Rodolfo Llinas

Ci si può chiedere: "A che cosa serve il cervello?" Tutti sappiamo che, in assenza di attività cerebrale, ciascuno di noi è morto. Il cervello è, dunque, l'elemento essenziale della nostra esistenza. Noi siamo il nostro cervello. Ma qual è la storia naturale del cervello? Come è diventato ciò che è? La biologia ci insegna che i soli organismi viventi che hanno sviluppato un cervello sono quelli dotati di attività motoria. Perfino il verme più semplice, o l'invertebrato marino più primitivo, ha un sistema nervoso. D'altro canto, le piante non hanno sistema nervoso. E infatti le piante non hanno neppure attività motoria.

Ma perché c'è bisogno di un cervello per muoversi attivamente? Perché noi siamo costretti a spostarci all'interno di una rappresentazione del mondo esteriore. Non possiamo andare alla cieca, sarebbe troppo pericoloso! Occorre avere un'idea di quello che c'è nell'ambiente. Possiamo, quindi, affermare che il cervello si è sviluppato per consentire agli animali di muoversi.

La struttura del cervello dei vertebrati è lo stesso per tutti. Tutti noi abbiamo un midollo spinale, e tutti noi abbiamo dei nervi per attivare i muscoli e degli altri nervi per trasmettere le sensazioni. I vertebrati superiori hanno, oltre al tatto, il senso della vista, dell'udito, del gusto e dell'olfatto. Questi sistemi sono tutti molto simili.

Ora, qual’è uno dei problemi centrali del funzionamento del cervello? Il problema centrale è come facciamo a raccogliere tutti questi frammenti della realtà, il colore delle cose, la loro forma, le sensazioni che esse ci danno, i suoni che emettono, per generare un'unica immagine a partire da tutti questi elementi. E' come se voi masticaste la realtà e la divideste nelle sue componenti. Alcune parti del sistema analizzano il colore, altre analizzano il movimento, e altre ancora analizzano il peso o la sensazione tattile. Come sono integrate tutte queste sensazioni in un'unica immagine della realtà? Come facciamo a costruire un evento cognitivo unico?

 E' un problema, perché quando si esamina il cervello si scopre che i diversi sistemi sensoriali sono situati in aree differenti del cervello. Posso avere un cervello, per favore? Questo è un cervello di gomma, che ha pressappoco le stesse dimensioni del cervello umano. Ecco, dunque, quello che abbiamo nella nostra testa. Se lo apriamo, vediamo le diverse regioni. Questa parte, qua dietro, è dedicata all'elaborazione degli stimoli visivi. Se guardate quest'occhio, qui, vedete che si collega alla parte posteriore dell'altro emisfero. Scoprite anche che l'udito viene elaborato in questa parte del cervello.

E allora, qual è il problema? Il problema sta nella grande distanza che separa questa regione da quest'altra. Questa distanza è enorme, rispetto alle minuscole dimensioni di un neurone. Come fanno, quindi, questi neuroni a trovare questi altri neuroni, per costruire, a partire dalla vista e dall'udito, un singolo evento? Se io tengo qualcosa in mano, ad esempio un uccello, lo vedo, lo sento cantare, sento il peso delle sue zampine sulla mia mano; ma come faccio a trasformare tutta questa attività in un unico evento? Questo è il problema.

 Dall'occhio il nervo ottico si dirige per prima cosa verso un centro, chiamato talamo; quindi, dal talamo, le fibre ottiche raggiungono la corteccia visiva. Analogamente per l'orecchio, il segnale uditivo passa per prima cosa attraverso il talamo e quindi raggiunge la corteccia uditiva. La corteccia uditiva è qui e la corteccia visiva è lì. Il problema è il seguente: come fanno i neuroni che si trovano qui a collegarsi ai neuroni che si trovano lì, per informarmi che ho un uccellino sulla mano? L'immagine è qui e il suono è lì. Come fanno il suono e l'immagine a trovarsi? Ci sono solo due possibilità. La prima possibilità è che il suono attraversi la corteccia per trovare l'immagine, o viceversa, ma questo è molto difficile, perché fra due aree della corteccia ci sono delle connessioni che vanno in tutte le direzioni. Allora, qual è l'altra possibilità?

