i campi di tensione su varie regioni della corteccia si sovrappongono, poiché la tensione si estende in ampiezza progressivamente diminuita attraverso il mezzo conduttivo del cervello dalla sorgente di generazione ad altre generatori di sorgenti. Sebbene l’EEG controlli l’obiettivo appropriato (attività elettrica), quell’attività è un inviluppo dei segnali sommati algebricamente da gruppi neuronali eterogenei, che sono impulsi nervosi e i loro potenziali postsinaptici associati più vicini agli elettrodi di rilevamento.

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Nondimeno, conosciamo molte cose utili sulla funzione cerebrale che sono sicuramente coinvolte nel funzionamento cosciente. I neuroscienziati hanno scoperto molto di questo negli animali inferiori da procedure invasive che non sono consentite negli esseri umani. In breve, possiamo elencare le seguenti funzioni cerebrali rilevanti per la coscienza:

• Il cervello è una rete di reti riccamente interconnesse.
• Le funzioni sono modulari. Differenti reti hanno funzioni primarie diverse e mutevoli e alcune possono essere reclutate in modo selettivo quando è necessaria la loro funzione.
• Alcune reti possono eseguire più funzioni, a seconda di quali altre reti li hanno reclutati in azione.
• Alcuni aspetti della connettività funzionale delle diverse reti differiscono negli stati inconsci e consci.
• Wakefulness e coscienza non sono la stessa cosa. La veglia è necessaria ma non sufficiente per la coscienza.
• È stato appreso molto dei meccanismi neurali che causano la veglia, ma ciò non ha aiutato molto a comprendere la coscienza.
• I segnali di messaggistica del cervello sono impulsi nervosi e i loro effetti postsinaptici dei neurotrasmettitori.
• Le tensioni sommate del messaggio hanno effetti elettrostatici che alterano l’eccitabilità dei neuroni all’interno del campo di tensione.
• La frequenza delle raffiche di impulsi e il loro involucro EEG impongono importanti effetti sul gating e sulla velocità di trasmissione dell’informazione mentre si diffonde e viene modificata nell’intero spazio di lavoro globale delle reti.
• Esistono molteplici correlati neurali della coscienza, ma non abbiamo identificato con certezza quali siano necessari e sufficienti per la coscienza.

Si ritiene che l’attività elettrica oscillatoria abbia un ruolo chiave nell’instradamento selettivo delle informazioni nel cervello. Le oscillazioni sembrano modulare l’eccitabilità, a seconda delle relazioni di fase degli insiemi neuronali collegati. Due importanti ipotesi sono state avanzate come cruciali per la coscienza e non si escludono a vicenda:

• Attività a fase bloccata in due o più gruppi (coerenza)
• Gating inibitorio che indirizza percorsi di propagazione all’interno delle reti.

La chiave per scoprire i meccanismi della coscienza è identificare tutti i correlati neurali e quindi analizzare l’elenco con quelli che sono sia necessari che sufficienti per la coscienza. A volte, si verificano scoperte importanti quando si studia il contrario di ciò che si vuole studiare. Questo principio si manifesta negli studi sulla funzione cerebrale durante vari stati di incoscienza (come l’anestesia, il coma o il sonno non-sogno). Una recente revisione della ricerca ha confrontato i correlati neurali dell’incoscienza con quelli della coscienza. La valutazione ha mostrato una connettività interrotta nel cervello e una maggiore modularità durante lo stato di incoscienza, che ha inibito l’efficiente integrazione delle informazioni richieste durante la coscienza. Inoltre, la revisione ha evidenziato il punto chiave che i correlati neurali della coscienza che contano sono quelli che si verificano nella coscienza ma non negli stati inconsci. Di particolare rilevanza sono i correlati correlati alla connettività funzionale tra le reti, poiché molteplici linee di evidenza rivelano che questa connettività degrada durante stati e ritorni inconsci quando la coscienza riprende.

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Nei roditori, le registrazioni multi-array nella corteccia visiva indicano che i modelli di connettività sono gli stessi durante l’anestesia come nella veglia. Forse questo indica che i roditori non hanno l’architettura di rete necessaria per consentire la consapevolezza. Possono essere svegli ma non coscienti. Essere sveglio è chiaramente necessario per la coscienza, ma non sufficiente. Inoltre (se non mi credi, guarda il classico video del gioco del basket di U-tube sulla cecità disattenta). In ogni momento, siamo consapevoli solo degli obiettivi cognitivi specifici a cui partecipiamo.

La co-variazione statistica dell’attività nelle reti collegate è una misura della connettività funzionale. L’attività nelle reti collegate può oscillare casualmente o essere in fase o bloccata a determinati ritardi. Operativamente, la connettività può consentire a un gruppo di neuroni di mediare o modulare l’attività in un altro per operazioni passate, presenti o future. Le dinamiche temporali di questi processi differiscono a seconda dello stato di coscienza.

