La coscienza ha un elaboratore centrale? (1ª Parte)

Sempre grazie agli stimoli di alcuni amici di Facebook vi segnalo una interessante rivista on line, Scienza e Filosofia, dalla quale ho tratto questo breve saggio di Giulio Tononi, di cui ho già parlato qualche tempo fa in merito alla teoria della informazione integrata, che assieme a Gerald Edelman ha teorizzato l'esistenza di un nucleo dinamico talamo-corticale che dovrebbe essere l' "artefice" principale della coscienza nella sua forma primaria (quella che hanno anche gli animali, come ad es. un cane, una scimmia ecc.) e secondaria (l'autocoscienza tipicamente umana).

Come sempre cercherò di fare una sintesi, lasciando poi a chi vuole approfondire la lettura integrale del testo e qualche nota bibliografica che spero possa essere utile, nell'intenzione di cercare di delineare per sommi capi quelle che sono le attuali teorie scientifiche e filosofiche sul sistema cervello-mente.

In questo breve saggio, Giulio Tononi si rifà alle ricerche condotte con Olaf Sporns e Gerald Edelman, con il quale condivide in massima parte la sua teoria della coscienza. In particolare, procederò a sintetizzare per punti i concetti salienti del saggio e poi a farli oggetto di una riflessione critica.

Vediamoli assieme:

1.  Segregazione e integrazione funzionale nel sistema nervoso centrale

In questo paragrafo Tononi afferma : "Che aree cerebrali diverse siano specializzate a svolgere compiti diversi è ormai praticamente un dogma della neurofisiologia. All’interno di ciascuna area, poi, gruppi neuronali diversi si specializzano per aspetti specifici di una sottomodalità, per esempio una particolare frequenza acustica, un particolare settore del campo visivo, e via dicendo. La parcellazione della corteccia in aree e sottoaree specializzate per specifiche modalità sensoriali o motorie, per sottomodalità (movimento, colore, forma ecc. nel caso della visione), e per sotto‐sottomodalità ancora più frammentarie, fa ormai impallidire la cartografia dei frenologi di un tempo. Eppure, a dispetto dell’imponente evidenza a favore della specializzazione locale, è altrettanto chiaro che l’attività cerebrale è integrata a molti livelli diversi, dall’integrazione tra singoli neuroni, a quella tra gruppi neuronali, a quella tra aree cerebrali diverse."

(...)

"La contrapposizione apparente tra specializzazione e integrazione funzionale è all’origine, di una delle più antiche controversie in neurologia e neurofisiologia: quella tra approcci cosiddetti localizzazionisti da un lato e approcci più olistici, o antilocalizzazionisti, dall’altro. Come sempre in questi casi, la verità sta probabilmente nel mezzo".

Ne emergono concetti fondamentali come quelli del funzionalismo, di cui ho già accennato qui e qui, di  gruppo neuronale specializzato, di integrazione a più livelli dell'attività cerebrale a partire dai singoli neuroni per arrivare alle aree funzionali del cervello.

Fonte: http://willcov.com/bio-consciousness/

2.  Nozione di integrazione dell’informazione

Qui Tononi dice: "abbiamo sviluppato delle simulazioni su larga scala che incorporano gli aspetti salienti dell’architettura e del funzionamento del sistema talamocorticale, concentrando i nostri sforzi sul sistema visivo, meglio conosciuto."

(...)

"In sintesi, l’uso combinato di modelli al calcolatore che incorporano gli ingredienti di base dell’anatomia e della fisiologia del sistema talamocorticale ha consentito di dimostrare che specializzazione e integrazione funzionale vi coesistono in maniera naturale e danno luogo a un comportamento che da un lato è unitario, e dall’altro presuppone l’utilizzo di svariate sorgenti di informazione. Questi modelli aiutano a comprendere i meccanismi neurali tramite i quali ha luogo l’integrazione dell’informazione, come il rientro e il suo ruolo nella genesi delle correlazioni temporali rapide."

