Se mi senti batti un colpo.

Come si misura la coscienza?

Il contributo filosofico allo studio della coscienza – e della discussione ancora più antica sulla natura dell’anima – è un tema che intercetta le grandi domande dell’uomo. Cos’è un uomo. Come funziona. Quanto è diverso dagli altri esseri viventi, dalle piante, dagli altri animali?

Il contributo della neurofisiologia invece, che per qualche aspetto imbocca la scorciatoia del riduzionismo biologico, definisce coscienza la “capacità di esperire” – buttando nel medesimo calderone i fenomeni sensoriali, la programmazione motoria e i processi cognitivi di alto livello – e si concentra invece sul perfezionamento della tecnica, alla ricerca degli strumenti e degli indici che permettono di distinguere le caratteristiche essenziali che permettono di affermare che un uomo “è cosciente” oppure no. La semplificazione è palese ma è ovviamente strumentale: definire secondo standard precisi lo stato di coscienza attuale in un organismo che lo è in potenza è necessario ai fini della diagnosi e dell’orientamento della pratica clinica per tutti quei soggetti in cui si sospetta che tale equilibrio sia compromesso o disturbato.

Per farlo, il mezzo più semplice ed immediato è (come avviene per ciascun ambito di ricerca della psicologia sperimentale, ancora prima che in psicofisiologia) l’osservazione della risposta comportamentale. Se un sistema riceve uno stimolo ed è in possesso della capacità di processarlo e delle istruzioni e dei mezzi necessari ad organizzare una risposta coerente, si può inferire che tale sistema sia consapevole della presenza dello stimolo e delle sue qualità: la Coma Recovery Scale traduce perfettamente questo tipo di approccio nell’ambito clinico, andando a sondare il livello della capacità elaborativa e delle risposte autonome e programmate. Oppure ci si può affidare a testimonianze self-report o ancora si può istruire un soggetto umano o un animale di laboratorio a premere un pulsante se l’immagine mostrata a schermo raffigura un volto oppure no.

Il problema delle scale comportamentali è che può capitare che il “sistema” (non si parla quasi mai di “persona”, soprattutto in questi ambiti di ricerca fa poca differenza se i processi cognitivi interessati siano umani o animali) riceva e comprenda bene la natura dello stimolo, ma non sia in grado di rispondere perché danneggiato in qualche punto localizzato più a valle rispetto al sistema centrale dell’elaborazione cosciente. L’esempio clinico è palese nel caso della differenza tra i pazienti in stato di minima coscienza e quelli invece in stato vegetativo, non coscienti. Viceversa, capita che i soggetti affermino di non avere avuto esperienza di uno stimolo, ma sottoposti a test specifici dimostrino risposte positive in percentuale superiore rispetto alla soglia del caso (come avviene nel caso del blindsight).

Per questo, parte della ricerca psicofisiologica ha lavorato per produrre soluzioni alternative alla “semplice” osservazione clinica, nel tentativo di bypassare il proxy della risposta comportamentale (che è il prodotto di una catena lunga e complessa e che può essere compromessa in molti modi).

Nella review di Koch e Tononi pubblicata su Nature lo scorso maggio si parla appunto di questi indici alternativi, di quali sono stati usati fino ad adesso e dell’efficacia predittiva di ciascuno.
Il problema più grande sollevato da K e T è riferito all’equilibrio delicato tra sensibilità e specificità, alla necessità di identificare dei segnali inequivocabili e precisi che correlino con lo stato di coscienza e che mantengano il minimo margine di sovrapposizione possibile con stati attinenti o simili (ad esempio, con tutto ciò che riguarda l’attivazione attentiva di qualsiasi livello, dalla vigilanza ai processi di elaborazione task-related). Per questo è difficile tracciare una neuroanatomia degli stati di coscienza: buona parte delle zone che sembravano candidabili sembrano non reggere alla prova neuropsicologica: non esiste un’area specifica che, danneggiata, porta inevitabilmente alla perdita di coscienza. Lesioni alla corteccia frontoparietale (l’area corticale più attiva durante la veglia) non inducono a stati di coma. La letteratura è piena di casi di soggetti privi di ampie zone corticali o cerebellari che vivono benissimo. Lo stesso tronco encefalico, nel quale troviamo la sostanza reticolare attivante e che in questo senso sembra la struttura neurale più promettente, si è dimostrato comunque insufficiente al mantenimento dell’attività cosciente. La coscienza, in questo senso, si confermerebbe più come la proprietà emergente che nasce dall’attività combinata di una serie di aree e strutture cerebrali che il risultato di un unico “interruttore” centrale.

