Silvio Ferraresi

La geografia della mente. Il progetto “connettoma umano”

OLAF SPORNS,Networks of the Brain, Cambridge, Mit Press, 2010, pp. 375, $ 40,00
La storia della ricerca scientifica sul cervello. Da Camillo Golgi che a fine Ottocento studiò questo complesso organo, fino al progetto che si sta sviluppando fra più università nel mondo, quello del “connettoma umano”, volto a conoscere la struttura del cervello, delle reti neuronali, insomma la sua “geografia”.

Sapremo leggere dentro il nostro cervello, cogliere i suoi pensieri, capire se funziona senza scompensi? Queste domande sembrano oggi avere una risposta affermativa. Perché è un’epoca, la nostra, in cui le neuroscienze possono finalmente contare su una teoria plausibile del cervello, su strumenti per osservarlo in vivo e su una matematica per creare modelli delle sue reti, che ne “dominino” la complessità.

Il libro di Olaf Sporns racconta questo intreccio di teorie, conoscenze sperimentali e nuove metodiche, la cui storia recente inizia una ventina di anni fa e vede l’autore fra i suoi protagonisti. Il presupposto è l’idea, ormai comune nelle scienze del cervello, che il funzionamento della corteccia cerebrale dipenda dalla natura delle connessioni tra le sue aree e non dalla loro natura in sé.

Avendo il polso della situazione e lavorando nella frontiera più avanzata della ricerca, Sporns è consapevole che i tempi sono maturi per creare la mappa del cervello in azione, per stabilire le connessioni funzionali. Quest’ultime sono altra cosa dalle connessioni fisiche, o strutturali, del cervello: sono virtuali e si fanno e disfano rapidamente, nel tempo, rispecchiando le attività della nostra mente.

Rimane un ultimo tassello per completare l’opera: lo sforzo coordinato tra diversi centri di ricerca per condividere le informazioni e le immagini da archiviare in un vasto e intelligente dataset, un ruolo che svolgerà una inter-disciplina recente, la neuroinformatica. Per sensibilizzare il mondo scientifico e politico Sporns ha scritto a sei mani con Giulio Tononi e Rolf Kötter il manifesto del progetto connettoma1, avviato ufficialmente nel 2009 sotto la dicitura Progetto Connettoma Umano (HCP). L’Istituto Americano della Salute Mentale – L’NIHM­ – lo riconosce come campo di ricerca prioritario per la diagnosi e il trattamento dei disturbi cerebrali e lo finanzia con 30 milioni di dollari. Trentaquattro ricercatori distribuiti in nove centri di ricerca2 indagheranno il cervello di 1200 persone, ed entro il 2015 dovrebbero restituircil’atlante completo del nostro organo della mente. L’ottimismo sul valore dell’impresa è palpabile, se David van Essen, uno dei team leader, ha affermato: «stiamo pianificando un attacco concertato a una delle sfide scientifiche più grandi del XXI secolo»3.

La storia moderna dell’esplorazione “geografica” del cervello è iniziata negli ultimi decenni dell’Ottocento. Scegliendo una data, il 1887 è l’anno più significativo. In solitudine, lontano anni luce dalla Big Science del connettoma, il professore di anatomia Santiago Ramón y Cajal osservava sezioni di cervello colorate con un metodo straordinario, l’impregnazione argentica. Senza collaboratori, stregato da questa colorazione inventata tredici anni prima dal professore di anatomia Camillo Golgi, nel suo laboratorio di Barcellona Cajal disegnava a china le cellule e i circuiti nervosi osservati al microscopio. Fu una rivoluzione, che consentì di individuare le unità del cervello, i neuroni, con i loro lunghi e ramificati prolungamenti.

Osservando le sezioni di cervello, Cajal si convinse che l’unità minima era il neurone. Golgi la pensava diversamente, persuaso che il cervello fosse invece un’unica reticola nervosa diffusa. Eppure – leggiamo in alcune approfondite ricostruzioni4 – il loro sguardo non era innocente; essi vedevano ciò che gli dettava il loro occhio della mente, perché, come spesso accade, la sensibilità dello scienziato e i suoi strumenti, sommati al clima scientifico e culturale in cui egli è immerso, pregiudicano la sua interpretazione dei fatti. Cajal non fece eccezione: «Un disegno istologico» scriveva «non è mai una copia impersonale di tutto ciò che è presente nel preparato […] in virtù di un diritto incontestabile, l’artista scienziato, con lo scopo della chiarezza e della semplicità omette molti dettagli inutili»5. Dal canto suo, «quanto Golgi osservava non era “neutro”, e ai suoi occhi non si presentava un quadro oggettivo di cui bisognava prendere atto in modo passivo»6.