(...)

"Per ragioni che non analizzeremo in questa sede, la nozione e le misure di informazione utilizzate in teoria dell’informazione, pur avendo grande generalità teorica e importanti applicazioni pratiche, si sono sempre mostrate poco adatte a caratterizzare gli aspetti semantici dell’informazione, ossia l’“informazione” nel senso comune del termine. Ciò dipende dal fatto che tali misure sono generalmente usate per quantificare la qualità della trasmissione di informazione già data, anziché

l’integrazione dell’informazione all’interno di un sistema autonomo che deve adattarsi al mondo esterno."

Da quanto evidenziato, possiamo estrapolare i seguenti concetti: per Tononi assume fondamentale importanza il meccanismo neuronale di rientro, in particolare all'interno del sistema talamo-corticale, e quello di integrazione dell'informazione, che si distanzia da una visione meramente computazionale e sintattica dell'informazione a favore della descrizione anche degli aspetti semantici della medesima e, infine, l'importanza dell'adattamento all'ambiente  (la mente è "embodied" ed è parte dell' econicchia).

Fonte: http://www.pnas.org/content/105/9/3593/F1.expansion.html

3. Misura dell’integrazione dell’informazione

Questo è un aspetto importante perché consente di modellizzare in termini matematici un concetto che altrimenti "rischierebbe" di restare solo qualitativo. Tononi afferma che:

"Intuitivamente, l’integrazione è tanto maggiore quanto è maggiore il numero e la forza delle interazioni tra gli elementi di un sistema. Per semplicità, assumeremo che il sistema in questione sia il cervello, suddiviso in numerose aree funzionalmente specializzate. Senza fare ricorso a formule (per il modello matematico vedi qui) , diremo che l’integrazione può essere definita come la dipendenza statistica totale tra queste aree. La mutua informazione, che misura la trasmissione di informazione – nel nostro caso fra due sottoinsiemi di aree cerebrali – è anch’essa definita in termini di dipendenza statistica. È così possibile valutare fino a che punto possono coesistere, nel cervello, integrazione e informazione."

(...)

"La coesistenza di integrazione e informazione può essere misurata esaminando la mutua informazione tra singoli elementi e il resto del sistema, e tra insiemi composti di un numero progressivamente maggiore di elementi. Si può dimostrare che la somma della mutua informazione media per tutte le bipartizioni di un sistema (suddivisioni in due parti l’una il complemento dell’altra), dalle bipartizioni tra un elemento e tutti gli altri a quelle tra metà degli elementi e tutti gli altri, definisce esattamente l’integrazione dell’informazione nel sistema. 

A tale nozione e misura abbiamo dato il nome di “complessità”, o “complessità neurale”."

Ne consegue un approccio statistico e geometrico alla descrizione dei meccanismi cerebrali in modo da dare conto della complessità biologica, che si cerca appunto di modellizzare matematicamente.

Più il sistema è integrato più ne aumenta la complessità (la "somma" delle parti "crea" nuova informazione attraverso l'integrazione e comportamenti cooperativi collettivi emergenti). 

Fonte: http://www.med.yale.edu/neurobio/mccormick/seminar/figure3.htm

4.  Soggettività dell’esperienza e il nucleo dinamico integrato

E' importante precisare che Tononi qui parla della cosiddetta coscienza primaria (non dell' autocoscienza tipicamente umana):

"Si noti che la soggettività elementare presa in considerazione in questo contesto non va confusa con la nozione di un “io” che è soggetto in quanto dotato di un concetto del sé, ossia di “autocoscienza”, né tanto meno con la nozione di “io” utilizzata in psicopatologia o psicodinamica. Tali aspetti della soggettività, per quanto importanti, fanno parte di quanto Edelman ha definito coscienza secondaria (“higher order consciousness”), in contrapposizione alla coscienza primaria, la semplice presenza di un' esperienza fenomenica integrata.