Cambiamo punto di vista. Questa è la corteccia e questo è il talamo. Il talamo si trova al centro, e noi possiamo disegnare la corteccia come un grande cerchio che gli gira attorno. Le proiezioni del talamo verso la corteccia sono, allora, come i raggi di una ruota di bicicletta. Bene, qual è il problema? L'immagine dell'uccello è qui e il suono dell'uccello è lì. Si può andare direttamente dall'immagine al suono, o viceversa, e le due percezioni forse si incontreranno da qualche parte sulla corteccia. Questa era la nostra prima possibilità. Oppure, se il talamo è al centro, diciamo come nel centro di una ruota, il suono andrà qui, l'immagine andrà lì, e la corteccia rinvierà questi segnali al talamo. Quindi le sensazioni non sono collegate né a livello della corteccia, né a livello del talamo, ma in questo dialogo fra il talamo e la corteccia: dal talamo alla corteccia, quindi di nuovo al talamo, e poi alla corteccia, e poi al talamo, e così via.

Una cosa interessante a questo proposito è che la distanza fra talamo e corteccia visiva, fra talamo e corteccia uditiva, fra talamo e corteccia somato-sensoriale (quella responsabile della sensazione tattile dell'uccello sulla mia mano) è la stessa in tutti e tre i casi. Quindi è possibile che uno stesso evento attivi simultaneamente queste tre regioni corticali.

Ciò permette anche di immaginare un processo di collegamento delle sensazioni che sia temporale piuttosto che spaziale, poiché le informazioni situate in diverse aree sensoriali della corteccia possono arrivare simultaneamente al talamo.

Se io sento, ascolto e vedo l'uccello simultaneamente, lo percepisco come un unico oggetto.

E' dunque importante capire che cosa rende possibile questa simultaneità di ritorno delle sensazioni verso il talamo. Come può l'attività dei neuroni essere più o meno sincronizzata? Se prendiamo in considerazione il talamo e una parte della corteccia, e ci chiediamo: "Che cosa c'è qui dentro?", troviamo dei neuroni. Che aspetto hanno i neuroni? Hanno un corpo cellulare, un assone e dei dendriti. Se con un elettrodo si misura l'attività elettrica dei neuroni del talamo, si osserva che essi scaricano regolarmente a una frequenza variabile a seconda del nostro stato di coscienza. Ad esempio, quando questi neuroni scaricano a una frequenza di 2 Hz, ossia a 2 cicli al secondo, noi siamo addormentati, cioè non siamo coscienti.

Quando torniamo coscienti, la frequenza con cui i neuroni del talamo scaricano aumenta fino a 40 Hz, cioè a un ritmo di 40 cicli al secondo. Ciò significa che questi neuroni scaricano tutti alla stessa frequenza e quindi in modo sincrono.

Che cosa succede allora? Questo neurone è collegato a questa regione corticale, e ne attiva alcuni neuroni a una frequenza di 40 Hz. Quest'altro neurone è collegato a quest'altra regione corticale, e ne attiva alcuni neuroni alla stessa frequenza di 40 Hz. In questo modo, queste due regioni corticali diventano coordinate nel tempo, cioè i loro neuroni scaricano simultaneamente a una frequenza di 40 Hz. In queste condizioni, collegare le diverse sensazioni consiste nell'individuare i neuroni delle aree corticali che scaricano simultaneamente. E', quindi, molto facile per il nostro cervello riconoscere le aree corticali sincrone, ed è proprio questa sincronizzazione temporale a produrre la percezione. E' come ciò che accade quando si suonano due note molto distanti l'una dall'altra sulla tastiera del pianoforte: se le si suona insieme, si riesce comunque a produrre un effetto unitario, anche se i tasti sulla tastiera e le corde corrispondenti nel pianoforte sono fisicamente distanti. E' la sincronizzazione a produrre la coerenza.

Esaminiamo precisamente il funzionamento del sistema talamo-corticale. Qui si trova il talamo e qui si trova la corteccia. Il talamo è composto da due parti. Oltre a essere interessante, questa divisione rende le cose più facili da comprendere. Se guardiamo il talamo lateralmente, vediamo che c'è una regione centrale, detta "non-specifica", e una regione periferica, detta "specifica".

Il sistema non-specifico riceve gli stimoli provenienti dal tronco cerebrale, che controlla il sonno, in generale le funzioni corporee, i nostri impulsi e probabilmente anche la nostra capacità di attenzione. Il sistema non-specifico ha, dunque, funzioni rivolte verso l'interno. E' il sentire del nostro corpo.

