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sabato 30 aprile 2011

La coscienza del Quantum Brain (2ª Parte)

La descrizione del modello Vitiello-Freeman del "quantum brain" che vi propongo sarà necessariamente discorsiva e cercherò di estrapolarne gli elementi che ritengo essenziali per una sua comprensione intuitiva poggiante comunque su una base di concetti della fisica quantistica e in parte della biologia.

Innanzitutto, come ho già detto nel precedente post, questa teoria ipotizza una coesistenza e interazione fisica reale fra processi quantistici e processi biologici, laddove la realtà classica biologica e neurale emergerebbe "naturalmente" da quella quantistica e i relativi processi neurali nel cervello sarebbero direttamente "implementati" da quest'ultima (ad es. la rapida sincronizzazione dei pattern neurali) oltre cha da fenomeni tipicamente biochimici e quindi "classici" (dunque, come detto, quantistico e classico coesisterebbero).
In particolare, nel nostro cervello e in generale in tutto il corpo - dove il sistema nervoso è "immerso" in un "milieu di biomolecole", tra cui quella più diffusa è l'acqua - si verificherebbero dei processi quantistici spontanei (rotture spontanee di simmetria dei dipoli elettrici delle biomolecole) dovuti alla continua interazione con l'ambiente ed alla natura stessa dei legami elettromagnetici delle predette biomolecole.
In buona sostanza, nel cervello (e in tutto il corpo per logica estensione) esisterebbe già "a monte" un campo quantistico, con caratteristiche che vedremo, entro il quale avverrebbero i predetti fenomeni di rottura spontanea di simmetria e dal quale emergerebbero naturalmente i processi della realtà classica biologica, che nel nostro caso specifico è fatta, semplificando, da biomolecole e neuroni nel cervello (e poi, ovviamente, da sinapsi, assoni, dendriti, cellule gliali ecc.; nel modello di Vitiello-Freeman la "sorgente" dei pattern rilevati e all'origine della formulazione della teoria riguarda il cosiddetto "neuropil" della neocorteccia).

Il modello di Vitiello-Freeman si basa sull'utilizzo della teoria quantistica dei campi a molti corpi , che si è rivelata ottimale per descrivere i fenomeni di emergenza dal livello quantistico a quello classico e per spiegare alcuni importanti dati sperimentali derivanti dagli elettroencefalogrammi (EEG) e dagli elettrocorticogrammi (ECoG), che altrimenti non sarebbero spiegabili attraverso i processi classici di tipo meramente elettrochimico.
Come abbiamo detto la teoria quantistica dei campi è detta anche "seconda quantizzazione" (Licata, 2008) e fondamentalmente si distingue dalla meccanica quantistica ("prima quantizzazione") per la modifica sostanziale del concetto di spazio-tempo vuoto (il "vuoto quantistico" e le sue fluttuazioni di "punto zero") e, in particolare, quella "a molti corpi" descrive in maniera efficace l'emergenza di comportamenti coerenti collettivi a partire da una molteplicità di "particelle elementari" ed è comunemente usata ad esempio nella fisica della materia condensata (fenomeni della superfluidità, superconduttività ecc.).
Un punto di partenza dell'analisi quantistica di Vitiello-Freeman la possiamo far risalire al famoso dilemma di Lashley risalente alla prima metà del secolo scorso (1942) : "Here is the dilemma. Nerve impulses are transmitted ... from cell to cell through definite intercellular connections. Yet, all behavior seems to be determined by masses of excitation...within general fields of activity, without regard to particular nerve cells... What sort of nervous organization might be capable of responding to a pattern of excitation without limited specialized path of conduction? The problem is almost universal in the activity of the nervous system".
La ricerca di Vitiello-Freeman, dunque, si basa sulla definizione di questi "pattern di conduzione non specializzati" del sistema nervoso (cerebrale) in risposta ai "pattern di eccitazione" nel ciclo di azione-percezione ed interazione dell'organismo con l'ambiente.

In sostanza, il problema è capire come si generano comportamenti collettivi neurali coerenti e sincronizzati a velocità difficilmente spiegabili con la semplice trasmissione elettrochimica.

Fonte: Vitiello, Freeman, 2008 "The sharp spikes (gray, De(t)) show the rate 
of change in spatial AM patterns. The lower  curve (black, the inverse of Re(t), 
a measure of synchrony)  shows that the re-synchronization precedes the emergence
of spatial order  and also the increase in power in each frame."




