IL CERVELLO DALL’ALTO AL BASSO

Gli stati di coscienza possono essere tracciati nel cervello?

Alcuni modelli neurobiologici della coscienza, come la teoria dello spazio di lavoro globale, presuppongono che i contenuti della coscienza siano ampiamente distribuiti nel cervello. Questa ipotesi è stata confermata da molti esperimenti di brain-imaging, in particolare quelli di Stanislas Dehaene e dei suoi collaboratori. In questi esperimenti, quando la quantità di tempo in cui una parola veniva proiettata su uno schermo veniva estesa appena oltre la soglia richiesta dai soggetti per percepirla coscientemente, c’era un importante aumento dell’attività nelle loro cortecce frontale, prefrontale, cingolata anteriore e parietale.

Quindi gli input sensoriali coscienti sembrerebbero produrre un’attività cerebrale molto più estesa rispetto a stimoli inconsci comparabili, e un’improvvisa attivazione dei lobi frontali e parietali sembrerebbe essere la firma tipica di una percezione cosciente.

Ma questa coscienza percettiva, o come la chiamano alcuni, la coscienza primaria, non è l’unica forma di coscienza. Quando cerchiamo di associare la coscienza a particolari strutture del cervello, dobbiamo quindi definire chiaramente di quale livello di coscienza stiamo parlando. Per esempio, la prima condizione necessaria perché il cervello sia in grado di elaborare coscientemente gli stimoli sensoriali esterni è che si trovi in un adeguato stato di allerta (per esempio, sveglio piuttosto che addormentato).

Partendo da questa premessa, autori come Damasio distinguono una forma molto primitiva di coscienza che lui chiama proto-sé e che è più simile a una percezione momento per momento dello stato emotivo interno del corpo. Questo stato è associato all’attività di strutture cerebrali come la formazione reticolare, l’ipotalamo e la corteccia somatosensoriale. La formazione reticolare è anche associata alla coscienza nel senso minimo della veglia. Altre strutture coinvolte nel semplice mantenimento della veglia sono il ponte, i nuclei del rafe e il locus coeruleus.

Si noti qui che l’attività della formazione reticolare, come quella delle aree sensoriali primarie, sembra essere necessaria ma non sufficiente per un livello più elaborato di coscienza. Quest’ultimo livello si raggiunge con ciò che diversi autori chiamano coscienza primaria, cioè uno stato di veglia in cui siamo in relazione con il nostro ambiente “qui e ora”. Sulla base delle ricerche del neuroscienziato svedese Bjorn Merker, sembra che il tronco encefalico abbia un ruolo più importante nella coscienza primaria di quanto si credesse in precedenza.

Damasio chiama questo tipo di coscienza “coscienza del nucleo” e dice che dipende principalmente dalla corteccia cingolata e dai nuclei intralaminari del talamo. Infatti, gli esperimenti hanno dimostrato che la distruzione bilaterale della porzione centromediale dei nuclei intralaminari del talamo elimina anche la coscienza, produce un coma o causa altri stati simili alla morte cerebrale. Inoltre, questa regione del talamo è uno dei principali siti su cui agiscono gli anestetici e i farmaci antipsicotici.

I modelli di coscienza che attribuiscono un ruolo al talamo non sono uno sviluppo recente. Già nel 1984, Francis Crick ha offerto una delle prime ipotesi sulla coscienza, l'”ipotesi del faro talamico”, secondo la quale il talamo controllava quale regione della corteccia diventava il punto focale della coscienza. Un’idea simile ma più sofisticata è stata proposta recentemente da Rodolfo Llinas. Egli ipotizza che le oscillazioni di alcuni neuroni del talamo servano come una sorta di ritmo di base con cui le oscillazioni corticali delle varie modalità sensoriali si sincronizzano per formare un’immagine unificata dell’ambiente, un po’ come un direttore d’orchestra che fornisce il ritmo che tutti i musicisti devono seguire (vedi barra laterale). Questa è una soluzione originale al problema del legame.

Il talamo è spesso paragonato a un cantiere di commutazione ferroviaria, perché i segnali di tutti i sensi (tranne l’olfatto) devono attraversarlo prima di raggiungere la corteccia. La corteccia invia anche molte connessioni al talamo. La maggior parte dei nuclei del talamo sono considerati “specifici” perché i loro neuroni creano connessioni con aree relativamente circoscritte della corteccia (per esempio, i neuroni del nucleo genicolato laterale proiettano alla corteccia visiva primaria). Il talamo ha anche molti nuclei “non specifici” che inviano proiezioni diffuse ad ampie aree della corteccia. I nuclei intralaminari, situati nella lamina midollare interna, sono un buon esempio di nuclei talamici non specifici. Per completare questa panoramica del talamo, dobbiamo notare che solo uno dei suoi nuclei, il nucleo reticolare, che avvolge la porzione laterale del talamo, non invia alcuna proiezione direttamente alla corteccia. Tuttavia, svolge un ruolo nei cicli di feedback talamocorticali, ricevendo input dalla corteccia e inviando output al nucleo dorsale del talamo.

