Ma dov'è (fisicamente) la coscienza?

(traduzione dell'articolo "What Is Consciousness?" di Christof Koch  pubblicato in Innovations in the Biggest Question in Science, supplemento editoriale di NATURE,il 09-Maggio-2018) 

La coscienza è tutto ciò che sperimenti.È la melodia che ti gira in testa, la dolcezza della mousse al cioccolato, il dolore lancinante di un mal di denti, l'amore ardente per il tuo bambino e l'amara consapevolezza che alla fine tutto questo sentire  finirà.

L'origine e la natura di queste esperienze, che qualcuno definisce qualia, sono state un mistero fin dai primi giorni dell'antichità . Molti moderni filosofi analitici, il più prominente dei quali è forse Daniel Dennett della Tufts University, trovano l'esistenza della coscienza un’illusione e un intollerabile affronto a ciò che credono debba essere un universo privo di senso della materia . Cioè, o negano che i qualia ‘esistano’ o sostengono che non potranno mai essere studiati in modo significativo dalla scienza.

Se ciò fosse vero, questo saggio dovrebbe essere molto breve. Tutto ciò che avrei bisogno di spiegare è perché tu, io e la maggior parte degli altri siamo così convinti che abbiamo dei sentimenti. Se ho un ascesso dentale, tuttavia, un argomento sofisticato per convincermi che il mio dolore è delirante non diminuirà il suo tormento di una virgola. Ho poca simpatia per questa disperata soluzione al problema del rapporto corpo-mente, perciò proseguirò.

La maggior parte degli studiosi accetta la coscienza come un dato e cerca di capire la sua relazione con il mondo oggettivo descritto dalla scienza. Più di un quarto di secolo fa Francis Crick e io decidemmo di mettere da parte le discussioni filosofiche sulla coscienza (che hanno impegnato studiosi fin dal tempo di Aristotele) e di cercare invece le sue tracce fisiche.In cosa consiste quella porzione altamente eccitabile di materia cerebrale che dà origine alla coscienza? Una volta compreso, speriamo di avvicinarci alla soluzione del più importante dei problemi.

In particolare,cerchiamo i correlati neuronali della coscienza (NCC), definiti come i meccanismi neuronali minimi, sufficienti insieme a produrre  ogni specifica esperienza cosciente. Cosa deve accadere nel cervello per farci sperimentare un mal di denti, per esempio? Alcune cellule nervose devono vibrare ad una certa frequenza magica? Devono essere attivati alcuni speciali "neuroni della coscienza" ? In quali regioni del cervello sarebbero localizzate queste cellule?

Quando si parla di NCC, il qualificatore "minimo" è importante. Il cervello nel suo insieme può essere considerato un NCC, dopotutto: genera esperienza, giorno dopo giorno. Ma la sede della coscienza può essere ulteriormente ristretta. Prendi il midollo spinale, un tubo flessibile lungo un metro e mezzo di tessuto nervoso all'interno della spina dorsale con circa un miliardo di cellule nervose. Se il midollo spinale viene completamente reciso alla regione del collo, le vittime sono paralizzate nelle gambe, nelle braccia e nel tronco, incapaci di controllare l'intestino e la vescica, e senza sensazioni corporee. Eppure questi tetraplegici continuano a sperimentare la vita in tutta la sua varietà: vedono, ascoltano, odorano, provano emozioni e ricordano tanto quanto ricordavano prima dell'incidente che ha cambiato radicalmente la loro vita.

Oppure consideriamo il cervelletto,quel "piccolo cervello" sotto la parte posteriore del cervello. E’ uno dei più antichi circuiti cerebrali in termini evolutivi,ed  è coinvolto nel controllo motorio, nella postura,nell'andatura e nell'esecuzione fluida di sequenze complesse di movimenti motori. Suonare il pianoforte, battere a macchina, ballare sul ghiaccio o scalare una parete di roccia: tutte queste attività coinvolgono il cervelletto. Ha i neuroni più gloriosi, chiamati cellule di Purkinje, che possiedono ramificazioni che si diffondono come un corallo di mare e ospitano complesse dinamiche elettriche. Ha anche di gran lunga il maggior numero di neuroni, circa 69 miliardi (la maggior parte dei quali sono cellule di granuli cerebellari a forma di stella), quattro volte di più rispetto al resto del cervello combinato.