La controversia sulla localizzazione delle funzioni nel cervello era viva quantomeno dai tempi della frenologia, inaugurata da Franz Joseph Gall nel 1798. Questa pseudoscienza – come poi sarebbe stata definita – sosteneva che le diverse funzioni della mente fossero localizzate in precise zone del cervello e che dall’aspetto del cranio si potessero inferire le caratteristiche psicologiche delle persone. A sostegno di questa modularità della mente e del cervello, nel 1861 il neurologo Paul Broca scoprì una lesione nel lobo frontale sinistro eseguendo l’autopsia di un paziente afasico. Era la prima localizzazione di una funzione cognitiva nel cervello, in questo caso del linguaggio7. Ma, a rinforzare l’idea che la corteccia fosse suddivisa in mappe furono gli esperimenti dei tedeschi Gustav Fritsch ed Eduard Hitzig sulla corteccia motoria. Stimolando in quest’area punti diversi, essi attivarono i muscoli dei più vari distretti corporei, dimostrando che il corpo è rappresentato in aree distinte della corteccia. Eppure il fisiologo francese più influente dell’epoca, Marie-Jean-Pierre Flourens, considerava la corteccia come un tutto, in cui percezione, sensazioni e volontà erano essenzialmente un’unica facoltà.

La creazione delle mappe cerebrali registrò un’ulteriore tappa decisiva nel 1909, l’anno in cui l’anatomista tedesco Korbinian Brodmann pubblicò il disegno della mappa dettagliata – suddivisa in 47 aree – della corteccia cerebrale umana8. Le aree che portano il suo nome sono ancora un modello per confrontare le immagini che gli scienziati cognitivi ricavano con le diverse tecniche di brain imaging.

A proposito, a metà degli anni Ottanta i neurobiologi hanno aggiunto fra gli strumenti del mestiere la tomografia a emissione di positroni (PET), che permetteva di “fotografare” il cervello in attività, di stabilire una relazione tra un’area cerebrale e un’attività cognitiva, magari la percezione visiva. In origine erano immagini in cerca di una teoria, poco più che istantanee di singoli aspetti della mente, non molto eloquenti sul suo funzionamento globale. Fu, tuttavia, un primo passo, embrionale ma decisivo, perché all’epoca «[queste tecniche] realizzavano un sogno dei neuroscienziati, la prospettiva di una finestra fisiologica nella mente umana»9. Una decina di anni dopo – a metà degli anni Novanta – la risonanza magnetica funzionale (fMRI) ha permesso una maggiore risoluzione spaziale e temporale e di identificare dunque aree cerebrali capaci di elaborare singole parole, aree specializzate nella elaborazione dei colori e del movimento nella visione. Oggi è addirittura possibile affrontare i fondamenti biologici della coscienza e dell’emozione. Ma le neuroimmagini rivelarono qualcosa di inaspettato, ossia che anche semplici compiti attivano le aree cerebrali in maniera diffusa, confermando perciò la concezione reticolare dell’attività cerebrale.

Tuttavia nessuno, nemmeno i neurologi o i neurobiologi ispirati da una concezione olistica – come Goldstein e Lashley, o come gli psicologi della Gestalt –, aveva ancora formulato una teoria generale del cervello. «Ci voleva un concetto biologico, che cogliesse il suo dinamismo […] forse il darwinismo neurale di Edelman li avrebbe soddisfatti, essendo [in esso] ogni parte connessa in modo dinamico da segnali che ritornano, il rientro» ha scritto Oliver Sacks10.

Creare una mappa del cervello significa fare i conti con la sua complessità. Il numero di elementi che lo compongono è quasi incalcolabile, tale da farne la struttura probabilmente più complessa dell’universo. Per rendere l’idea, un microlitro (0,001 ml) di corteccia contiene circa 100.000 neuroni, un miliardo di sinapsi e 4 chilometri di assoni, che, in un cervello medio, fanno circa 100 miliardi di neuroni e 300 trilioni di connessioni.