Come dicono in questo articolo gli stessi autori: " Observations and data analysis carried on in the past decades (Freeman, 1975-2006) have shown that the brains of animal and human subjects engaged with their environments exhibit coordinated oscillations of populations of neurons, changing rapidly with the evolution of the relationships between the subject and its environment, established and maintained by the action-perception cycle. Our analysis of electroencephalographic (EEG) and electrocorticographic (ECoG) activity has shown that cortical activity during each perceptual action creates multiple spatial patterns in sequences that resemble cinematographic frames on multiple screens. In this paper we will briefly review some of the features of the dissipative model of brain which has been formulated in recent years (Vitiello, 1995, 2001; 2004; Freeman & Vitiello, 2006- 2010)."


Questi pattern rilevati da EEG e ECoG sono detti "spatial amplitude modulated patterns" (AM) e Vitiello-Freeman ne hanno identificato la sorgente nel "neuropil neocorticale", ossia "the dense felt-work of axons, dendrites, cell bodies, glia and capillaries forming a continuous sheet 1 to 3 mm in thickness over the entire extent of each cerebral hemisphere in mammals" e le relative onde di trasporto sono state identificate come strette bande di oscillazione di circa 3-5 Hz all'interno delle frequenze cerebrali beta (12-30 Hz) e gamma (30-80 Hz), che "form during the active state and dissolve as the cortex returns to its receiving state after transmission" (Vitiello-Freeman, 2008).

Questa oscillazione di frequenza fra "active state" e "receiving state" della neocorteccia secondo i  nostri autori comporterebbe che: "The change in the dynamical state of the brain with each new frame resembles a collective neuronal process of phase transition requiring rapid, long-distance communication among neurons for almost instantaneous re-synchronization of vast numbers of neurons".


Dunque, i pattern AM rilevati dagli strumenti (EEG e ECoG) e le relative onde di trasporto ad essi associati nella forma di leggere variazioni (3-5 Hz) delle onde cerebrali beta e gamma possono essere riferibili a processi neuronali coerenti e collettivi conseguenti a transizioni di fase, che richiedono rapide comunicazioni a lunga distanza fra neuroni e che determinano una ri-sincronizzazione pressocché istantanea di un vasto numero di neuroni.

Secondo Vitiello-Freeman la rapidità di questo processo di ri-sincronizzazione neuronale a lunga distanza non è compatibile "with the mechanisms of long-range diffusion and the extracellular dendritic currents of the ECoG, which are much too weak. The length of most axons in cortex is a small fraction of the observed distances of long-range correlation, which cannot easily be explained even by the presence of relatively few very long axons creating small world effects [Barabásí, 2002]".


Cioè, i meccanismi di diffusione a lunga distanza, ossia le correnti elettriche dendritiche extra-cellulari e le trasmissioni di tipo chimico, non sono idonee secondo VF (abbrevierò così Vitiello-Freeman a partire da qui) a spiegare i pattern AM osservati e la velocità del processo neuronale da essi implicato ("Thus, neither the chemical diffusion, which is much too slow, nor the electric field of the extracellular dendritic current nor the magnetic fields inside the dendritic shafts, which are much too weak, are the agency of the collective neuronal activity. Lashley’s dilemma remains, thus, still to be explained" [2008]).

A questo punto, l'ipotesi di VF  è quella di spiegare questo processo osservato dei pattern AM e dei processi quasi-istantanei di ri-sincronizzazione neuronale ad esso riferibili come un processo quantistico reale e quindi di ipotizzare che il cervello sia un sistema quantistico macroscopico reale ("namely a system whose macroscopic behaviour cannot be explained without recourse to the microscopic dynamics of its elementary components" [Vitiello, Freeman, 2011]) in cui i neuroni e le biomolecole restano enti biologici classici, ma i relativi processi sono emergenti dal campo quantistico bosonico sottostante che è descritto dalla citata teoria quantistica dei campi a molti corpi.
Tale campo quantistico bosonico sarebbe interessato da continui processi di rottura spontanea della simmetria rotazionale del dipolo delle biomolecole, che sono ionizzate e dipolari (Licata, 2008), che da' origine - in base alla teoria a molti corpi - ai bosoni di Nambu-Goldstone  (dipole wave quanta, DWQ),  che sono particelle o modi del campo a massa nulla o estremamente piccola (Higgs-Kimble mechanism) e che "possono condensare a temperature biologicamente rilevanti producendo stati coerenti (evanescent photons) attraverso una peculiare filamentazione del campo elettrico che si dirama su ampie zone cerebrali" (Licata, 2008).