Cosa succede alla coscienza se parti del cervelletto vengono perse a causa di un  colpo o a causa del bisturi del chirurgo? Molto poco! I pazienti cerebellari lamentano diversi deficit, come la perdita di fluidità del pianoforte o della tastiera, ma non perdono mai alcun aspetto della loro coscienza. Ascoltano, vedono e sentono bene, mantengono un senso di sé, richiamano eventi passati e continuano a proiettarsi nel futuro. Anche l'essere nato senza cervelletto non influisce in modo apprezzabile sull'esperienza cosciente dell'individuo.

Tutto il vasto apparato cerebellare è irrilevante per l'esperienza soggettiva. Perché? Suggerimenti importanti possono essere trovati all'interno del suo circuito, che è estremamente uniforme e parallelo (proprio come le batterie possono essere collegate in parallelo). Il cervelletto è quasi esclusivamente un circuito di feed-forward: un gruppo di neuroni influenza il successivo, che a sua volta alimenta un terzo set,che alimenta un quarto…. Non ci sono cicli di feedback complessi che si riverberano con l'attività elettrica che fluisce avanti e indietro. (Dato il tempo necessario perché una percezione cosciente si sviluppi, la maggior parte dei teorici deduce che deve coinvolgere circuiti di feedback all'interno dei circuiti cavernosi del cervello.) Inoltre, il cervelletto è suddiviso funzionalmente in centinaia o più moduli computazionali indipendenti. Ognuno funziona in parallelo, con ingressi e uscite distinti e non sovrapposti, controllando i movimenti di diversi sistemi motori o cognitivi. Interagiscono a malapena, mentre l’interazione è un'altra caratteristica ritenuta indispensabile per la coscienza.

Un'importante lezione dal midollo spinale e dal cervelletto è che il genio della coscienza non appare solo quando un tessuto neurale è eccitato.E' necessario di più. Questo ulteriore fattore si trova nella materia grigia,ossia in ciò che costituisce la celebre corteccia cerebrale, la superficie esterna del cervello. Si tratta di una lamina  di tessuto nervoso complesso interconnesso, delle dimensioni e della larghezza di una pizza di 14 pollici. Due di questi fogli, altamente piegati, insieme alle centinaia di milioni di fili - la materia bianca -sono stipati nel cranio. Tutte le prove disponibili portano alla conclusione  che sia il tessuto neocorticale a generare sentimenti.

Possiamo anche restringere ulteriormente la sede della coscienza. Prendiamo ad esempio esperimenti in cui vengono presentati stimoli diversi a destra e a sinistra. Supponiamo che una foto di Donald Trump sia visibile solo all'occhio sinistro e a una di Hillary Clinton solo all'occhio destro. Potremmo immaginare che si vedrà qualche strana sovrapposizione di Trump e Clinton. In realtà, vedrai Trump per alcuni secondi, dopodiché scomparirà e apparirà Clinton, dopodiché andrà via e Trump riapparirà. Le due immagini si alterneranno in una danza senza fine a causa di ciò che i neuroscienziati chiamano rivalità binoculare. Poiché il tuo cervello riceve un input ambiguo, non può decidere: è Trump, o è Clinton?

Se, allo stesso tempo, stai mentendo all'interno di uno scanner magnetico che registra l'attività cerebrale, gli sperimentatori scopriranno che è attivo un ampio set di regioni corticali, noto collettivamente come zona calda posteriore. Queste sono le regioni parietale, occipitale e temporale nella parte posteriore della corteccia [vedi riquadro a pagina accanto] che svolgono il ruolo più significativo nel tracciare ciò che vediamo. Curiosamente, la corteccia visiva primaria che riceve e trasmette l'informazione che fluisce dagli occhi non segnala ciò che il soggetto vede. Una simile gerarchia di lavoro sembra essere vera per il suono e il tatto: le cortecce primarie somatosensoriali e uditive non contribuiscono direttamente al contenuto dell'esperienza uditiva o somatosensoriale. Invece sono le fasi successive dell'elaborazione - nella zona calda posteriore - che danno origine alla percezione cosciente, inclusa l'immagine di Trump o Clinton.

Più illuminanti sono due fonti cliniche di evidenza causale: la stimolazione elettrica del tessuto corticale e lo studio dei pazienti in seguito alla perdita di regioni specifiche causate da lesioni o malattie. Per esempio, prima di rimuovere un tumore al cervello o il locus delle crisi epilettiche di un paziente, i neurochirurghi mappano le funzioni del tessuto corticale nelle vicinanze stimolandole direttamente con gli elettrodi. Stimolare la zona calda posteriore può innescare una diversità di sensazioni e sensazioni distinte. Questi potrebbero essere lampi di luce, forme geometriche, distorsioni di volti, allucinazioni uditive o visive, una sensazione di familiarità o irrealtà, la spinta a muovere un arto specifico e così via. Stimolare la parte anteriore della corteccia è una questione diversa: nel complesso, non suscita alcuna esperienza diretta.