In questo contesto, è importante osservare che l’integrazione rapida dell’informazione deve avere luogo all’interno di un processo fisico specifico, e che tale processo fisico rappresenta, inevitabilmente,

un centro o punto di vista soggettivo e individuale. In particolare, è possibile ipotizzare che l’integrazione rapida di informazione nel cervello avvenga all’interno di un “nucleo dinamico integrato”."

(...)

"La quantità di informazione integrata nell’unità di tempo all’interno del nucleo dinamico integrato, ossia la sua complessità nell’unità di tempo, fornirà una misura del grado di coscienza, mentre la partecipazione efficace di questi o quei gruppi neuronali, di queste o quelle aree, determinerà i contenuti di coscienza.

Va sottolineato che, se l’integrazione rapida dell’informazione avviene nel cervello all’interno di un processo fisico con le caratteristiche di un nucleo dinamico integrato, ciò rende conto direttamente dell’individualità e della soggettività dell’esperienza cosciente. Questo perché, trattandosi di un processo fisico individuabile, dotato in quanto tale sia di un centro che di confini più o meno netti, il nucleo dinamico integrato rappresenta un punto di vista non solo metaforicamente ma anche

fisicamente."

(...)

"Per ragioni sia anatomiche che fisiologiche, è presumibile che in generale soltanto alcune regioni del cervello faranno parte di tale nucleo. Si tratterà perlopiù di regioni inserite nei circuiti talamocorticali, ove varie caratteristiche anatomiche e fisiologiche consentono che tramite il rientro abbiano luogo interazioni reciproche efficaci. Di momento in momento, gruppi neuronali diversi entreranno o usciranno dal nucleo. Talune aree saranno spesso o sempre parte del nucleo integrato, altre non

lo saranno mai, e altre ancora potranno entrarvi o uscirvi con grande facilità.

In genere, quando uno o più gruppi neuronali entrano a far parte del nucleo dinamico integrato, l’efficacia delle loro interazioni con gli altri gruppi neuronali del nucleo integrato subirà un’amplificazione non‐ lineare con tutte le caratteristiche di una transizione di fase."

(...)

"Il concetto di nucleo dinamico integrato suggerisce invece che attività e interattività possono essere dissociate, e che soltanto un insieme di gruppi neuronali fortemente e rapidamente interattivi è il processo fisico corrispondente all’esperienza cosciente".

(...)

"L’esistenza di un nucleo dinamico integrato è postulata sulla base di evidenze fenomenologiche, ma soprattutto è suggerita da innumerevoli dati provenienti dall’esperienza clinica con pazienti neurologici e psichiatrici, che vanno da coma, anestesia, sonno, disturbi dissociativi, sindromi da disconnessione, cervello diviso, a effetti differenziali sull’esperienza cosciente di lesioni o stimolazioni di aree diverse del cervello ecc., che non possiamo riassumere qui. È inoltre suggerito dall’architettura e dal funzionamento del cervello, in particolare del sistema talamocorticale."

Qui sottolineerei i concetti già citati di nucleo dinamico integrato (e il fatto che è postulato e non ancora dimostrato in maniera inequivocabile), non linearità, transizione di fase e l'importanza determinante del sistema talamocorticale.

5. La dissociazione

In questo paragrafo Tononi ci spiega come mai la coscienza primaria è molto probabile che emerga nel nucleo dinamico integrato nel sistema talamocorticale attraverso l'esempio dei fenomeni dissociativi, in particolare del sistema visivo:

"la ragione è da ricercarsi non in fattori quali le caratteristiche locali dei neuroni e della loro attività di scarica, bensì in fattori che favoriscono l’emergenza di un nucleo dinamico integrato nel sistema talamocorticale ma non in [altre] strutture. 