Fonte: http://www.leigharnold.com/
Il modello VF rappresenta una evoluzione di quello di Hiroomi Umezawa e Luigi M. Ricciardi (RU Model, 1967 e successive modifiche), che era un modello sviluppato per lo studio della materia condensata e prevedeva "la variazione di alcuni parametri d'ordine che innescano dei processi SSB (spontaneous simmetry breakdown) grazie ai quali si manifestano nel "cervello" un gran numero di modi vibrazionali di tipo bosonico" (Licata, 2008). Tale modello, però, prevedeva un "quantum brain" solo "formale", ossia considerava la teoria quantistica un modo strumentale ed efficace per descrivere i processi cerebrali (una sorta di "quantum like semantics"), ma non ipotizzava il cervello come un sistema quantistico macroscopico reale come invece fa il modello VF.

Inoltre, il modello Umezawa-Ricciardi non era di tipo dissipativo come invece quello Vitiello-Freeman, che prende il nome di dissipative quantum brain,  e quindi non considerava gli aspetti termodinamici dovuti all'interazione con l'ambiente ed al relativo scambio di energia ed informazione con il sistema cerebrale e l'intero organismo come fa invece il modello VF "che porta all'immagine di una mente che vive tramite una serie continua di transizioni di fase e dunque di nuovi livelli emergenti" (Licata, cit.).
Infine, il modello Ricciardi-Umezawa era troppo statico in quanto sostanzialmente "chiuso" (bassa apertura logica) e ciò comportava un grosso problema nella modellizzazione dei processi di memoria che si "sovrapponevano" l'uno sull'altro dando come risultato una sorta di incapacità strutturale del cervello a dimenticare, ovviamente non accettabile.
Questo problema viene risolto dal dissipative quantum brain proprio grazie al meccanismo quantistico di tipo bosonico che si svolge in un campo quantistico a stati di vuoto multiplo (cd. "vuoto degenere") all'interno dei quali i bosoni possono continuamente condensarsi dando luogo a "possibili infiniti stati coesistenti e non distruttivi per codificare l'informazione; l'arrivo di nuova informazione non produce necessariamente la distruzione di quella precedentemente immagazzinata, ma piuttosto, com'è naturale aspettarsi da un sistema dissipativo, un continuo processo di assemblaggio tra vecchia e nuova informazione. I numeri quantici associati ai vari comportamenti collettivi non sono fissi, ma variano nel tempo in co-evoluzione con gli stimoli ambientali. L'introduzione di un flusso complementare di informazione e dissipazione introduce in modo naturale una freccia del tempo legata alla descrizione dei processi cognitivi" (Licata, cit.).

Dunque, nel modello VF acquisisce fondamentale importanza il ruolo degli stati multipli di vuoto quantistico non equivalenti fra loro ("inequivalent ground state") e della continua rottura spontanea di simmetria dei dipoli rotazionali delle biomolecole, che da' origine alle transizioni di fase con "eccitazioni bosoniche" e la relativa densità di condensazione sempre diversa e in continua riorganizzazione all'interno degli stati di vuoto multiplo, che consente quella continua riconfigurazione del codice dell'informazione associabile alla memoria ed all'apprendimento.
In tale contesto, la densità di condensazione bosonica (e la sua variazione) è associata al parametro d'ordine del processo collettivo ("In our model we conceive the order parameter as the density of the synaptic interactions at every point in the cortical neuropil, and we interpret the ECoG recorded at each point as an experimentally observable correlate of the neural order parameter") e alle correlazioni neuronali a lunga distanza e quindi alla relativa coerenza del sistema (uno stato coerente è caratterizzato da bosoni NG che condividono la stessa fase).
Inoltre, in base alla teoria gli stati di vuoto multiplo sono reciprocamente esclusivi fra loro e quindi impediscono che ci siano sovrapposizioni di stato (che hanno reso famoso il gatto di Schroedinger, come visto nel post precedente).
Come scrivono i nostri: "In the dissipative model, under the influence of an external stimulus, the brain inner dynamics selects one of the possible (inequivalent) ground states, each of them thus being associated to a different memory. Infinitely many memories may thus be stored and, due to the unitarily inequivalence of the (vacuum) states, they are protected from reciprocal interference. In the dissipative model we regard the NG condensate as an expression of a transiently retrieved memory (thought, percept, recollection) that has been accessed by a phase transition."