Una seconda fonte di approfondimenti sono i pazienti neurologici della prima metà del 20 ° secolo. Talvolta i chirurghi dovevano asportare una larga fascia di corteccia prefrontale per rimuovere i tumori o migliorare le crisi epilettiche. Ciò che è notevole è il modo in cui questi pazienti apparivano insignificanti. La perdita di una porzione del lobo frontale aveva alcuni effetti deleteri: i pazienti hanno sviluppato una mancanza di inibizione di emozioni o azioni inappropriate, deficit motori o ripetizione incontrollabile di azioni o parole specifiche. A seguito dell'operazione, tuttavia, la loro personalità e il loro QI erano  migliorati e sono andati avanti per molti anni, senza alcuna prova che la drastica rimozione del tessuto frontale abbia influito significativamente sulla loro esperienza cosciente. Viceversa, la rimozione anche di piccole regioni della corteccia posteriore, dove risiede la zona calda, può portare alla perdita di intere classi di contenuto cosciente: i pazienti non sono in grado di riconoscere i volti o di vedere movimento, colore o spazio.

Quindi sembra che le immagini, i suoni e le altre sensazioni della vita mentre la sperimentiamo siano generate da regioni all'interno della corteccia posteriore. Per quanto possiamo dire, quasi tutte le esperienze coscienti hanno origine là. Qual è la differenza cruciale tra queste regioni posteriori e gran parte della corteccia prefrontale, che non contribuisce direttamente al contenuto soggettivo? Non lo sappiamo,questa è la verità. Comunque - ed è emozionante - una recente scoperta indica che i neuroscienziati potrebbero avvicinarsi alla soluzione del problema.

Il misuratore della coscienza

Esiste l'esigenza clinica insoddisfatta di un dispositivo che rilevi in modo affidabile la presenza o l'assenza di coscienza in individui con difficoltà o incapacità. Durante l'intervento chirurgico, ad esempio, i pazienti vengono anestetizzati per mantenerli immobili e la pressione del sangue stabile e per eliminare il dolore e le memorie traumatiche. Sfortunatamente, questo obiettivo non è sempre rispettato: ogni anno centinaia di pazienti hanno una certa consapevolezza sotto anestesia.

Un'altra categoria di pazienti, che hanno gravi lesioni cerebrali a causa di incidenti, infezioni o intossicazione estrema, può vivere per anni senza poter parlare o rispondere alle richieste verbali. Stabilire che hanno esperienze di vita è una grave sfida per le arti cliniche. Pensiamo a un astronauta alla deriva nello spazio, che ascolta i tentativi di controllo della missione per contattarlo. La sua radio danneggiata non trasmette la sua voce, e sembra perso nel mondo. Questa è la triste situazione dei pazienti il cui cervello danneggiato non permetterà loro di comunicare al mondo - una forma estrema di isolamento.

All'inizio degli anni 2000 Giulio Tononi dell'Università del Wisconsin-Madison e Marcello Massimini, ora all'Università di Milano in Italia, ha aperto la strada a una tecnica, chiamata zap e zip, per verificare se qualcuno è cosciente o meno. Gli scienziati tenevano una bobina di filo inguainata contro il cuoio capelluto e "lo zappavano" - inviava un intenso impulso di energia magnetica nel cranio - inducendo una breve corrente elettrica nei neuroni sottostanti. La perturbazione, a sua volta, eccitava e inibiva le cellule partner dei neuroni in regioni connesse,in una catena che riverberava attraverso la corteccia, fino a quando l'attività si estingeva. Una rete di sensori elettroencefalografici (EEG), posizionati all'esterno del cranio, registrava questi segnali elettrici. Mentre si svolgevano nel tempo, queste tracce, ognuna corrispondente ad una posizione specifica nel cervello sotto il cranio, producevano un ‘film’.