Tra tali fattori si possono enumerare, senza discuterne qui il ruolo specifico, la reciprocità delle connessioni cortico‐ corticali e talamo‐ corticali, le terminazioni diffuse negli stati superficiali della corteccia, la presenza di circuiti cortico‐talamo‐corticali in grado di mantenere un processo dinamico coerente anche in assenza di segnali esterni, la cooperatività locale di neuroni a formare gruppi neuronali, la presenza di un vasto sistema di sinapsi voltaggio‐ dipendenti che possono amplificare in modo quasi esplosivo l’efficacia di interazioni globali quando sia raggiunta una certa soglia, e la possibilità di creare un vallo inibitorio che limita ma al tempo stesso rafforza la persistenza del nucleo dinamico integrato. 

Tutti questi fattori facilitano il processo del rientro, lo limitano a territori talamocorticali, e consentono quindi di spiegare perché solo in queste aree si diano le condizioni per sostenere un nucleo dinamico integrato delle proporzioni e caratteristiche necessarie per l’integrazione rapida di una grande quantità di informazione."

(...)

"Il preconscio corrisponderebbe a attività neurali che potrebbero contribuire direttamente all’esperienza cosciente, ma non sono nel caso specifico sufficientemente intense per farlo, o lo sono per un periodo di tempo troppo breve e si trovano, per così dire, alla periferia della coscienza (...) Il subconscio rappresenterebbe invece quei processi neurofisiologici che, per sede e natura, potrebbero in altre circostanze entrare a far parte del nucleo dinamico integrato dominante, e che sono inoltre sufficientemente attivi, e tuttavia non lo fanno."

(...)

"Qualche indicazione neurofisiologica sulla presenza di questo tipo di processi anche nel soggetto normale ci viene da studi sulla rivalità binoculare, in cui l’attività di neuroni corticali a volte si correla e a volte non si correla con la percezione cosciente (presunta)." 

(...) 

"Il problema del numero e dell’estensione di processi neurofisiologici dissociati che possono coesistere nel sistema talamocorticale sono quindi un aspetto centrale ma ancora del tutto misterioso della neurofisiologia della vita psichica."

6. La coscienza secondaria e la soggettività

Infine, in questo paragrafo Tononi si esprime in merito all' "hard problem" della coscienza secondaria e soggettiva tipica dell'essere umano:

"In sintesi, abbiamo visto che considerare la coscienza come l’aver luogo di un certo processo fisico – l’integrazione rapida di una grande quantità di informazione entro un nucleo dinamico integrato – rende conto di tre sue caratteristiche fondamentali: l’informatività, l’integrazione e la soggettività. 

La coscienza è varia, multimodale, ricca di contesto e di passato perché comprende una grande quantità di informazione; è unitaria, perché tale informazione è integrata, è dinamica, perché l’informazione integrata cambia di momento in momento, se pur con una certa inerzia; e possiede una soggettività intrinseca, perché il nucleo dinamico entro cui avviene l’integrazione dell’informazione è un processo dai confini fisici abbastanza netti. Tale nozione ci spiega anche come certe strutture, di cui l’unica di cui abbiamo conoscenza diretta è il cervello umano, siano necessarie perché abbia luogo questo tipo di processo."

(...)

"Nasce così la necessità di esaminare le conseguenze della differenza irriducibile tra l’essere e il descrivere, una differenza così sostanziale che è persino tollerata tra i filosofi. 

È ragionevole pensare che tale differenza valga per ogni processo fisico. Essere un fiume, un fuoco, un’esplosione, o un essere vivente, compreso un pipistrello, è indiscutibilmente diverso dal descrivere quei processi fisici, sia pure

tramite le teorie fisiche più aggiornate e le misurazioni più dettagliate. Tale differenza vale anche per quel particolare processo fisico che è la coscienza. 

In quanto processo fisico, come abbiamo visto, la coscienza può venire da noi descritta e compresa in termini oggettivi o intersoggettivi. 

L’eccezionalità della coscienza sta però nel fatto che, oltre a essere descrivibile da parte di un soggetto (adulto), essa “è”, ed è irriducibilmente, quello stesso soggetto che la descrive."

