La neurodinamica della coscienza

La neurodinamica della coscienza

La coscienza è un fenomeno dinamico, comprendente pattern di scariche neurali che coinvolgono ampie zone del cervello, correlate con l’esperienza soggettiva. Un approccio neurodinamico è opportuno per vedere come una sistema complesso, come il cervello, operi su larga scala per consentire l’emergere della coscienza: fenomeno che non è localizzato, bensì distribuito e dipendente dall’attività complessiva del sistema nervoso (Kandel, 2005). I processi neurali rilevanti per la coscienza, infatti, sono attivazioni neurali spazio-temporali su larga scala e transitorie. Tali processi, che comprendono il corpo inserito nell’ambiente, coinvolgono almeno tre cicli di operazioni: i cicli di regolazione dell’organismo, gli accoppiamenti senso-motori tra organismo e ambiente e i cicli di interazione intersoggettiva, in cui svolgono un ruolo importante i neuroni specchio.

Come scrive Varela (1991, p.208): “Il problema dei correlati neurali della coscienza è mal posto, perché, ‘la coscienza non è nella testa’. Per esprimersi concisamente, la coscienza è un’emergenza che richiede l’esistenza di questi tre fenomeni, di questi tre cicli: con il corpo, con il mondo e con gli altri. I fenomeni di coscienza possono esistere solo nel ciclo, nel decentramento che esso comporta. In tutto questo evidentemente il cervello ha un ruolo centrale, perché evidentemente esso è “the enabling condition”, la condizione di possibilità.”

Nella prospettiva neurofenomenologica, mentre con il termine mente ci si riferisce alla totalità dei processi cognitivi che coinvolgono l’organismo, con il termine coscienza si intendono quella parte dei processi mentali che divengono consapevoli, espliciti.

La neurodinamica della coscienza

Il problema della coscienza è una delle questioni più dibattute in ambito neuroscientifico, essendo un terreno battuto da poco dalla ricerca sperimentale. Questo implica l’assenza di un disegno sperimentale affermato (Kandel, 2005). Tuttavia grazie alle nuove tecniche di visualizzazione cerebrale è possibile registrare l’attività delle aree cerebrali maggiorente coinvolte nei processi consapevoli.

Due sono gli aspetti principali da indagare riguardo la coscienza:

1) la consapevolezza del mondo sensoriale;

2) il controllo volontario di pensieri e azioni.

La consapevolezza sensoriale

La corteccia, particolarmente sviluppata nei mammiferi, è la sede in cui vengono mediati i processi più complessi che riguardano la coscienza, come la percezione, la pianificazione e l’attenzione.
La corteccia è un’area a sei strati composta da materia grigia e materia bianca. Questi strati sono composti da insiemi di colonne verticali connesse reciprocamente in modo da formare un’unità integrata. Un’indicativa, ma grossolana, divisione funzionale della corteccia, può essere fatta, tenendo presente il solco che attraversa la corteccia: la scissura di Rolando. La parte posteriore a questo solco, comprende le principali aree deputate alla ricezione sensoriale, uditiva e visiva. Queste aree, ossia i lobi parietali, occipitali e temporali, registrano le diverse informazioni dell’esperienza, per poi integrarle tramite le aree associative (Bottaccioli, 2005).

La corteccia non è particolarmente matura alla nascita ed è quindi particolarmente soggetta all’influenza plasmatrice dell’esperienza (LeDoux, 2002).


Un esempio

Quando vediamo un oggetto, nella fase iniziale, ogni neurone del sistema visivo risponde ad un aspetto specifico dell’oggetto, equivalente a una piccola parte dello stimolo. Tramite la connessione di questi neuroni, lo strato corticale successivo, elabora informazioni più complesse, ricevendo input convergenti dai livelli inferiori e così via. In tal modo, assistiamo ad un’elaborazione gerarchica dello stimolo che viene man mano codificato, giungendo ad una visione integrata, tramite l’attivazione di aree associative unimodali. Sebbene non sia ben chiaro come accada, i vari sistemi sensoriali(visivo, uditivo, ecc.), in seguito, vengono integrati grazie ad aree associative transmodali. In questo modo, le diverse informazioni sensoriali dell’oggetto possono essere integrate: l’oggetto, infatti, può essere visto, udito, toccato, e/o richiamare alla memoria dei ricordi espliciti.

