La vera anima del cervello

Una sinfonia di neuroni

Sono passati quattro miliardi di anni dalla prima scintilla di vita. E milioni di anni fa, nei primi antenati dell’uomo, durante una notte africana, mentre ammiravano il cielo stellato, si scatenava, come afferma Edoardo Boncinelli nel suo libro “Vita” (Bollati Boringhieri), una “tempesta di neuroni” nel loro cervello, per cercare una risposta a domande fondamentali che ancora oggi ci appassionano. Come funziona il cervello? Qual è il rapporto tra corpo e mente? Che cos’è la coscienza? Qual è il significato di tutto ciò che ci circonda?

Il cervello, scrive Miguel Nicolelis nel suo saggio “Il cervello universale” (Bollati Boringhieri), è una sinfonia di neuroni composta dai moltissimi insiemi di cellule. Esse comunicano tra loro attraverso messaggi elettrochimici e punti di contatto chiamati sinapsi. Per mezzo di queste reti neurali, il cervello svolge la propria attività principale: la realizzazione di una moltitudine di comportamenti, mettendo cioè in pratica ogni atto di creazione, distruzione, scoperta, riflessione, seduzione, amore, odio, gioia, tristezza, egoismo, solidarietà.

Le meraviglie che i circuiti cerebrali possono generare ogni giorno fanno dire ai neuroscienziati che si tratti di un “miracolo”. Il cervello, aggiunge Rodney Douglas, funziona come un’orchestra, ma di un tipo unico, in cui la musica prodotta può quasi istantaneamente modificare la configurazione degli esecutori e degli strumenti, e grazie a questo processo può auto-comporre una melodia del tutto nuova. La sfida delle nuove neuroscienze è allora quella di decifrare e comprendere i meccanismi neurofisiologici che permettono a queste “vampate di elettricità neurologica” di dare vita a quell’insieme di attività e comportamenti che costituiscono ciò che definiamo natura umana.

Localizzazionisti contro distribuzionisti

Finora, le neuroscienze sono state coinvolte in una disputa circa quali aree specifiche del cervello svolgano una particolare funzione. Da una parte ci sono i “localizzazionisti”, i quali credono che le distinte funzioni cerebrali siano generate da aree del sistema nervoso altamente specializzate e separate. Dall’altra c’è un gruppo di neuroscienziati, i “distribuzionisti”, per i quali il cervello umano fa affidamento su “popolazioni” di neuroni multitasking, in grado di svolgere molti incarichi contemporaneamente e distribuite in molti punti diversi. Questa seconda concezione sostiene in sostanza che vaste popolazioni di cellule localizzate in molte regioni diverse del cervello contribuiscono a realizzare un comportamento finale.

La distinzione non è puramente accademica. Per il localizzazionismo, danneggiare un’area significa perdere in modo netto la funzione che vi risiede; per il distribuzionismo, invece, la funzione è ridondante e diffusa, il che spiega perché il cervello mostri spesso una sorprendente capacità di compensare i danni riorganizzando i propri circuiti. È la stessa proprietà che oggi chiamiamo plasticità, e che rende la metafora dell’orchestra più adeguata di quella della centralina: se manca un musicista, l’ensemble può ridistribuire le parti e continuare a suonare.

Da Cajal a Sherrington: come è nata l’idea

All’inizio fu Santiago Ramon y Cajal ad affermare che un singolo neurone costituisce l’unità fondamentale del cervello, gettando le basi della dottrina del neurone. Successivamente Charles Sherrington mostrò invece che le funzioni cerebrali dipendono dalla collaborazione di molti neuroni e da distinti circuiti neurali che operano insieme, introducendo proprio il concetto di sinapsi come punto di comunicazione tra cellule nervose.

Negli ultimi anni, le scoperte delle neuroscienze stanno mettendo in crisi il modello localizzazionista in favore di quello distribuzionista, per realizzare quella che è stata chiamata “la vera anima del cervello”. Le ricerche condotte in laboratori di diverse parti del mondo dimostrano che un singolo neurone non può essere considerato come la fondamentale unità funzionale del cervello. Ad essere responsabili delle “sinfonie del pensiero” sono infatti le popolazioni interconnesse di neuroni.

Ascoltare i neuroni: dal pensiero al movimento

Oggi è possibile riprodurre una piccola parte, in forma di comportamenti motori concreti e volontari, di questi insiemi neurali. Ascoltando appena qualche centinaio di neuroni possiamo già iniziare a replicare il processo grazie al quale pensieri complessi diventano azioni corporee immediate. Gli esperimenti indicano che il cervello umano si presenta sempre più come uno “scultore” che fonde spazio e tempo neurale per ottenere un continuum organico responsabile della creazione di tutto ciò che vediamo e percepiamo come realtà, incluso il nostro senso dell’essere.

