Capire come la struttura e le funzioni del cervello generano coscienza

Se prendiamo una definizione ampia di coscienza come esperienza di noi stessi e del mondo esterno, si può dire che questa coscienza “va e viene“. Durante il sonno senza sogni sembra assente, apparentemente riappare durante i sogni intensi, prima di riapparire definitivamente al risveglio. Ma come avvengono le transizioni cerebrali tra questi stati non è ben compreso.

Riconoscendo che le risposte possono trovarsi all’interno delle neuroscienze, uno degli obiettivi del progetto Human Brain (HBP) è quello di sviluppare un modello complesso caratterizzato da connettività realistica, dinamica neurale dettagliata e regole di apprendimento che intraprenda molteplici compiti cognitivi integrando diverse aree corticali.

Replicare attività di base e attività cognitive

Il programma Network Models for Consciousness all’interno dell’HBP si proponeva di comprendere meglio la relazione tra struttura e funzione nel cervello, per spiegare l’emergere delle complesse dinamiche di rete che consentono la percezione, la predizione, il comportamento diretto all’obiettivo e altre funzioni cognitive di livello superiore.

“Com’è possibile che la stessa struttura anatomica, l’intricata rete del nostro cervello chiamata ‘connectome‘, possa a volte ospitare la complessità della coscienza e in altri momenti apparentemente risultare solo come materia opaca? Questo è uno dei più grandi misteri della biologia, o persino della fisica “, dice il ricercatore responsabile del progetto, il Prof. Marcello Massimini.

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Una delle sfide della costruzione di un modello di coscienza realistico, basato sui dati e multitasking è quella di ottenere i giusti parametri di modellazione strutturale e funzionale per replicare l’emergere di modelli di attività bilanciati e complessi. “I modelli esistenti replicano funzioni cognitive specifiche o stati cerebrali globali, ma non riescono a far fronte a entrambi: questo equilibrio tra differenziazione e unità è ciò che rende il cervello speciale rispetto alla coscienza“, afferma il Prof. Massimini.

Il programma trae beneficio dall’esclusiva gamma di competenze HBP per costruire un modello utilizzando un’infrastruttura comune assemblata da diverse risorse, tra cui: atlanti, neuroinformatica, simulazione cerebrale, analisi e calcolo ad alte prestazioni, informatica medica e calcolo neuromorfico.

Questa “spina dorsale” raccoglie, cura e integra i dati strutturali e funzionali su una scala che va dai singoli neuroni all’intero cervello. L’integrazione di entrambi i modelli di alto livello e su vasta scala che replicano la dinamica cerebrale globale (top-down) e i modelli biofisici dettagliati del funzionamento neuronale realistico (dal basso verso l’alto), saranno un passo fondamentale.

Implicazioni mediche e oltre

I risultati del progetto, combinati con quelli dell’HBP, stanno dando forma a un quadro più coerente. Ad esempio, la ricerca empirica con roditori ha identificato un meccanismo neuronale chiave per la percezione cosciente degli stimoli sensoriali. Questo processo, noto come “amplificazione apicale dendritica”, è stato anche rilevato nel sistema visivo degli esseri umani e può essere replicato in simulazioni al computer e in chip neuromorfici per migliorare il riconoscimento dell’immagine.

In parallelo, queste attività hanno chiarito i meccanismi attraverso i quali le interazioni corticali ricorrenti e complesse vengono interrotte dopo essersi addormentati, per cui i neuroni non possono tenere traccia degli input che ricevono.

“Grazie alla nostra infrastruttura comune, due linee di ricerca potrebbero presto incorporare un meccanismo unificante, che tiene conto sia della percezione sensoriale del contenuto specifico che delle transizioni globali dello stato cerebrale”, afferma il Prof. Massimini.

Questo lavoro ha implicazioni mediche significative per la valutazione della coscienza del paziente e dei disturbi del trattamento, contribuendo all’osservazione del paziente durante la perdita e il recupero della coscienza nel sonno, l’anestesia, il coma e gli stati correlati. Attualmente, mancano chiare linee guida comportamentali basate sul cervello; cruciale nella medicina intensiva.

I risultati sono anche rilevanti per le interfacce cervello- macchina come quelle per il ripristino della funzione sensoriale.