I Modelli Biologici della Mente

Il cervello umano è costituito da circa dieci-cento miliardi di cellule (neuroni), collegati fra di loro in una rete molto complessa ed articolata. Ogni neurone è costituito da un corpo centrale (soma), da un lunga fibra detta assone e da una serie di ramificazioni di varia grandezza ed estensione dette dendriti. Un neurone comunica con un altro attraverso dei contatti detti sinapsi ed in questo modo un singolo neurone può essere collegato fino a circa diecimila altri neuroni. Una rete di neuroni interconnessi prende il nome di rete neurale. La zona del cervello che distingue nettamente l’uomo da ogni altro essere animale è la corteccia cerebrale, una lamina pieghettata, stretta contro il cranio, di spessore di circa 4.5 mm, che è deputata ai processi mentali più elevati.

Un impulso elettrico viaggia di solito lungo l’assone e, nel momento in cui raggiunge la sinapsi, cioè il collegamento con la dendrite o con il soma di un altro neurone, provoca la secrezione di particolari sostanze chimiche, dette neurotrasmettitori (se conoscono oggi circa una trentina di tipi diversi), che permettono all’impulso di superare la sinapsi e tornare a propagarsi come impulso elettrico lungo il secondo neurone. Il neurone si comporta come un elemento logico binario: acceso (1) se la somma degli impulsi ricevuti attraverso le varie sinapsi è sufficiente per stimolare la partenza di un impulso elettrico lungo l’assone e spento (0) nel caso contrario. La rete neurale opera in parallelo, cioè esegue molte operazioni contemporaneamente, a differenza dei computer tradizionali che sono sequenziali, cioè eseguono una operazione alla volta. Questa caratteristica ha suggerito in campo informatico di progettare computer sempre più potenti basati sul calcolo parallelo.

La memoria può essere considerata un sistema che ha il compito di conservare le informazioni che provengono dall’ambiente che ci circonda, di organizzarle e di renderle ricuperabili in qualsiasi momento. Ogni persona dispone di una memoria diversa che riflette le diverse esperienze che ha avuto nel corso della sua vita.

Una prima fondamentale distinzione viene operata fra memoria a breve e memoria a lungo termine. La memoria a breve termine dura alcuni secondi o minuti, mentre quella a lungo termine può durare ore, giorno o anni. In una celebre definizione il filosofo latino Seneca paragonò la memoria a breve termine ad una scritta sulla sabbia spazzata via dalle onde e quella a lungo termine a una scritta scavata sulla pietra.

Strettamente associata alla memoria è la funzione del ricordare che significa associare qualcosa proveniente dalla nostra memoria ad un stimolo sensoriale esterno. Quando arriva uno stimolo, la rete neurale incomincia una complessa attività elettrica che la porta ad associare a quello stimolo un determinato ricordo a breve termine, che solitamente avrà una vita molto precaria. Se tuttavia entrano in attività gruppi di neuroni associati alla memoria a lungo termine, allora incominciano ad affluire tutta una serie di ricordi collegati con lo stimolo iniziale.

La memoria può anche essere distinta in memoria visiva (ci ricordiamo di un viso, della forma di un oggetto, ecc.), uditiva (ci ricordiamo una canzone, una particolare voce, ecc.), spaziale (ci ricordiamo un luogo e la strada per arrivarci, siamo in grado di orientarci, ecc.), emotiva (ci ricordiamo di un certo avvenimento passato piacevole o doloroso, ecc.) e così via.

Una tecnica che ha permesso di conseguire notevoli progressi nello studio della memoria e del ricordo è la PET (tomografia ad emissione di positroni) che consente di individuare la zona del cervello che entra in funzione quando ricordiamo qualcosa. Il cervello, nel momento in cui ricorda un qualsiasi evento passato, consuma zucchero ed ossigeno proprio in quella particolare zona che è coinvolta nel ricordo. Il metabolismo del cervello viene quindi registrato con la tecnica del PET ed in questo modo si può ottenere una mappa abbastanza precisa della nostra memoria.