Il sistema specifico guarda, invece, al mondo esterno e riceve dei segnali grezzi dall'occhio, dall'orecchio, dalla mano e dalle altre periferiche sensoriali.

Allora, come funziona precisamente il sistema talamo-corticale? C'è il talamo e c'è la corteccia. Ciascun neurone del talamo specifico si connette a un neurone corticale e scarica a 40 Hz. Però i potenziali d'azione sinaptici così trasmessi a questo dendrite non sono sufficienti per fare scaricare il neurone corticale. Ci vorrebbe un altro stimolo oltre al primo. Se ora guardiamo la regione del talamo non-specifico, anche qui troviamo un neurone che si connette allo stesso dendrite del neurone corticale e che scarica anch'esso a una frequenza di 40 Hz. Quando i segnali dei neuroni specifico e non-specifico si sommano, il neurone corticale viene attivato e può quindi scaricare. In altre parole, è necessaria la combinazione del neurone del talamo specifico e di quello del talamo non-specifico perché il neurone della corteccia possa rinviare il segnale verso il talamo.

Quindi il movimento di "avanti-e-indietro" tra il talamo e la corteccia è causato dalla combinazione delle attività specifiche e non-specifiche.

Se subiamo un danno a livello del talamo specifico coinvolto nella visione, diventiamo ciechi, ma non sordi, perché solo una parte del cervello è danneggiata: quella che va dal talamo alla corteccia visiva. Analogamente, se abbiamo una lesione nella regione che collega il talamo alla corteccia uditiva, non possiamo più sentire, ma continuiamo a vedere. Vi è, dunque, una separazione tra le sensazioni. La sensazione visiva corrisponde a questa parte del talamo e a questa regione della corteccia, la sensazione uditiva corrisponde a un'altra parte del talamo e a un'altra regione della corteccia.

Al contrario, se subiamo un danno nel sistema non-specifico, perdiamo in un colpo solo la vista, l'udito e il tatto. Il sistema non-specifico è, quindi, indispensabile al buon funzionamento del sistema specifico.

Per concludere, riprendiamo i due concetti fondamentali: il sistema specifico rappresenta il contenuto del mondo, i colori, le forme, i movimenti, i suoni. Il sistema non-specifico rappresenta, invece, ciò che siamo, ciò che facciamo del contenuto, in altre parole è il contesto. L'uno osserva il mondo, l'altro osserva noi stessi. Il dialogo fra il contenuto e il contesto non è altro che la coscienza.

Come può questo sistema collegare tutte le diverse sensazioni prodotte da un uccello? Noi abbiamo l'immagine dell'uccello qui, la sensazione tattile delle zampe sulla mano lì, e il canto da un'altra parte ancora della corteccia. Dunque, le zampe producono uno stimolo da 40 Hz, il suono produce un altro stimolo da 40 Hz e l'immagine produce un terzo stimolo da 40 Hz, ma noi non vediamo ancora l'uccello. Che cosa manca? Abbiamo una stimolazione specifica qui, un'altra lì e un'altra ancora lì: dobbiamo aggiungervi la stimolazione non-specifica, che è poi quella che produrrà un movimento a onda nella corteccia. Se questo e quest'altro neurone scaricano insieme, viene attivata la percezione della zampa. Se questo e quest'altro neurone scaricano insieme, viene attivata la percezione del suono. Se questo e quest'altro neurone scaricano insieme, sarà attivata anche la percezione visiva. Tutti e tre insieme, la parte tattile, la parte uditiva e la parte visiva, si combinano a significare "uccello"

Ora, come funziona l'onda? Voi vedete qui il cervello e qui il nucleo non-specifico. Il nucleo non-specifico ricorda un po' una frittella. I suoi assoni, invece di andare verso punti specifici della corteccia, si irradiano in tutte le direzioni. E i suoi neuroni sono organizzati in modo tale che questo neurone attivi quest'altro, quest'altro ne attivi a sua volta un altro ancora e così via. Si forma, dunque, un circuito: 1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 7°, 8°, 9°, il tutto in 12,5 millisecondi, e poi si ricomincia. L'onda si ripete regolarmente, e ogni volta tutto quello che nella corteccia oscilla a 40 Hz lo si ritrova lì. Ogni onda è un quanto di coscienza.