Tuttavia, quello che nella nostra esperienza cosciente è unito, viene elaborato in modo indipendente da diverse aree del cervello. Come queste diverse attivazioni contribuiscano a formare quell’immagine unitaria del mondo di cui facciamo esperienza è uno dei temi più dibattuti nell’odierna ricerca.

La sincronia neurale e la questione dell’assemblaggio

Se, infatti, ogni area codifica solo un aspetto dell’esperienza, come si giunge ad una percezione integrata del mondo, che è la caratteristica principale della nostra coscienza? Tale questione viene denominata il problema dell’assemblaggio. L’integrazione tra diverse aree cerebrali è stata ampiamente studiata soprattutto nell’ambito della percezione, ed in particolare, per quanto concerne la consapevolezza visiva. Ci sono principalmente due strategie per risolvere questo problema, una basata sul legame spaziale tra i neuroni e l’altra su un legame temporale (Kandel, 2005).

La prima si basa sull’idea che le informazioni da integrare potrebbero congiungersi tramite la convergenza selettiva delle informazioni stesse su singoli neuroni o gruppi di neuroni (definiti ‘aree di convergenza’). Questa prospettiva, descritta nel pragrafo precedente, è in linea con quanto è già noto riguardo all’organizzazione gerarchica del sistema visivo, tuttavia, seppur adatta a descrivere i primi livelli di integrazione visiva, come meccanismo di collegamento generale della coscienza è del tutto insostenibile (Kandel, 2005).

La soluzione alternativa, condivisa da molti scienziati, anche di orientamento dissimile, si basa su un legame temporale e dinamico tra i neuroni. Tale legame si baserebbe sulla sincronizzazione temporale dei profili di scarica dei neuroni. In altre parole, regioni spazialmente separate della corteccia, scaricando insieme, potrebbero sincronizzare le loro risposte oscillatorie, stabilendo una relazione tra informazioni diverse (Gray, Konig, Engel, 1989).
Un modello simile è già stato ipotizzato da Donald Hebb (1949), il quale proponeva l’esistenza di ‘assembramenti cellulari’ dinamicamente connessi. Questo modello offre numerosi vantaggi. Innanzitutto, non pone seri limiti, a differenza della teoria della convergenza, alle combinazioni possibili tra le informazioni collegabili: ogni neurone può appartenere a diversi assembramenti, ossia attivarsi insieme a molti gruppi neuronali, associati a diverse percezioni. In secondo luogo, tale prospettiva è in linea con l’idea che nella percezione alcune parti restano invariate da un momento all’altro e ciò che cambia è l’organizzazione degli insiemi mentali legati ai diversi pattern di scarica (Barlow, 1972). Tuttavia questo modello pone importanti questioni, lungi dall’essere risolte, e va indagato sperimentalmente. Ci sono studi, infatti, che non confermano tale ipotesi (Lamme, Spekreijse, 1998).

Appare comunque probabile che l’integrazione visiva (ma in generale questo discorso può essere esteso alle diverse modalità sensoriali) dipenda da una combinazione di meccanismi statici (aree di convergenza) e dinamici (sincronizzazione temporale) (Kandel, 2005).

Dopotutto, l’integrazione neurale, prima di avvenire tra i diversi sistemi cerebrali, avviene all’interno dei sistemi stessi (LeDoux, 2002) ed è presumibile che ci sia una continuità tra i processi che riguardano le integrazioni locali con quelli che coinvolgono aree estese nel cervello.