La cosa interessante che emerge per necessità matematica della teoria è che trattandosi di un sistema dissipativo termodinamico occorre duplicare i gradi di libertà per rendere conto dell'interazione con l'ambiente e ciò porta alla "nascita" del Double del sistema - che chiameremo ∼Ak (tilde-A con k gradi di libertà del campo quantistico) - , mentre il sistema-cervello lo chiameremo Ak (non-tilde A, con k gradi di libertà), dove ∼Ak (l' "universo tilde") "può essere considerato il time-reversed mirror image" (Licata, cit.) dell' "universo non tilde", ossia Ak (il sistema cervello).

A tal proposito, i nostri scrivono: "The possibility to exploit the whole variety of unitarily inequivalent vacua arises as a consequence of the mathematical necessity in quantum dissipation to "double" the system degrees of freedom so as to include the environment in which the brain is embedded. That reflective fraction of the environment is thus described as the Double of the system, which turns out to be the system time- reversed copy. The entanglement between the brain and its environment is thus described as a permanent coupling, or dynamic dialog between the two, which may be related to consciousness mechanisms. Consciousness thus appears as a highly dynamic process rooted in the dissipative character of the brain dynamics, which, ultimately, is grounded into the non-equilibrium thermodynamics of its metabolic activity."


La coscienza emergerebbe in tale modello dal dialogo (il "between") tra le "modalità tilde" e quelle "non-tilde" del campo quantistico, quindi tra il sistema ed il suo Doppio o Sosia, e dunque si potrebbe "spiegare i processi coscienti come una speciale proprietà di auto-interazione del sistema con sé stesso. E' possibile dire in accordo con Maturana e Varela, che l'attività mentale è una continua produzione del mondo che origina dalla natura irreversibile e dissipativa delle nostre interazioni con l'ambiente" (Licata, 2008).

Dobbiamo, quindi, immaginare la coscienza come una capacità emergente dal dialogo continuo fra il sistema Ak ed il suo Doppio ∼Ak, in cui i processi bosonici dovuti alla rottura di simmetria ed alle transizioni di fase sono alla base della formazione ed evoluzione della memoria (sia a breve che a lungo termine), dell'apprendimento e in generale del ciclo percezione-azione.
E' importante ribadire che tali processi quantistici implementano, ma non sostituiscono quelli classici di tipo elettrochimico, costituendone per così dire "la matrice fisica informazionale profonda" su cui si fonda la coerenza del sistema.

Al livello classico, inoltre, dicono i  nostri autori che ci sono fenomeni di non linearità e di caos deterministico :"In recent years, the dissipative model has been developed also considering the available experimental observations and data analysis (Freeman & Vitiello, 2006-2010). The reader can find in the quoted literature a list of properties and predictions of the model, as compared to observations, which here for brevity we do not report. The data analysis shows that one can depict the brain non-linear dynamics in terms of attractor landscapes. Each attractor is based in a nerve cell assembly of cortical neurons that have been pair-wise co-activated in prior Hebbian association and sculpted by habituation and normalization (Kozma & Freeman, 2001). Its basin of attraction is determined by the total subset of receptors that has been accessed during learning. Convergence in the basin to the attractor gives the process of abstraction and generalization to the category of the stimulus. The memory store is based in a rich hierarchy of landscapes of increasingly abstract generalizations (Freeman, 2005; 2006). The continually expanding knowledge base is expressed in attractor landscapes in each of the cortices."

Pertanto, il dissipative quantum brain  abbina la teoria quantistica dei campi, la termodinamica, la complessità (caos deterministico e non linearità) e neurobiologia in un approccio interdisciplinare davvero pregevole, che dovrà essere perfezionato come dicono gli autori stessi per rendere conto meglio delle relazioni con i processi biochimici neuronali e delle funzioni mentali più elevate ("Moreover, the dissipative model describes the brain, not mental states. Also in this respect this model differs from those approaches where brain and mind are treated as if they were a priori identical (...) "There are many open questions which remain to be answered. For example, the analysis of the interaction between the boson condensate and the details of electrochemical neural activity, or the problems of extending the dissipative many-body model to account for higher cognitive functions of the brain need much further work"[2008]).

Ci tornerò nel prossimo post, dove cercherò di delineare alcune implicazioni filosofiche di questo modello quantistico del cervello.

1 commenti:

Paolo Manz ha detto...

Vedi Quantum Brain Notes in https://www.facebook.com/groups/431161846963599/

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