Veniamo adesso ad una riflessione critica di questa teoria del sistema cervello-mente attraverso i suoi punti nodali, che possiamo così sintetizzare:

1. Abbinamento di funzionalismo (ci sono aree funzionali del cervello specializzate, così come singoli gruppi neurali) e complessità biologica (emergenza, non linearità, transizioni di fase, comportamenti cooperativi ecc.);

2. Il cervello è embodied ed assieme al resto del corpo è parte di una econicchia;

3. Esistenza di un centro dinamico del cervello da cui emerge la coscienza (il nucleo dinamico nel sistema talamocorticale e il relativo meccanismo del rientro);

4. Rifiuto di una visione computazionale di tipo "classico" del cervello (cioè applicata tout court dalla teoria dell'informazione alla biologia e pertanto il cervello non agirebbe seguendo regole logiche);

5. Distinzione fra coscienza primaria e coscienza secondaria;

6. Accettazione della soggettività della coscienza secondaria, ma anche affermazione della sua fisicità (naturalismo materialista);

7. Definizione matematica della coscienza primaria e anche degli stati qualitativi della coscienza secondaria (tentativo di misurazione scientifica e oggettiva);

8. Visione neo-darwinista con riferimento all'evoluzione ed alla selezione neuronale;

9. Scissione netta fra ontologia (cosa esiste e cosa c'è) ed epistemologia (descrizione e conoscenza).

Dunque, nella teoria di Tononi-Edelman (li possiamo assimilare con buona approssimazione) è fondamentale la coesistenza di specializzazione - che come si è visto può arrivare fino a singoli gruppi neuronali - e di integrazione/complessità (che presiede alla emergenza della coscienza) e c'è un rifiuto dell'ipotesi tipica del cognitivismo classico che il cervello funzioni attraverso delle computazioni "digitali". In merito, Edelman (2006) afferma:

"A che cosa possiamo fare riferimento dopo avere abbandonato l'idea di computazione? Possiamo rivolgerci all'idea fondamentale di Darwin di pensiero popolazionistico. Secondo la proposta di Darwin, le categorie (di caratteri o di specie) possono emergere per selezione da una popolazione di varianti ossia individui con differenti tratti distintivi" . Edelman poi fa l'esempio del sistema immunitario dove si è dimostrato che il riconoscimento immunitario degli anticorpi avviene per selezione e non per istruzione (quindi non c'è computazione) e formula quindi l'ipotesi che "il cervello, come il sistema immunitario, è un sistema selettivo che opera nell'arco della vita dell'individuo" che lui chiama darwinismo neurale.
Tale ipotesi darwinista si basa, come dice Edelman, su tre principi:
"Il primo è che lo sviluppo dei circuiti neuronali nel cervello produce un'enorme variazione anatomica microscopica che è la conseguenza di un processo di selezione continua. Una delle forze principali che guidano questa selezione nello sviluppo è data dal fatto che, persino nel feto, i neuroni che scaricano assieme si cablano assieme. (...) Il secondo principio è che quando il repertorio di circuiti anatomici che si formano riceve segnali provocati dal comportamento o dall'esperienza dell'animale ha luogo anche un altro insieme di eventi selettivi. Questa selezione esperenziale si realizza mediante cambiamenti della forza delle sinapsi già esistenti nell'anatomia cerebrale: alcune sinapsi si rafforzano altre si indeboliscono.(...) Il risultato finale della selezione nello sviluppo e della selezione esperenziale è che alcuni circuiti neuronali sono favoriti rispetto ad altri.
Avendo però abbandonato il computer con la sua logica ed il suo orologio, come si fa ad ottenere un comportamento coerente del sistema? E che cosa influenza il sistema in modo che produca risposte adattive? Il primo problema viene risolto dal terzo principio della teoria, che propone un processo chiamato rientro. Il rientro è la segnalazione incessante da una certa regione cerebrale (o mappa) ad un'altra e poi di nuovo alla prima lungo fibre massicciamente parallele (assoni) che sappiamo essere onnipresenti nei cervelli superiori. Le vie di segnalazioni rientranti cambiano costantemente di pari passo con il pensiero. L'effetto finale di questo traffico rientrante è la scarica sincronizzata di gruppi neuronali in particolari circuiti. E' così che si ottiene la coordinazione nel tempo e nello spazio che altrimenti dovrebbe essere garantita da qualche forma di computazione. Per capire come funziona il rientro, consideriamo un ipotetico quartetto d'archi composto da musicisti indisciplinati, ognuno dei quali suona la propria parte con un ritmo diverso. Ora colleghiamo i corpi dei suonatori con fili molto sottili (un gran numero di fili per ogni parte del corpo). Ogni suonatore, mentre si muove, segnalerà inconsapevolmente agli altri i propri movimenti. In breve tempo, il ritmo e in certa misura le melodie diventeranno più coerenti. Qualcosa del genere avviene anche nelle improvvisazioni jazz, ovviamente senza fili!"