Il controllo volontario di pensieri e azioni: gli aspetti esecutivi della coscienza

Come detto, la parte posteriore della corteccia elabora le percezioni sensoriali (tranne l’udito). I lobi pre-frontali, invece, sono responsabili dei processi esecutivi, lavorando in modo integrato in quello che può essere definito il sistema attentivo del lobo frontale (Posner, 1992).

Immagine di korsakoff91

Le funzioni esecutive sono un complesso sistema di moduli della mente che regola i processi di pianificazione, controllo e coordinazione del sistema cognitivo e che governa l’attivazione e la modulazione di schemi e processi: implicano l’organizzazione delle azioni, lo spostamento flessibile dell’attenzione; l’utilizzo di strategie appropriate e l’inibizione di risposte non adeguate.

L’impiego delle funzioni esecutive è indispensabile in tutti i tipi di problem solving, sia in quelli di ragionamento astratto, come la soluzione di problemi matematici, sia nell’acquisizione di abilità sociali. La comprensione delle persone (metacognizione) per esempio è una di queste, perché la sensibilità ad obiettivi, emozioni o desideri altrui richiede uno sganciamento dell’attenzione dai propri stati mentali.

Le tre componenti principali delle funzioni esecutive sono: la memoria di lavoro, la capacità di inibizione e l’abilità di generare nuove soluzioni.
Le aree coinvolte nella memoria di lavoro sono essenzialmente tre
: la corteccia pre- frontale (PFC) laterale, la corteccia cingolata anteriore (ACC) e la PFC ventrale.

Le connessioni interne alla corteccia prefrontale, dentro e tra gli strati, sono in numero assai maggiore rispetto alle connessioni provenienti dalle altre aree esterne. Queste reciproche connessioni interne, consentono agli input in entrata di essere mantenuti attivi e amplificati, contribuendo alla sostenuta attività, indispensabile nei periodi di elaborazione dell’informazione (Arnsten, 1998).

Recenti studi hanno dimostrato come l’attività della corteccia frontale aumenti in concomitanza di compiti cognitivi che richiedono l’immagazzinamento temporaneo e le funzioni esecutive (LeDoux, 2002). La memoria di lavoro, infatti, è la capacità di eseguire operazioni mentali sulle informazioni conservate nella memoria a lungo termine. Ovviamente le capacità di questo ‘spazio mentale’, seppur potenti e distintive della nostra specie, sono limitate (si possono ricordare all’incirca 7 elementi ogni 20 secondi).

E’ interessante notare come tra le aree che contribuiscono alla memoria di lavoro, che è una delle capacità che caratterizzano di più l’uomo, la PFC laterale è presente solo nei primati (LeDoux, 2002). Per tale motivo, è stata proposta come base neurale specifica della coscienza umana (anche se come detto qui, la coscienza non è una cosa sola, ma con questo termine ci riferiamo a cose diverse, connesse, ovviamente tra loro).

A questo riguardo, bisogna precisare, però, che la memoria di lavoro è una componente della coscienza e non la totalità della coscienza stessa. Infatti, la memoria a breve termine è presente anche in sistemi dominio-specifici, e ciò spiegherebbe come gli animali possano immagazzinare informazioni fondamentali per la sopravvivenza.

Quando l’attivazione di un sistema è particolarmente intensa, potrebbe prevalere a livello della coscienza, inibendo altri sistemi. Ad esempio, quando si è in situazioni di pericolo gli impulsi sessuali vengono inibiti (Gray, 1987). L’attivazione selettiva di un sistema dipende, quindi, anche dall’attività del tronco encefalico, che determinando l’arousal del sistema nervoso rende possibile l’attenzione focalizzata, anche senza l’utilizzo delle funzioni esecutive correlate alla corteccia prefrontale.