Una visione molto popolare sulla coscienza tra i neuroscienziati di questi tempi è che il pensiero di ordine superiore, in particolare il pensiero cosciente, è mediato da campi di tensione extracellulare che oscillano nell’intervallo da 12 a 60 o più onde al secondo. I cambiamenti nella frequenza oscillatoria e l’accoppiamento coerente delle oscillazioni tra vari pool di neuroni sono pensati per riflettere la natura e l’intensità del pensiero.

Il problema sorge da come queste tensioni, comunemente chiamate potenziali di campo, possono influenzare l’attività di impulso nervoso sottostante che causa l’oscillazione in primo luogo. I messaggi di pensiero sono trasportati in schemi di impulsi nervosi che fluiscono nelle reti neurali. I potenziali di campo non segnalano, almeno non direttamente. Potrebbero indirettamente influenzare la messaggistica mediante la polarizzazione elettrostatica delle reti per essere più o meno in grado di generare e propagare il traffico degli impulsi nervosi.

I neuroscienziati attribuiscono molta importanza alla dinamica temporale delle frequenze di tensione EEG. Ad esempio, un tempo i neuroscienziati ritenevano che la sincronia di 40 / sec fosse critica per la coscienza, ma studi successivi hanno rivelato che questa sincronia può essere mantenuta e persino migliorata durante l’anestesia. In seguito, gli investigatori pensarono di aver trovato un ruolo cruciale per la sincronia gamma ad alta frequenza, ma anche questo viene ora messo in discussione. Questa sincronia gamma può essere presente o addirittura potenziata durante l’incoscienza. Tuttavia, l’estensione spaziale della sincronia può essere il correlato significativo della coscienza. La sincronia diffusa si rompe durante l’incoscienza, mentre la sincronia più localizzata rimane intatta o addirittura migliorata.

Numerosi studi mostrano una rottura della connettività funzionale durante vari stati di incoscienza. Ad esempio, le fMRI rivelano disconnessioni cortico-corticali e talamocorticali durante il sonno, l’anestesia generale e gli stati patologici. L’analisi EEG mostra interruzioni di connettività simili. Inoltre, il repertorio di possibili configurazioni di connettività a cui è possibile accedere diminuisce durante gli stati inconsci e viene ripristinato al ripristino della coscienza. Questo ovviamente limita la robustezza dell’elaborazione delle informazioni che può verificarsi nell’incoscienza. L’attenzione selettiva cosciente richiede probabilmente un diverso repertorio di connettività rispetto alla coscienza disattenta.

I neuroscienziari stanno inoltre scoprendo l’importanza non solo della coerenza multi-area a una data banda di frequenza, ma anche che la sincronia di fase a due diverse frequenze può anche modulare la comunicazione di rete. L’accoppiamento a frequenza incrociata delle oscillazioni alfa e beta con oscillazioni gamma ad alta frequenza può amplificare, inibire o far passare il flusso di impulsi nervosi attraverso i circuiti.

I progressi futuri includeranno sicuramente maggiore enfasi sul monitoraggio della connettività funzionale mentre il cervello si sposta dentro e fuori da vari stati di coscienza e incoscienza. Penso, tuttavia, che non faremo progressi definitivi nella ricerca sulla coscienza finché non avremo fatto progressi in un settore della teoria e in un altro di metodologia tattica.

La carenza di teoria sta nei modelli di reti neurali. I modelli informatici di reti create dall’uomo producono risultati interessanti, ma probabilmente non sono rilevanti. I cervelli non funzionano con gli stessi principi che fanno i computer. Inoltre, le reti cerebrali hanno la plasticità intrinseca che non può ancora essere duplicata dai computer.

La mancanza di metodo è che non abbiamo un modo non invasivo per monitorare il segnale effettivo anche in una frazione significativa di tutti i neuroni in tutte le reti. Inoltre, anche se avessimo un modo per monitorare i singoli neuroni in modo non invasivo, sarebbe probabilmente necessario monitorare selettivamente i neuroni in circuiti definiti. In definitiva, possiamo confermare che alcune cose non sono solo conoscibili. Sicuramente, tuttavia, possiamo imparare più di quanto facciamo ora.

Riferimenti

Bonnefond, Mathilde et al. (2017). La comunicazione tra le aree del cervello si basa su oscillatori annidati. eNeuro. 10 marzo. 4 (2) ENEURO.0153-16.2017. doi: https://doi.org/101523/ENEURO.0153-16.2017.

Mashour, George A. e Hudetz, Anthony G. (2018). Correlazioni neurali di incoscienza nelle reti cerebrali su larga scala. Tendenze nelle neuroscienze. 41 (3), 150-160.