Questi cicli talamocorticali hanno assunto un ruolo importante praticamente in tutte le teorie neurobiologiche che tentano di spiegare gli stati superiori di coscienza, di cui i livelli inferiori di coscienza di cui abbiamo parlato finora sono in un certo senso solo i prerequisiti. Questi livelli superiori di coscienza umana sono conosciuti come coscienza riflessiva e autocoscienza.

La coscienza riflessiva – questa sensazione che “sono io che percepisco” – è spesso presentata come una condizione necessaria per l’autocoscienza: la sensazione di essere se stessi e non qualcun altro. Questa dimensione autobiografica della coscienza implica che possiamo formare rappresentazioni mentali di esperienze coscienti nel passato o nel futuro, e quindi richiede il supporto della memoria e delle funzioni superiori che rendono possibile la concettualizzazione e la pianificazione astratta.

Ci si aspetterebbe quindi che le aree del cervello che sono note per essere coinvolte in queste funzioni, soprattutto nei lobi frontali e parietali, siano attivamente impegnate nell’autocoscienza. E questo è stato effettivamente riscontrato in alcuni studi che hanno affrontato questa specifica questione.

Questi livelli superiori di coscienza sembrano coinvolgere anche altre strutture cerebrali il cui ruolo è stato a lungo poco compreso, in parte perché alcune di esse sono situate in profondità nel cervello, il che le rendeva difficilmente accessibili. Le moderne tecniche di imaging cerebrale hanno ora superato questo problema.

Tre di queste strutture – il giro angolare, il precuneo e la corteccia cingolata anteriore, che sono spesso molto attive in uno stato cosciente di riposo – potrebbero essere parte di una rete funzionale che rende possibile l’autocoscienza. Il caso del precuneo, che è la porzione postero-mediale del lobo parietale, è particolarmente rivelatore. Lo stato di riposo cosciente è uno stato in cui gli occhi del soggetto sono generalmente chiusi e l’EEG del soggetto mostra un ritmo alfa, o in cui il soggetto guarda passivamente un obiettivo semplice come un segno “+”. Tra tutte le aree del cervello che sono attive durante questo stato, il precuneo è quello che mostra il più alto tasso di attività neurale. Ma al contrario, il precuneo è noto per essere meno attivo durante i compiti che non fanno riferimento al sé. Alcuni autori hanno quindi proposto che l’attivazione del precuneo, e della corteccia cingolata posteriore, che è strettamente connessa ad esso, sia correlata al sentimento di sé e alla sensazione di essere un “agente”.

Dopo Wheatley et al, 2007.

Questa ipotesi è anche coerente con gli studi che hanno mostrato una ridotta attività nella corteccia parietale postero-mediale in molti stati di coscienza alterata, come il sonno, l’anestesia, o uno stato vegetativo. Altri studi hanno anche mostrato una diminuzione dell’attività nel precuneo e nella corteccia cingolata posteriore quando il soggetto è sotto ipnosi, un altro stato alterato di coscienza.

Infine, il precuneo sembra avere anche un ruolo nelle immagini visive/spaziali. Per esempio, alcuni esperimenti hanno dimostrato che il precuneo è più attivo quando i soggetti sono impegnati nell’immaginazione motoria di un movimento delle dita rispetto a quando stanno effettivamente eseguendo questo movimento. Anche questo sembra indicare che le persone hanno una propensione a rappresentare il proprio corpo nello spazio.

L’insula (conosciuta anche come corteccia insulare) è un’altra regione del cervello che è rimasta poco compresa per molto tempo a causa della sua posizione in profondità nelle pieghe della corteccia. Inoltre, poiché non era associata alle funzioni cerebrali “superiori”, era di minore interesse per gli scienziati che stavano indagando sulla coscienza.

Ma questa indifferenza ha lasciato il posto a un intenso interesse dopo che Antonio Damasio ha condotto ricerche sull’insula e ha proposto che la maggior parte di questa struttura consiste di marcatori somatici. Damasio ha ipotizzato che questa parte della corteccia mappa gli stati corporei associati alle nostre esperienze emotive, dando così origine ai sentimenti coscienti. Questa ipotesi rientra nella scuola di pensiero nota come embodied cognition, secondo cui il pensiero razionale cosciente non può essere separato dalle emozioni e dalla loro incarnazione nel resto del corpo.