Il tronco, l’area più antica del cervello da un punto di vista evolutivo e già maturo alla nascita, oltre ad essere responsabile nel controllo delle funzioni vitali fondamentali, governa le risposte comportamentali di attacco-fuga-freezing. Tale regione è la fonte profonda dell’attenzione cosciente, in quanto è legata alla motivazione, alla pulsione e all’arousal emotivo. In quest’area, infatti, vengono prodotti i più importanti neurotrasmettitori cerebrali, che come vedremo, si diffondono in tutto il sistema nervoso, modulando l’attività cerebrale.

L’importanza delle connessioni rientranti

Foto di Gordon Johnson da Pixabay

Abbiamo visto, parlando della consapevolezza visiva, come l’input sensoriale venga elaborato attraverso diversi strati della corteccia, disposti in modo gerarchico. Ci troviamo di fronte ad un processo definito bottom-up, dal basso verso l’alto.
Tuttavia, seguendo l’approccio di Varela (1985), dobbiamo ricordare che il flusso dell’informazione non è unidirezionale, come nell’impostazione classica, ossia non va semplicemente dalla retina alla corteccia.

Infatti, prima di giungere alla corteccia, l’informazione passa per il nucleo genicolato laterale. Il nucleo genicolato laterale non riceve afferenze solo dalla retina, bensì da diverse regioni cerebrali come l’ipotalamo, la formazione reticolare del mesencefalo, ma soprattutto dalla corteccia stessa. Solo il 20% delle sue connessioni proviene dalla retina, ossia dal mondo esterno (Varela, 1985). Il sistema visivo è quindi organizzato in modo reticolare, e vi è una convergenza o coerenza simultanea di tutte le aree in questione. Le connessioni rientranti ci forniscono un modello alternativo della percezione, in cui il sistema nervoso ha un ruolo attivo e in cui le informazioni complesse, elaborate dalla corteccia, influenzano direttamente l’attivazione delle aree inferiori che registrano l’input in entrata. I processi che vanno dalla retina alla corteccia, sono definiti bottom-up, mentre le influenze della corteccia sulle aree sensoriali primarie, sono definite top-down, ossia dall’alto verso il basso. In questo modo si supera definitivamente l’elementismo classico, per giungere ad un modello della percezione che da importanza al ruolo delle informazioni contestuali, ruolo già ampiamente sottolineato dalle teorie gestaltiste.

Le connessioni interne alla corteccia prefrontale, dentro e tra gli strati, sono in numero assai maggiore rispetto alle connessioni provenienti dalle altre aree esterne. Queste reciproche connessioni interne, consentono agli input in entrata di essere mantenuti attivi e amplificati, contribuendo alla sostenuta attività, indispensabile nei periodi di elaborazione dell’informazione (Arnsten, 1998). Recenti studi hanno dimostrato come l’attività della corteccia frontale aumenti in concomitanza di compiti cognitivi che richiedono l’immagazzinamento temporaneo e le funzioni esecutive (LeDoux, 2002). La memoria di lavoro, infatti, è la capacità di eseguire operazioni mentali sulle informazioni conservate nella memoria a lungo termine. Ovviamente le capacità di questo ‘spazio mentale’, seppur potenti e distintive della nostra specie, sono limitate (si possono ricordare all’incirca 7 elementi ogni 20 secondi).

I processi top-down e bottom-up

Come scrivono Engel, Fries e Singer (2001, p.704): “Le teorie classiche dell’elaborazione sensoriale sostengono che il cervello è uno strumento passivo, guidato dagli stimoli. Invece gli approcci più recenti sottolineano la natura costruttiva della percezione, considerandola come un processo attivo e molto selettivo. Per la verità, ci sono ampie prove del fatto che l’elaborazioni degli stimoli è controllata da influenze dall’alto verso il basso che plasmano in modo massiccio le dinamiche intrinseche alle reti talamo-corticali e creano costantemente previsioni sugli eventi sensoriali incipienti.”

