Ricerche

Uno dei problemi profondi per capire il cervello è spiegare come delle unità di calcolo relativamente semplici (i neuroni), possano eseguire collettivamente operazioni molto complesse (pensiero).

Nel 1999, lo scienziato danese Per Bak ha fatto la proposta sorprendente che il cervello funziona più o meno come un mucchio di sabbia.

Quando si aggiunge altra sabbia al mucchio, molte piccole valanghe mantengono stabile l'intero mucchio. In modo  analogo, valanghe elettriche nel cervello lo mantengono in un punto di equilibrio, o punto critico, in cui viene ottimizzata l'elaborazione delle informazioni.

Il modello è intuitivamente attraente e gli esperimenti con le fettine di tessuto cerebrale isolate hanno infatti dimostrato che l'attività elettrica spontanea mostra le caratteristiche statistiche della criticità, che sembra essere lo stato normale, o a riposo, del cervello.

Ma c'era un pezzo mancante, ha detto Ralf Wessel PhD, professore associato di fisica alla Washington University di St. Louis. "Da un lato, l'ipotesi è che, a criticità, il cervello è ottimizzato per il calcolo. D'altra parte, si era studiato solo il tessuto cerebrale, che in realtà non stava facendo niente. Ci siamo chiesti cosa sarebbe successo se il cervello avesse un lavoro da fare, se uno stimolo sensoriale dovesse essere elaborato. Il cervello avrebbe operato in criticità?".

Per scoprirlo, il laboratorio di Wessel alla Washington University e quello di Woodrow Shew alla University of Arkansas hanno collaborato per monitorare l'attività elettrica nella corteccia visiva quando una serie di immagini in movimento si muovono per tutta la retina.

Come riferito online dal 22 giugno 2015 su Nature Physics, l'input sensoriale spinge momentaneamente la corteccia lontano dalla criticità ma, qualunque sia lo stimolo, la corteccia ritorna spontaneamente al regime critico. "Il sistema si adatta naturalmente allo stimolo", ha detto Shew, assistente professore di fisica all'Università dell'Arkansas, "sintonizzandosi di nuovo in un buono stato per gestire lo stimolo e dargli un senso".

"In futuro, le dinamiche del cervello potrebbero essere usate come biomarcatore per la salute o la malattia", ha detto Yahya Karimipanah, studentessa laureata in fisica, arte e scienze alla Washington University di St. Louis e co-autrice della ricerca. Quando le persone sono private del sonno, ha detto, le registrazioni indicano che l'attività elettrica nel cervello è subcritica. Dall'altra parte, lo «sparo» [attivazione elettrica] incontrollato durante un attacco epilettico è una manifestazione di dinamiche supercritiche.

Parlando di criticità

Il concetto di criticità è al centro del modello. Per spiegare la criticità, Wessel usa la metafora di una partita giocata su una scacchiera di cellule. "Supponiamo che ogni cellula della scacchiera possa contenere fino a tre granelli di sabbia prima di «crollare»". Quando si aggiunge il quarto granello, la cellula aggiunge un granello di sabbia a ciascuno dei suoi vicini e se uno di questi vicini è 'pieno', questo ridistribuisce la sabbia pure ai suoi vicini.

"Un neurone è come un riquadro della scacchiera", ha detto. Egli somma i suoi stimoli e una volta raggiunta la soglia, spara, inducendo a volte pure i neuroni collegati a sparare. "In questo senso, il modello a scacchiera è una metafora perfetta della dinamica del cervello". All'inizio del gioco, la comunicazione è molto locale. Una valanga viaggia solo tra due o tre cellule e quindi si arresta. Ma quando ogni cellula viene 'caricata', c'è una buona possibilità che una valanga viaggi attraverso la rete.

La criticità, secondo Wessel, è nella «zona Goldilocks», dove il cervello è né troppo lento né troppo reattivo. Il suo segno distintivo è sparare valanghe che seguono ciò che è noto come «legge di potenza», dove le valanghe più piccole sono più frequenti di quelle più grandi.

La scacchiera è lenta se molti dei riquadri contengono qualche granello di sabbia e l'aggiunta di un granello non produce una valanga. E' supercritica quando la maggior parte delle cellule hanno già tre granelli, così che quando si aggiunge un granello - boom - l'attività viaggia ovunque. "Il gioco della scacchiera illustra come si può finire con qualcosa di incredibilmente complesso, ripetendo la stessa regola semplice più e più volte", ha detto Wessel.

Shew spiega che il passaggio dalla dinamica subcritica a quella supercritica nel gioco della scacchiera è una versione di una transizione di fase.

"Noi sperimentiamo le transizioni di fase ogni giorno, quando l'acqua liquida evapora e si trasforma in vapore o si blocca e si trasforma in ghiaccio. Anche il cervello può passare attraverso una fase di transizione, e questo è un po' più sorprendente, giusto? Naturalmente non voglio dire che il cervello può sciogliersi o congelarsi, ma può passare da un comportamento ordinato a uno disordinato. Entrambi gli stati o fasi non sono ottimali. Una crisi epilettica è un esempio di un livello estremo di ordine; tutti i neuroni fanno la stessa cosa insieme e questo non va bene. C'è bisogno di un po' di disturbo perchè il cervello lavori in modo efficace".

"In questo lavoro descriviamo cosa succede al sistema visivo quando lo si guida davvero duramente. Gli stimoli visivi intensi lo spingono in una di queste fasi, che non è efficace computazionalmente, almeno nel breve termine. Ma c'è un processo naturale con cui si adatta, si auto-sintonizza per tornare a uno stato in cui può dare senso allo stimolo. Questo stato è proprio al confine tra due fasi. Questo è ciò che intendiamo per criticità, il punto di svolta tra due modi molto diversi di lavorare. In qualche modo questo sistema si sintonizza non su una fase o l'altra, ma al confine tra due fasi".

"Questa è una cosa sorprendente", ha detto.

Questa spiegazione del funzionamento del cervello potrebbe sembrare stravagante in un primo momento, ma riflettendoci ha senso che un cervello capace di leggere una mappa un momento e individuare la Sonata n° 1 in sol minore di Bach poco dopo, possa cercare un punto di svolta dinamico dove sarebbe pronto ad adattarsi agilmente ai cambiamenti di input.