Per spiegare, invece, la teoria della selezione dei gruppi neuronali Edelman introduce il concetto di sistema di valore all'interno del cervello, che verrebbe poi ereditato.
Infatti, egli afferma che: "affinché l'adattamento possa avere successo, deve esistere una qualche propensione che regola il risultato della selezione nello sviluppo e nella selezione esperenziale coordinate dal rientro. Anzi, in ogni specie questa propensione viene ereditata in forma di sistemi di valore presenti nel cervello per effetto della selezione naturale. Ciascuno di questi sistemi di valore in certe particolari circostanze rilascia un tipo di neurotrasmettitore o di neuromodulatore".


Per quanto concerne la distinzione tra coscienza primaria e coscienza secondaria, sempre Edelman dice:
"I cani ed altri mammiferi, se sono consapevoli, sono dotati di coscienza primaria, ovvero hanno l'esperienza di una scena unitaria in un intervallo di tempo di non più di qualche secondo, che io chiamo 'il presente ricordato', un pò come l'illuminazione di una stanza buia data dal fascio di luce di una torcia elettrica. Anche se sono consapevoli degli eventi in corso, gli animali dotati di coscienza primaria non sono coscienti di essere coscienti e non hanno un concetto di passato e futuro e neanche un sé nominabile. Per concepire tali astrazioni è necessario essere dotati di una coscienza di ordine superiore e a tal fine occorre avere capacità semantiche o simboliche."

Quindi, in estrema sintesi, i punti cruciali di questa teoria sono un interessante abbinamento della teoria evoluzionistica e della modellizzazione matematica della complessità, distinguendo nettamente il funzionamento del cervello da quello di un computer.
L'approccio metodologico è certamente "in terza persona" anche se si da' importanza alla soggettività tipicamente umana della coscienza secondaria (c'è in sintesi una ipotesi "riduzionistica" di tipo biologico di fondo, che si cerca di mitigare con quella di informazione integrata).
Il punto che potrebbe dare adito a maggiori perplessità è l'ipotesi del nucleo dinamico all'interno del sistema talamocorticale, che sembrerebbe postulare una sorta di elaboratore centrale dal quale dipenderebbe in massima parte l'emergere della coscienza.
Quella dell' "elaboratore centrale" è una ipotesi che è presente, in altri termini, anche nella teoria computazional-rappresentazionale di Jerry Fodor e che, come abbiamo visto, è stata ad esempio criticata da Daniel Dennett in quanto offre il fianco ad un'accusa di dualismo e di materialismo cartesiano.
Ne parlerò nel prossimo post.

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Letture consigliate:
Giulio Tononi, Gerald Edelman, Un universo di coscienza: come la materia diventa immaginazione, Einaudi 2000;
Gerald Edelman, Seconda Natura - Scienza del cervello e conoscenza umana, Raffaello Cortina Editore, 2007;
Massimo P. Palmarini, Le scienze cognitive classiche: un panorama, Einaudi 2008.