Gestire questa complessità significa fare uso di modelli e introdurre la matematica. Perciò la neuroanatomia ha incluso nel proprio bagaglio grafici e matrici di connessioni, che trasformano il cervello in un’entità astratta. Questa disciplina risulta così una delle ultime branche della scienza, in ordine di tempo, a subire il fascino della matematica, ad avere fatto tardivamente propria la seguente riflessione di Henry Poincaré: «ciò che la scienza può attingere non sono le cose in sé, come ritengono i dogmatici ingenui, ma solo le relazioni fra le cose, al di fuori delle quali non c’è realtà conoscibile»11. Anche Cartesio – molto tempo prima del celebre matematico e filosofo francese – si aspettava che la mathesis universalis comprendesse tutti i problemi e i fenomeni della biologia, e così Leibniz, che «pretendeva che ogni fenomeno naturale fosse spiegato sempre con le stesse leggi “matematicamente e meccanicamente”»12.

L’incontro tra matematica e neuroscienza ha tuttavia già una lunga storia recente. Il primo celebre connubio risale al 1943, alla collaborazione tra il matematico Walter Pitts e il neurofisiologo Warren McCulloch, che scrissero un articolo pionieristico13. Essi semplificarono il sistema nervoso in una rete di neuroni astratti e ideali collegati da funzioni logiche: era l’inizio delle moderne reti neurali e della theoretical neurophysiology. Dovranno trascorrere circa sessant’anni prima di vedere nascere anche una theoretical neuroanatomy. Accadde nel pensatoio diretto da Gerald Edelman, prima alla Rockefeller University di New York e poi al Neurosciences Institute di La Jolla in California, che si è rivelato per Sporns una palestra dove affinare gli strumenti di teorico del cervello alla luce di una teoria forte, il darwinismo neurale14.

L’aspetto decisivo di questa teoria a sostegno di una concezione reticolare del cervello è che le connessioni fra mappe formano un’unica mappatura globale, un sistema dinamico dove tutte le aree sono unite da segnali rientranti che accordano i segnali sensoriali e l’attività motoria, un processo che darebbe continuità e coerenza alla nostra coscienza, al nostro io15.

Quando Sporns ha concepito il manifesto del progetto connettoma ha potuto dunque contare su una teoria del cervello che lui stesso, con l’italiano trapiantato negli USA Giulio Tononi, ha contribuito ad arricchire e ad avvicinare alla matematica; erano pronti gli strumenti per stabilire le coordinate “geografiche” delle aree e delle connessioni cerebrali, dei nodi e dei link nel gergo della teoria delle reti. Restava uno scoglio da superare: i dati sperimentali – le immagini delle aree attivate e delle connessioni – andavano analizzati e tradotti nella teoria matematica delle reti, la teoria dei grafi16.

Tuttavia, in precedenza, Sporns aveva definito in termini matematici la complessità neurale, intesa come relazione tra la separazione funzionale e l’integrazione globale tra aree cerebrali. Semplificando quella che in realtà è una dimostrazione matematica complessa, possiamo dire che il valore di complessità è elevato quando la separazione funzionale coesiste con l’integrazione ed è basso quando le componenti del sistema sono totalmente dipendenti (integrati) o totalmente segregate (indipendenti). Risulta che, nella corteccia cerebrale, il massimo di complessità si realizza quando si raggiunge un’organizzazione tipica delle small-world networks, le reti small world17. Esse si formano spontaneamente nei sistemi complessi e hanno due caratteristiche topologiche: un elevato grado di aggregazione dei nodi e percorsi brevi. Fondono in sé le caratteristiche utili sia delle reti ordinate, e quindi formano dei gruppi, sia delle reti casuali, avendo pochissime connessioni a lunga distanza. Insieme, le due peculiarità fanno di questa rete un perfetto compromesso tra separazione e integrazione delle funzioni, proprio come la teoria della corteccia cerebrale proposta nel laboratorio di Edelman. Interessante è che, aumentando il numero di nodi diminuisce in proporzione il numero di connessioni casuali necessario per conservare la stessa efficienza della rete: una vera economia, una sorta di darwinismo neurale.

Un altro tipo di rete uscito recentemente dalle stanze dei matematici per calarsi nel mondo reale, è la rete scale-free, a invarianza di scala. In questo caso, un piccolo numero di nodi è connesso a molte altre parti della rete. Questi nodi bulimici si chiamano hub, o fulcri, e sono universali, essendo stati scoperti in entità lontanissime per struttura, come internet, le reti genetiche o quelle neurali. Hub di internet che tutti conosciamo sono Google o Amazon.