Dopo Wheatley et al., 2007.

L’insula sembra quindi fornire un contesto emotivo adatto a una determinata esperienza sensoriale. L’insula è anche ben posizionata per integrare le informazioni sullo stato del corpo e per rendere queste informazioni disponibili ai processi cognitivi ed emotivi di ordine superiore. Per esempio, l’insula riceve input sensoriali omeostatici attraverso il talamo e invia output a diverse strutture associate al sistema limbico, come l’amigdala, lo striato ventrale e la corteccia orbitofrontale.

L’insula ha anche dimostrato in modo convincente di essere associata ai processi del dolore, così come a diverse emozioni di base come rabbia, paura, disgusto, gioia e tristezza. La sua porzione più anteriore è considerata parte del sistema limbico. L’insula sembra anche essere profondamente coinvolta nei desideri coscienti, come la ricerca attiva di cibo o droga. Ciò che è comune a tutti questi stati è che influenzano profondamente l’intero corpo, il che tende a rafforzare il probabile ruolo dell’insula nel modo in cui rappresentiamo il nostro corpo a noi stessi e nell’aspetto soggettivo dell’esperienza emotiva.

Infine, l’insula nell’uomo, e in misura minore nelle grandi scimmie, sembra incorporare due innovazioni evolutive che forniscono a queste specie una maggiore capacità di leggere lo stato del proprio corpo rispetto a qualsiasi altro mammifero.

In primo luogo, la parte anteriore dell’insula, e più in particolare quella dell’insula nell’emisfero destro, è più sviluppata nell’uomo e nelle grandi scimmie che in altre specie animali. Questo maggiore sviluppo potrebbe consentire una decodifica più precisa degli stati corporei – la capacità di tradurre un cattivo odore, per esempio, in una sensazione di disgusto, o il tocco di un amante in una sensazione di piacere.

L’altra grande modifica evolutiva dell’insula è un tipo di neurone che si trova solo nelle grandi scimmie e nell’uomo. Queste cellule nervose grandi, allungate e a forma di sigaro sono conosciute come neuroni di von Economo (VEN). I VEN si trovano solo nell’insula e nella corteccia cingolata anteriore. Questi neuroni si collegano a varie parti del cervello, il che sarebbe un attributo essenziale per le funzioni superiori attribuite a queste due strutture cerebrali.

Ora è il momento di dire qualche parola sulla corteccia cingolata anteriore, che funge anche da importante interfaccia tra emozione e cognizione, e più specificamente nella conversione dei sentimenti in intenzioni e azioni. Questa struttura è coinvolta in funzioni superiori come il controllo delle proprie emozioni, la concentrazione sulla soluzione dei problemi, il riconoscimento dei propri errori e le risposte adattive al cambiamento delle condizioni. Tutte queste funzioni sono strettamente legate alle nostre emozioni.

Dopo Wheatley et al, 2007.

Quando i soggetti sperimentali vengono punti con un ago, l’attività nella loro corteccia cingolata aumenta; questa risposta è così netta che i neuroni in questione sono spesso chiamati “neuroni del dolore”. Un’affascinante nota a margine: nel 1999, William Hutchison e i suoi colleghi dell’Università di Toronto hanno dimostrato che questi stessi neuroni della corteccia cingolata si attivano anche quando il soggetto vede qualcun altro pungersi con un ago. Così, per questo tipo di neuroni, noti come neuroni specchio, non c’è confine tra il sé e l’altro.

I primati, compresi gli umani, sono creature altamente sociali. Conoscere le intenzioni degli altri individui è sempre stato fondamentale per la nostra sopravvivenza. Ecco perché siamo maestri nell’arte di simulare internamente la mente degli altri, forse con l’aiuto di questi neuroni specchio.

Alcuni neuroscienziati, come V.S. Ramachandran, suggeriscono addirittura che questa capacità di decodificare gli stati d’animo degli altri individui possa essersi evoluta prima, e successivamente essere stata applicata al sé, per diventare ciò che chiamiamo autocoscienza. E secondo Ramachandran, non solo i neuroni specchio, ma tutte le parti del cervello che contribuiscono al linguaggio, come l’area di Wernicke nel lobo temporale, devono inevitabilmente giocare un ruolo in questo processo.

Questo importante ruolo è attribuito al linguaggio in diversi modelli di coscienza superiore, compreso quello proposto da Michael Gazzaniga, noto per il suo lavoro con i pazienti “split-brain”. Ma mentre il modello di Gazzaniga identifica l’emisfero del linguaggio come il luogo di questo “interprete” che ci rende coscienti di noi stessi, altri autori, come Edelman, sostengono che la coscienza non può essere attribuita a nessuna struttura specifica del cervello.