 L’impronta dell’ esperienza

La consapevolezza cosciente è strettamente associata alla corteccia cerebrale, un foglio intricato di tessuto nervoso piegato e interconnesso. Ogni esperienza corrisponde a un insieme specifico di attività neurale, chiamati correlati neurali della coscienza (NCC) in una zona calda posteriore del cervello che corrispone ai lobi parietale , occipitale e temporale della corteccia cerebrale.La complessità dell'eccitazione neurale dopo l'impulso magnetico fornisce una misura del grado in cui una persona è cosciente

Questi fenomeni  che si manifestavano non hanno né abbozzato un modello stereotipato, né erano completamente casuali. Sorprendentemente,più prevedibili erano questi ritmi crescenti e calanti , più era probabile che il cervello fosse incosciente. I ricercatori hanno quantificato questa intuizione comprimendo i dati in un film con un algoritmo comunemente usato per "zip" file del computer.Lo zippare ha dato una stima della complessità della risposta del cervello. Volontari svegli manifestarono un "indice di complessità perturbazionale" tra 0,31 e 0,70, e scendevano poi al di sotto dello 0,31 quando erano profondamente addormentato o anestetizzati. Massimini e Tononi testarono  questa misura zap-&-zip su 48 pazienti che avevano subito gravi infortuni nel cervello,ma erano tuttavia reattivi e sveglii, scoprendo che in ogni caso, il metodo ha confermato la prova comportamentale per la coscienza.

Il team ha quindi applicato lo zap & zip a 81 pazienti che erano minimamente coscienti o in stato vegetativo. Per il precedente gruppo, che mostrava alcuni segni di comportamento non riflessivo, il metodo ha rilevato correttamente 36 pazienti su 38. Ha erroneamente diagnosticato due pazienti come incoscienti. Dei 43 pazienti con stato vegetativo in cui tutti alo loro capezzale avevano tentato di stabilire una comunicazione fallita, 34 furono etichettati come incoscienti, ma nove non lo erano. Il loro cervello rispondeva in modo simile a quelli dei controlli coscienti, il che implicava che erano consapevoli ma incapaci di comunicare con i loro cari.

Gli studi in corso cercano di standardizzare e migliorare lo zap & zip per i pazienti neurologici e di estenderlo a pazienti psichiatrici e pediatrici. Prima o poi gli scienziati scopriranno l'insieme specifico di meccanismi neurali che danno origine a qualsiasi esperienza. Sebbene queste scoperte abbiano importanti implicazioni cliniche e possano dare soccorso a famiglie e amici, non risponderanno ad alcune domande fondamentali: perché questi neuroni e non quelli? Perché questa particolare frequenza e non quella? In effetti, il mistero costante è come e perché ogni pezzo di materia attiva altamente organizzato dà origine a sensazioni coscienti. Dopo tutto, il cervello è come qualsiasi altro organo, soggetto alle stesse leggi fisiche del cuore o del fegato. Cosa lo rende diverso? Di cosa tratta la biofisica di un pezzo di materia cerebrale altamente eccitabile che trasforma la sostanza grigia in un glorioso suono surround e Technicolor che è il tessuto dell'esperienza quotidiana?

In definitiva ciò di cui abbiamo bisogno è una soddisfacente teoria scientifica della coscienza che predice in quali condizioni un particolare sistema fisico - sia che si tratti di un complesso circuito di neuroni o transistor di silicio - abbia esperienze. Inoltre, perché la qualità di queste esperienze è diversa? Perché un cielo blu chiaro si sente così diverso dallo stridio di un violino mal sintonizzato? Queste differenze nella sensazione hanno una funzione e, in tal caso, che cos'è? Una tale teoria ci permetterà di dedurre quali sistemi sperimenteranno qualsiasi cosa. Assente una teoria con previsioni verificabili, ogni speculazione sul meccanismo della coscienza si basa esclusivamente sulla nostra intuizione, che la storia della scienza ha dimostrato non essere una guida affidabile.

I feroci dibattiti sono sorti intorno alle due teorie della coscienza più popolari. Uno è lo spazio di lavoro neuronale globale (GNW) dello psicologo Bernard J. Baars e dei neuroscienziati Stanislas Dehaene e Jean-Pierre Changeux. La teoria inizia con l'osservazione che quando si è consapevoli di qualcosa,parti del cervello molte diverse hanno accesso a tali informazioni. Se, d'altra parte, agisci inconsciamente, quell'informazione è localizzata allo specifico sistema motorio sensoriale coinvolto. Ad esempio, quando digiti velocemente, lo fai automaticamente. Alla domanda su come lo fai, non sapresti dire: hai poco accesso consapevole a quell'informazione, che è anche localizzata nei circuiti cerebrali che collegano i tuoi occhi a movimenti rapidi delle dita.