Le reti scale-free si comportano in modo prevedibile: sono molto resistenti a guasti accidentali e alquanto vulnerabili ad attacchi coordinati. Infatti, fino all’ottanta per cento, scelto a caso, dei router di internet può venire rimosso e quelli restanti formeranno ancora un insieme compatto in cui esiste un cammino fra ogni coppia di nodi18. Ma, per contro, «la rimozione sistematica di pochi hub distrugge facilmente la rete»19. Prima della loro scoperta, avvenuta a fine anni Novanta, i teorici delle reti pensavano che i nodi di queste fossero equivalenti, un’idea condivisa dai neurobiologi. Questi ultimi pensavano che le diverse aree avessero un peso comparabile nella dinamica della rete, che i nodi fossero distribuiti democraticamente, che non ci fosse alcun primus inter pares. A dare manforte a questa idea contribuiva la notevole regolarità strutturale della corteccia. Ma l’identità di un nodo cerebrale – corrispondente ai gruppi neuronali postulati da Edelman nel darwinismo neurale – dipende dalla natura delle sue connessioni. Dunque le reti scale-free e i nodi hub hanno indotto i neurobiologi a ripensare la natura profonda delle reti cerebrali. Verosimilmente, anche in quest’organo pochi hub decisivi reggono l’equilibrio. Sarà allora in queste zone virtuali che i neurologi dovranno cercare i punti deboli, le alterazioni di rete che potrebbero spiegare disturbi neurologici come l’Alzheimer o mentali come la schizofrenia. Che alterazioni nell’equilibrio della rete nervosa fossero la causa dei disturbi mentali lo aveva teorizzato Edelman, per il quale la schizofrenia è «principalmente un deficit nella comunicazione rientrante tra mappe» perché «l’immaginazione può prevalere sui segnali percettivi»20.

Tuttavia l’esistenza degli hub, quindi di moduli più importanti nella rete della corteccia, modifica i dettagli del darwinismo reale, pur conservandone l’impalcatura connessionista e dinamica. Se prima della scoperta delle reti scale-free il rientro spiegava il comportamento del cervello in assenza di un’area dominante, ora i modelli matematici dimostrano che i moduli si dispongono anche secondo una gerarchia: il cervello è un po’ meno libertario di quanto ipotizzavano fino a una decina di anni fa gli esperti di reti neurali e il darwinismo neurale stesso.

Oliver Sacks racconta in Un antropologo su Marte come fosse rimasto sconcertato dal suo apprendimento nell’uso della mano sinistra dopo avere subito un’operazione alla spalla destra: «Di sicuro in alcuni programmi e circuiti del mio cervello stanno avvenendo dei cambiamenti […] ma i nostri metodi di visualizzazione dell’attività cerebrale sono ancora troppo grossolani per poterli visualizzare»21.

La buona notizia, per Sacks, è che, se nel 2015 il connettoma umano sarà pronto, quei cambiamenti lui potrà vederli davvero, magari sotto forma di matrici di connessione. Segue inevitabile la domanda: leggere i pensieri “fotografando” dove, come e quando il cervello si accende e si spegne sarà il preludio di un incubo orwelliano o, invece, una più asettica e rassicurante “inferenza inversa”, come la chiamano gli psicologi cognitivi?22

 

1. O. Sporns, G. Tononi e R. Kötter, The Human Connectome: A Structural Description of the Human Brain, ‘PLoS Computational Biology’, v. 1, n. 4, e42, settembre 2005.

2. L’Italiana Università d’Annunzio, l’Università di St. Louis, l’Università dell’Indiana e l’Università della California a Berkeley, l’Istituto Ernst Strungmann in Germania e le Università di Oxford e di Warwick in Inghilterra.

3. NIH News, 15 settembre 2010.

4. Marcus Jacobson, Foundations of Neuroscience, New York, Plenum Press, 1993.

5. Cajal, Étude sur la neurogenése de quelques vertébrés, ‘Studies on Vertebrate Neurogenesis’, ivi, p. 14.

6. Paolo Mazzarello, cit.

7. Paul Broca, Remarques sur le siège de la faculté du language articulé, suivies d’une observation d’aphémie (perte de la parole), ‘Bulletins de la Société Anatomique’, Parigi, v. 6, 1861.