Con il termine dall’alto verso il basso si indicano, quindi, gli stati cerebrali che possono influenzare le attivazioni dei circuiti neurali emergenti, plasmando la consapevolezza dell’esperienza. In altre parole, con tale termine ci si riferisce a dinamiche neurali su larga scala in grado di determinare il comportamento delle attivazioni di aree neurali locali (Engel et al., 2001).

Queste dinamiche su larga scala, apprese durante lo sviluppo, sono modelli di attivazione automatici, che permettono di categorizzare l’esperienza in modo rapido, comprendendo sia la memoria esplicita che implicita. Queste dinamiche influenzano la pianificazione, la memoria di lavoro e l’attenzione (aree frontali e parietali), tramite la formazioni di categorie mentali astratte e complesse: categorie mentali, peculiari della nostra specie, che ci consentono di sopravvivere. Tuttavia, non riguardano solo la neocorteccia, ma includono anche le regioni limbiche, determinando reazioni emotive intense o risposte corporee apprese da esperienze passate.

In altre parole, questi macro-assemblaggi neurali riguardano i nostri pre-giudizi, ossia modelli attraverso i quali filtriamo l’esperienza del momento presente.
Ad esempio, quando guardiamo un fiore, due flussi di elaborazione si incontrano nelle regioni mediali della corteccia (gli strati 3 e 4). Il primo è un processo bottom-up, in cui l’informazione del fiore arriva agli strati più bassi della corteccia, gli strati 5 e 6, e viene assemblata, l’altro è un processo top-down, in cui l’informazione, giunta dal basso, viene categorizzata/mappata, negli strati 1 e 2, sulla base delle esperienze passate.

Sapendo già cosa sia un fiore, grazie alle nostre esperienze precedenti, non prestiamo troppa attenzione alle informazioni provenienti dal basso e inibendo gli strati più bassi della corteccia non viviamo l’esperienza del qui e ora, ossia l’esperienza di vedere quel particolare fiore in quel momento.

Se la rappresentazione invariante di un fiore può essere utile, perché siamo di fretta e la nostra memoria di lavoro, in quel momento, deve impegnarsi in altri compiti di elaborazione dell’informazione più importanti; tuttavia, alla lunga, questo processo può diventare automatico e svolgersi costantemente al di fuori della consapevolezza. Viviamo immersi nelle nostre categorie mentali apprese, applicando in modo rigido i nostri filtri cognitivi alla realtà, la quale diviene un’esperienza banale e ripetitiva. In altre parole, il processo di categorizzazione top-down diviene una schiavitù, in cui il tempo soggettivo si contrae, e non riusciamo più a vedere il nuovo nelle nostre esperienze quotidiane, nella nostra vita concreta.

Le tecniche meditative di presenza mentale, ponendo l’attenzione sulle informazioni bottom-up, aumentano la densità di input in entrata espandendo il tempo soggettivo e facendoci vedere la bellezza, o la bruttezza, di quel fiore, in quella particolare circostanza. Questo processo aumenta la consapevolezza e ci rende più aperti all’esperienza del momento.

Siegel riporta un interessante studio a proposito (Tse, 2005), in cui presentando uno stimolo insolito (‘la strana palla’), che non si adattava a pattern di attivazione già noti, il tempo percepito dai soggetti dell’esperimento si rallentava. In altre parole, l’accresciuta densità di informazioni in entrata, dovuta alla visione di un oggetto mai visto, espandeva il senso soggettivo del tempo. Siegel propone che accada questo anche nell’esperienza mindful, in cui, attraverso un impegno intenzionale, si cerca di aumentare le informazioni accessibili alla consapevolezza nel presente vissuto. In tal modo, l’esperienza torna ad essere ricca di significati e il tempo si espande come quando eravamo bambini e tutto era insolito. Si torna a vedere quel fiore, in quel momento, nella sua reale unicità.

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