In pratica, registrare l’attività simultanea di molte cellule, e non di un singolo neurone, permette di leggere uno “schema” collettivo che corrisponde a un’intenzione di movimento. È la traduzione concreta del principio distribuzionista: l’informazione utile non sta nel singolo elemento, ma nella configurazione dell’insieme. Ed è proprio questa lettura di popolazione che rende possibili le applicazioni tecnologiche più sorprendenti.

Le interfacce cervello-macchina

Autorevoli neuroscienziati ritengono che nei prossimi decenni, combinando questa visione del cervello con la nostra crescente capacità tecnologica di ascoltare e decodificare sinfonie neurali sempre più grandi e complesse, le neuroscienze finiranno per spingere la portata umana ben oltre i limiti correnti imposti dai nostri fragili corpi. L’équipe del neuroscienziato Nicolelis, ad esempio, sta lavorando per insegnare alle scimmie il modo di adottare un paradigma neurofisiologico rivoluzionario chiamato “interfaccia cervello-macchina” (BMI, dall’inglese brain-machine interface).

Le interfacce cervello-macchina sono oggetti progettati e realizzati per permettere al cervello di connettersi a un computer e muovere oggetti con un atto del pensiero. Il pioniere di questa tecnica è proprio Miguel Nicolelis, docente di neuroscienze presso la Duke University, in Carolina del Nord.

Usando queste BMI, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che le scimmie possono imparare a controllare volontariamente i movimenti di dispositivi artificiali, come braccia e arti robotici posti sia vicino sia lontano da loro, utilizzando esclusivamente la loro attività elettrica cerebrale grezza. Questa scoperta dà origine a una vasta gamma di possibilità per il cervello e per il corpo che, a lungo andare, possono cambiare completamente il nostro modo di comportarci e di vivere.

Uno sguardo al futuro

In questa prospettiva, tornando a casa dalle vacanze, un giorno, precisa Nicolelis, potreste chiacchierare con una delle moltissime persone del mondo usando internet, senza però premere i pulsanti della tastiera o pronunciare una singola parola. Nessuna contrazione muscolare sarà richiesta: basterà il pensiero. Simili meraviglie non saranno più temi di fantascienza, ma concreta realtà.

È bene mantenere, su queste promesse, un equilibrio tra entusiasmo e prudenza. Le ricadute più mature riguardano la medicina: protesi controllate dal pensiero, ausili per chi ha perso la mobilità a causa di lesioni midollari, sistemi di comunicazione per pazienti che non possono parlare. Le visioni più audaci, come il dialogo “mente a mente” attraverso la rete, restano oggi ipotesi di lungo periodo, che pongono anche delicate questioni etiche sulla privacy del pensiero e sui confini tra persona e tecnologia. Quel che è certo è che la concezione distribuita del cervello, la sua “vera anima”, non è soltanto una raffinata teoria di laboratorio: è la chiave che sta trasformando il modo in cui leggiamo, e forse un giorno estenderemo, la mente umana.

Domande frequenti

Che cosa significa “la vera anima del cervello”?

L’espressione indica la concezione distribuzionista, secondo cui le funzioni cerebrali non risiedono in singoli neuroni o in aree isolate, ma emergono dalla collaborazione di vaste popolazioni di neuroni interconnesse e distribuite in regioni diverse. La vera “unità di lavoro” del cervello, in altre parole, è l’insieme che suona insieme, non la singola cellula.

Qual è la differenza tra localizzazionisti e distribuzionisti?

I localizzazionisti ritengono che ogni funzione cerebrale sia generata da un’area specializzata e separata del sistema nervoso. I distribuzionisti sostengono invece che il cervello si affidi a popolazioni di neuroni multitasking, attive in più punti contemporaneamente, e che il comportamento finale nasca dalla loro azione collettiva. Le ricerche recenti tendono a confermare questa seconda visione.

Che cos’è un’interfaccia cervello-macchina (BMI)?

È un sistema che permette al cervello di connettersi a un computer e di controllare oggetti, come arti robotici, attraverso la sola attività elettrica cerebrale, senza alcun movimento muscolare. Miguel Nicolelis, della Duke University, è tra i pionieri di questa tecnologia, dimostrata in esperimenti con primati che hanno imparato a muovere dispositivi artificiali con il pensiero.

Chi sono Cajal, Sherrington e Nicolelis?

Santiago Ramon y Cajal è considerato il padre della dottrina del neurone, secondo cui il neurone è l’unità fondamentale del sistema nervoso. Charles Sherrington mostrò che le funzioni dipendono dalla cooperazione di molti neuroni e coniò il concetto di sinapsi. Miguel Nicolelis è un neuroscienziato contemporaneo, docente alla Duke University e pioniere delle interfacce cervello-macchina.