8. Korbinian Brodmann, Vergleichende Lokalisationslehre der Grosshirnrinde in ihren Prinzipien dargestellt auf Grund des Zellenbaues, Lipsia, Johann Ambrosius Barth Verlag, 1909.

9. R. J. Dolan, Neuroimaging of Cognition: Past, Present, and Future, ‘Neuron’, v. 60, 6 novembre 2008, pp. 496-502.

10. Il rientro, o segnalazione rientrante, è un elemento della teoria del darwinismo neurale di Gerald Edelman. Questo fenomeno avviene nella corteccia cerebrale e consiste nello scambio di segnali – in parallelo e ricorsivo – tra mappe al fine di coordinare la loro attività. Per esempio, nel sistema visivo esistono più di 30 mappe, ognuna distinta per funzione dalle altre (per l’orientamento, per il colore, e così via), e il rientro consente una percezione visiva unitaria e coerente. Oliver Sacks, Prefazione, in Kurt Goldstein, L’organismo, Roma, Giovanni Fioriti, 2010.

11. Henry Poincaré, La scienza e l’ipotesi, Milano, Bompiani, 2003, p. 5.

12. Ernst Cassirer, Storia della filosofia, v. IV, pp. 191-192.

13. A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity, ‘Bulletin of Mathematical Biophysics’, v. 5, 1943, pp. 115-133.

14. O. Sporns, G. Tononi e G. M. Edelman, Theoretical Neuroanatomy: Relating Anatomical and Functional Connectivity in Graphs and Cortical Connection Matrices, ‘Cerebral Cortex’, v. 10, febbraio 2000, pp. 127-141.

15. ibidem.

16. Si tratta dello studio dei grafi, strutture matematiche usate per creare modelli di relazioni, a due a due, fra oggetti o elementi di un insieme: per esempio, fra neuroni o fra le città di una nazione. Graficamente si rappresenta come un insieme di punti, o nodi, collegati da linee, o vertici.

17. G. Tononi, O. Sporns e G. M. Edelman, A measure for brain complexity: Relating functional segregation and integration in the nervous system, ‘PNAS’, v. 91, pp. 5033-5037. Per una descrizione divulgativa delle reti small world, si veda Steven Strogatz, Sincronia, Milano, Rizzoli, 2003.

18. Albert-László Barabasi ed Eric Bonabeau, Reti ‘scale-free’, ‘Le Scienze’, v. 70, n. 420, agosto 2003, p. 85.

19. Albert-Lászlo Barabási, Link, Torino, Einaudi, 2004, p. 69.

20. Gerald Edelman, Sulla materia della mente, Milano, Adelphi, 1991.

21. Oliver Sacks, Un antropologo su Marte, Milano, Adelphi, 1995, p. 15.

22. Russell A. Poldrack, Can cognitive processes be inferred from neuroimaging data?, ‘Trends in Cognitive Sciences’, v. 10, n. 2, pp. 59-63.

 

LIBRI CITATI NELL’ARTICOLO:

Albert-Lászlo Barabási, Link, Torino, Einaudi, 2004

Gerald M. Edelman, Darwinismo neurale, Torino, Einaudi, 1995

Gerald M. Edelman, Il presente ricordato, Milano, Rizzoli, 1991

Gerald M. Edelman, Sulla materia della mente, Milano, Adelphi, 1993

Marcus Jacobson, Foundations of Neuroscience, New York, Plenum Press, 1993

Marco Piccolino, Neuroscienze controverse, Torino, Bollati-Boringhieri, 2008

Henry Poincaré, La scienza e l’ipotesi, Milano, Bompiani, 2003 Oliver Sacks, Un antropologo su Marte, Milano, Adelphi, 1995

Steven Strogatz, Sincronia, Milano, Rizzoli, 2003

SILVIO FERRARESI biologo e dottore di ricerca in neuroscienze, si occupa di temi legati alla filosofia della biologia. Ha curato a riguardo Darwinismo neurale di Gerald Edelman per i tipi di Einaudi e La specie simbolica di Terrence Deacon per Giovanni Fioriti Editore. Ha tradotto una trentina di libri di saggistica e collabora con le riviste ‘Le Scienze’ e ‘Mente&Cervello’, per le quali ha tradotto 150 articoli. Nel 2002 gli è stato assegnato il premio Monselice per la traduzione scientifica.

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