Le ricerche di tipo biologico riguardanti il funzionamento del cervello partono dal presupposto che il cervello possa essere schematizzato come un sistema cognitivo auto-organizzato in grado di elaborare l’informazione che riceve dall’esterno. Il suo comportamento è molto complesso, perché non bisogna pensare ad una semplice legge del tipo che associa ad ogni stimolo ricevuto una ben determinata risposta, ma invece considerare che lo stimolo mette in moto nel cervello una complessa dinamica neurale che associa allo stimolo una rappresentazione particolare, fra le tante archiviate in memoria. Per esempio basta che sentiamo l’inizio di una canzone per ripercorrere con la mente non solo tutto il resto del brano, ma anche tutti i ricordi piacevoli o meno che sono associati a quella canzone. Un semplice stimolo uditivo è in grado di mettere in moto un certo numero di aree distinte del cervello e di far nascere nella nostra mente un continuo flusso di ricordi.

Le reti neurali sono state studiate mediante il computer ed usate per simulare il funzionamento del cervello, per esempio determinare i meccanismi che entrano in gioco quando ricordiamo, vediamo, sentiamo, ecc., partendo dalla constatazione che i neuroni sono elementi logici a due stati (spento o acceso, 0 o 1 come un bit). Questi elementi sono poi collegati fra di loro, ma la forza di questa connessione è ovviamente variabile. Due neuroni possono avere una forte connessione, cioè se un impulso arriva nel primo riuscirà quasi sicuramente a passare nel secondo, o viceversa una connessione molto debole.

Secondo l’approccio biologico la natura della mente umana è strettamente collegata alle proprietà fisico-chimiche dei neuroni e quindi la rete neurale che simula il funzionamento del cervello deve comunque tener conto del fatto che l’uomo è "un computer fatto di carne".

I fautori dell’intelligenza artificiale sostengono invece che ci si può sempre ricondurre al livello di semplici interazioni fra unità logiche elementari, essendo il cervello solo un hardware particolare fra i tanti possibili, perché per un programma è assolutamente inessenziale l’hardware che viene utilizzato, sia esso costituito da cellule o chip di silicio, come negli ordinari computer.

Una tesi che accomuna informatici e biologi è comunque che il tradizionale approccio psicologico, che considera il cervello come una scatola nera che reagisce in un certo modo a determinati stimoli esterni, deve essere ormai ritenuto superato dal progresso scientifico, perché il cervello deve essere modellizzato da una rete sufficientemente complessa di neuroni in interazione fra loro.

La tesi biologica è stata brillantemente riassunta da Francis Crick, premio Nobel insieme a James Watson per la scoperta della doppia elica del DNA, nelle pagine iniziali di un suo recente libro [Cri2], dedicato all’esposizione della sua tesi riguardante la struttura ed il funzionamento della mente umana: "L’ipotesi straordinaria è che proprio "Tu", con le tue gioie e i tuoi dolori, i tuoi ricordi e le tue ambizioni, il tuo senso di identità personale e il tuo libero arbitrio, in realtà non sia altro che la risultante del comportamento di una miriade di cellule nervose e delle molecole in esse contenute. Come avrebbe detto l’Alice di Lewis Carroll: Non sei altro che un pacchetto di neuroni".

Come risulta da questo brano, Crick vuole interpretare anche la coscienza, e non solo la percezione sensoriale o i ricordi, come il risultato dell’interazione dei neuroni. Se la coscienza è una consapevolezza di esistere, allora potrebbe essere semplicemente generata da una opportuna fusione dell’attenzione con la memoria a breve termine. Questo deve valere per consapevolezze che si riferiscono all’esterno od all’interno del nostro essere (rispettivamente per esempio "Sono consapevole di avere freddo" oppure "Sono consapevole di essere contento").

Il materialismo ed il riduzionismo estremo hanno come inevitabile conseguenza che il libero arbitrio non esiste. Se per esempio adesso decido di andare a prendere un caffè, potrei ingenuamente pensare di aver preso una libera ed autonoma decisione, perché volendo avrei anche potuto decidere il contrario. Secondo Crick invece qualunque decisione noi prendiamo è il risultato dell’interazione di miliardi di neuroni e, anche se noi non ne siamo consapevoli, in realtà la nostra decisione apparentemente libera è la conseguenza di un processo puramente meccanicistico, che in linea di principio potrebbe anche essere previsto in anticipo, anche se poi in pratica i calcoli richiesti per effettuare questa previsione potrebbero risultare proibitivi.