Verso un teoria fondamentale

La GNW sostiene che la coscienza deriva da un particolare tipo di elaborazione delle informazioni, familiare fin dai primi tempi dell'intelligenza artificiale, quando i programmi specializzati accedevano a un piccolo archivio condiviso di informazioni. Qualsiasi dato sia stato scritto su questa "lavagna" è diventato disponibile per una serie di processi sussidiari: memoria di lavoro, linguaggio, modulo di pianificazione e così via. Secondo GNW, la coscienza emerge quando l'informazione sensoriale in arrivo, inscritta su una lavagna di questo tipo, viene trasmessa globalmente a più sistemi cognitivi, che elaborano questi dati per parlare, archiviare o richiamare una memoria o eseguire un'azione.

Poiché la lavagna ha uno spazio limitato, possiamo solo essere a conoscenza di poche informazioni in un dato istante. Si ipotizza che la rete di neuroni che trasmettono questi messaggi siano localizzati nei lobi frontali e parietali. Una volta che questi dati sparsi vengono trasmessi su questa rete e sono disponibili a livello globale, l'informazione diventa consapevole. Cioè, il soggetto ne prende coscienza. Le macchine attuali non raggiungono ancora questo livello di sofisticazione cognitiva, ma questa sarebbe solo una questione di tempo. La GNW afferma che i computer del futuro saranno consapevoli.

La teoria dell'informazione integrata (IIT), sviluppata da Tononi e dai suoi collaboratori, incluso me, ha un punto di partenza molto diverso: l'esperienza stessa. Ogni esperienza ha alcune proprietà essenziali. È intrinseca, esiste solo per il soggetto come suo "proprietario"; è strutturata (una carrozza gialla frena mentre un cane marrone attraversa la strada); ed è specifica, distinto da qualsiasi altra esperienza cosciente, come una particolare cornice di un film. Inoltre, è unificato e definito. Quando ti siedi su una panchina del parco in una calda giornata di sole, guardando i bambini giocare, le diverse parti dell'esperienza - la brezza che gioca nei tuoi capelli o la gioia di sentire ridere il tuo bambino - non possono essere separate in parti senza che l'esperienza cessi di essere quello che è.

Tononi postula che qualsiasi meccanismo complesso e interconnesso la cui struttura codifica per un insieme di relazioni causa-effetto avrà queste proprietà e avrà quindi un certo livello di coscienza. Si sentirà come qualcosa dall'interno. Ma se, come il cervelletto, il meccanismo manca di integrazione e complessità, non sarà a conoscenza di nulla. Come afferma l'IIT, la coscienza è intrinseca potenza causale associata a meccanismi complessi come il cervello umano.

La teoria IIT deriva anche, dalla complessità della sottostante struttura interconnessa, da un singolo numero non negativo Φ (pronunciato "fy") che quantifica questa coscienza. Se Φ è zero, il sistema non ha la sensazione di essere se stesso. Viceversa, più grande è questo numero, più intrinseco potere causale che il sistema possiede e più consapevole è. Il cervello, che ha una connettività enorme e altamente specifica, possiede un 'fy' molto alto, il che implica un alto livello di coscienza. IIT spiega una serie di osservazioni, come il motivo per cui il cervelletto non contribuisce alla coscienza e perché il misuratore zap & zip funziona. (La quantità misurata dal misuratore è un'approssimazione molto approssimativa di Φ).

L'IIT prevede anche che una simulazione sofisticata di un cervello umano in esecuzione su un computer digitale non può essere consapevole, anche se può parlare in modo indistinguibile da un essere umano. Proprio come simulare la massiccia attrazione gravitazionale di un buco nero in realtà non deforma lo spaziotempo attorno al computer che implementa il codice astrofisico, la programmazione della coscienza non creerà mai un computer cosciente. La coscienza non può essere calcolata: deve essere incorporata nella struttura del sistema

Ci sono due sfide da affrontare. Uno è quello di utilizzare gli strumenti sempre più raffinati a nostra disposizione per osservare e sondare le vaste coalizioni di neuroni altamente eterogenei che costituiscono il cervello per delineare ulteriormente le impronte neuronali della coscienza. Questo sforzo richiederà decenni, data la complessità bizantina del sistema nervoso centrale. L'altro è verificare o falsificare le due teorie attualmente dominanti. O, forse, per costruire una teoria migliore su frammenti di questi due che spieghino in modo soddisfacente il puzzle centrale della nostra esistenza: come da un organo di tre libbre con la consistenza del tofu emani la sensazione della vita.