Tuttavia pur essendo il cervello in linea di principio riproducibile mediante un modello deterministico, potrebbe benissimo manifestare delle proprietà caotiche che rendono la sua risposta agli stimoli esterni imprevedibile. Questa supposizione è rafforzata dal fatto che il nostro cervello, così come prevede la teoria dell’evoluzione di Darwin, non si è sviluppato seguendo un piano prestabilito, ma invece reagendo in base a mutazioni casuali ed imprevedibili alla pressione selettiva dell’ambiente circostante.

Gli sforzi di Crick si sono concentrati in particolare sul sistema visivo, che si è rivelato molto più complicato del previsto: la nostra mente non si limita a riportare come una macchina fotografica lo stimolo visivo, ma svolge una attività molto più complessa. Uno stesso stimolo viene interpretato a volte in maniera diversa, cioè eccita diversi gruppi di neuroni. Secondo la teoria dei neuroni oscillanti, che Crick stesso riconosce essere ancora molto provvisoria ed incerta, gruppi diversi di neuroni prestano attenzione a parti diverse di una stessa immagine, mettendosi ad oscillare allo stesso modo. Se adesso noi prestiamo attenzione ad un solo aspetto di quella immagine, tutti i gruppi di neuroni si bloccano tranne quello che corrisponde a quel particolare aspetto.

Un altro grande biologo, che si dedica allo studio del cervello, è Gerald Edelman, premio Nobel per la scoperta della struttura delle immunoglobuline e la chiarificazione del funzionamento del sistema immunitario, che ha elaborato una complessa teoria sul funzionamento della mente. Tutte le sue opere [Ede1, Ede2, Ede3], anche quelle divulgative, sono di lettura molto difficile e questo ha provocato polemiche senza fine sul reale significato delle sue tesi. Cercheremo comunque di sintetizzare le caratteristiche più salienti della sua teoria, che pretende di essere qualcosa di più del materialismo estremo di Crick.

La selezione naturale di Darwin è all’opera secondo Edelman anche all’interno del cervello. Così come l’ambiente esterno seleziona gli individui più adatti di una certa specie, allo stesso modo gli stimoli che il cervello riceve dall’esterno selezionano solo determinati gruppi di neuroni, che in risposta rinforzano le connessioni fra loro esistenti. Si viene quindi a determinare una vera e propria competizione fra gruppi di neuroni, in lotta fra di loro allo scopo di fornire una rappresentazione il più possibile adeguata della realtà esterna. Ogni gruppo di neuroni crea una mappa o rappresentazione dello stimolo esterno e ovviamente il gruppo che avrà creato la rappresentazione migliore si rafforzerà, mentre gli altri si spegneranno e non avranno influenza significativa sul cervello.

La selezione naturale tuttavia non può agire direttamente sul neurone, che è una unità troppo piccola con due sole opzioni: accesso o spento. Lo scopo della ricerca sarà allora quello di cercare gruppi di neuroni fra loro interagenti e collegati, come unità base sulle quali si esercita la pressione selettiva dell’ambiente.

Per esempio se ogni giorno guido l’automobile ricevo degli input di un determinato tipo (riguardanti le condizioni del fondo stradale, la valutazione dell’intensità del traffico, lo stato del tempo meteorologico, il comportamento della mia automobile, ecc.), che rinforzano i gruppi di neuroni preposti alla guida, cioè a comandare il movimento degli arti che controllano il volante e la pedaliera. In questo modo acquisto esperienza e le connessioni fra i neuroni preposti alla guida sono molto forti. Al contrario, se sto un anno senza guidare, i neuroni della guida risulteranno collegati molto debolmente ed una guida corretta sarà molto difficoltosa. Di fronte a uno stimolo esterno, per esempio un semaforo che improvvisamente diventa rosso, non rispondo più con la consueta prontezza di riflessi, perché il corrispondente gruppo di neuroni ha delle interconnessioni molto deboli.

Una prova a favore di questa teoria è che la struttura di collegamento dei neuroni è molto diversa da persona a persona, anche fra due gemelli, perché nel nostro patrimonio genetico non c’è scritto in quale modo i neuroni si dovranno collegare fra di loro. Di conseguenza i neuroni non si sono collegati fra di loro in un modo standard e prestabilito, ma invece si sono connessi in un modo che risente molto della particolare evoluzione di un individuo, della sua storia e dell’ambiente esterno nel quale ha vissuto.

Una capacità particolarmente importante della mente è di riuscire a costruire dei concetti astratti o categorie e di saper riconoscere subito se un certo oggetto appartiene o no a quella categoria. Ciò è particolarmente significativo per i cosiddetti insiemi polimorfi, che sono un tipo di insiemi più complicati del normale, perché definiti da condizioni che non sono né necessarie né sufficienti. Gli insiemi più semplici non sono polimorfi (per esempio l’insieme dei numeri pari P è definito dalla condizione necessaria e sufficiente di essere tutti quanti dei multipli di due, cioè P=2N, dove N=1,2,..). Un esempio di insieme polimorfo è costituito da tutti i cittadini che in Italia si dichiarano di destra (o di sinistra), perché in questo insieme non c’è una caratteristica che valga per tutti gli appartenenti all’insieme e solamente per loro (per esempio qualcuno è favorevole ad un sistema di votazione oppure ad un altro, qualcuno è a favore della pena di morte oppure è contrario, ecc.), se non appunto il fatto di essere di destra (o di sinistra). Risulta abbastanza ovvio che la maggioranza degli insiemi che si possono incontrare nella vita reale sono polimorfi, mentre in matematica di solito ci si limita a studiare gli insiemi non polimorfi.

Gli insiemi polimorfi vengono rappresentati da gruppi neurali che si rinforzano mediante una tecnica detta del rientro, che consiste nel continuo scambio ricorsivo di segnali fra le aree mappate del cervello che corrispondono a quel gruppo. Un neurone riceve segnali da tutti gli altri neuroni appartenenti a quel gruppo e a sua volta rinvia questo segnale ai neuroni del gruppo. Secondo Edelman, e questo è un punto che ha destato polemiche a non finire, il rientro è diverso dal semplice feedback, molto usato nei circuiti elettronici, in cui un segnale in uscita viene rimandato in ingresso e può servire a stabilizzare un determinato sistema.

Edelman, inoltre, è stato accusato da alcuni dei suoi stessi colleghi di usare concetti e terminologie confuse e non scientificamente definibili, al solo scopo di rendere più attraente la propria teoria. Per molti il suo modello è in realtà una semplice rete neurale ed il rientro coincide con il classico feedback.

L’uso di concetti apparentemente astrusi e complicati è forse dovuto al fatto che Edelman si rende conto che non può essere il semplice riduzionismo meccanico a spiegare tutta la complessità del cervello. Il tutto deve essere superiore alla semplice somma di tutte le sue parti, perché ci devono essere delle proprietà emergenti riguardanti il tutto non spiegabili in base alle interazioni elementari fra i suoi singoli costituenti.

Veniamo ora ad un altro punto molto controverso. Edelman afferma che il cervello non è un computer, tuttavia, per mettere alla prova le sue tesi, ha costruito dei modelli sempre più complessi, costituiti da un computer, sempre più potente, che controlla il movimento di quello che ha tutta l’aria di essere un robot. Questi dispositivi sono stati tutti chiamati Darwin (per ora siamo arrivati a Darwin IV).

Darwin IV sembra apparentemente un robot, ma secondo Edelman presenta una differenza radicale con tutti gli altri robot, perché non si limita ad essere un programma che gira sul computer al quale è collegato, cioè ad aver bisogno di eseguire delle istruzioni determinate per ogni compito specifico. Non esiste un complicatissimo programma che preveda tutti i possibili input esterni che il robot potrà incontrare, come accade per i comuni robot.

La caratteristica fondamentale di Darwin IV, che dovrebbe differenziarlo da tutti gli altri robot, è di essere capace di imparare ed agire secondo una scala di valori (o istinti) e non secondo le direttive di un rigido programma: per esempio Darwin IV è in grado di cercare oggetti di un certo colore (‘buoni’), raccogliendoli in una scatola, ed evitare quelli di un altro colore (‘cattivi’). In questo modo è più simile ad un essere umano di quanto lo siano tutti gli altri robot, perché la conoscenza viene a svilupparsi direttamente dagli istinti. Inoltre è in grado di autocorreggersi, se per caso qualche istruzione si fosse rovinata la può ripristinare al suo giusto valore (si noti che anche molti reti neurali hanno questa capacità). Secondo i suoi critici e specialmente secondo i sostenitori dell’intelligenza artificiale, Darwin IV è un semplice robot come tanti altri e, con una opportuna serie di istruzioni, un qualunque robot potrebbe comportarsi esattamente come Darwin IV.
(Originariamente pubblicato su Fisica Moderna)