Un discorso del tutto simile si applica agli indici utilizzati per la registrazione degli stati di coscienza. La registrazione in EEG dell’attività sincronizzata delle aree visive nell’area di frequenza delle onde gamma (30-70 Hz) in gatti svegli o anestetizzati sembrava un buon predittore dell’avvenuto riconoscimento di uno stimolo visivo (e quindi della produzione di un’esperienza visiva), ma in studi successivi si è visto che l’attività gamma correla più con lo stato dei processi attentivi che con l’attività cosciente. Oltretutto si è registrata attività gamma anche in situazioni nelle quali il soggetto cosciente non è (sonno non-REM, durante anestesia) quindi niente. Idem per l’onda P3b registrata coi potenziali evocati, che correla più con la detezione di uno stimolo rilevante (e quindi con l’attività della memoria di lavoro) che con l’esperienza cosciente. E se la ricerca di marcatori EEG specifici non ha avuto grande fortuna, nemmeno il tentativo di estrarre dei pattern globali di attivazione ha funzionato granché bene: è vero che l’attività desincronizzata (bassa ampiezza, alta frequenza almeno nel range delle onde theta) correla piuttosto bene con lo stato di coscienza, se confrontata coi pattern sincronizzati a bassa frequenza, ma purtroppo non abbastanza visto che si sono registrate onde alpha (quelle che “da manuale” descrivono gli stati di veglia rilassata) anche in pazienti in stati di grave coma.

Quindi sembra non esistere una ricetta “facile” (alla faccia del riduzionismo biologico) per inferire lo stato di coscienza. Aree differenti contribuiscono in misura differente (per esempio le aree sensoriali di basso e medio livello per l’esperienza di stimoli modalità-specifici, l’area frontale che è specializzata nell’allocazione delle risorse attentive e nella gestione esecutiva, o anche la hot zone temporo-occipito-parietale che si adatta più specificamente al modello ma che si è visto comunque non essere sufficiente). L’unica soluzione possibile, secondo Koch e Tononi, considera l’intera gamma delle attivazioni corticali: un sistema neurale si trova in uno stato di coscienza quando esprime pattern di attivazione differenziati (cioè produce risposte differenti in base agli stimoli che percepisce) e integrati (cioè si “muove” secondo schemi coerenti). In questo senso la “coscienza” sarebbe il prodotto di un sistema ordinato nel quale l’entropia è limitata e le risorse ben distribuite. Questo stato di organizzazione si può misurare: l’indice PCI, che quantifica lo stato di integrazione complessivo dell’attivazione corticale, registrato in EEG in seguito a stimolazione con TMS, è alto quando il sistema esibisce una buona risposta all’interferenza (e quindi cosciente e difficilmente influenzabile).

 

Il primo studio, pubblicato su Science Translational Medicine, ad usare introdurre l’uso dell’indice PCI è del 2013, e il nome di alcuni degli autori ricorre in molti dei lavori citati in letteratura. A posteriori, viene da pensare che forse sarebbe stato ancora più interessante se la review fosse stata scritta da un team completamente differente di ricerca, magari con qualche insight a proposito della reliability dell’indice PCI. Ma va bene così, adesso che se ne è parlato su una testata forte come Nature, magari si può sperare in una metanalisi.

 


Koch, C., Massimini, M., Boly, M., & Tononi, G. (2016). Neural correlates of consciousness: Progress and problems. Nature Reviews Neuroscience Nat Rev Neurosci, 17(5), 307-321. doi:10.1038/nrn.2016.22
http://www.nature.com/nrn/journal/v17/n5/abs/nrn.2016.22.html

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La memoria è organizzata per contiguità temporale?

No. O meglio: non solo.

Pavlov che lega il cane, suona il campanello e dà il cibo al cane. E dopo un po’ di volte, il cane associa campanello e cibo e comincia a salivare.

Il principio secondo il quale i meccanismi di apprendimento funzionano (o comunque sono permessi) da logiche di tipo associazionista (http://plato.stanford.edu/entries/associationist-thought/) stimolo/stimolo (cueing) o stimolo/azione (condizionamento) esistono quasi da quando esiste la psicologia scientifica. L’immagine di una memoria rappresentata come una linea, o anche una catena che si allunga man mano che vengono aggiunte nuove informazioni e che possiamo navigare avanti e indietro si ritrova in un certo numero di lavori classici e ha sempre funzionato piuttosto bene. L’immagine della catena poi è piuttosto versatile, perché rende bene l’idea di quanto due anelli possano essere in sezioni vicine o meno della catena, e in un ordine ben preciso per cui c’è un prima e un dopo, e un anello è collegato man mano ad altri. Possiamo distinguere informazioni più recenti o più remote, sia in periodi di tempo lunghi che in singoli esercizi di laboratorio.

Alcuni lavori piuttosto recenti (Farrell, Lewandowsky 2008, Kahana 1996-2005) sembrano aggiungere conferme al modello “seriale” del richiamo. Data una lista di parole sarebbe infatti più semplice ricordare stimoli più vicini tra loro (il grafico della funzione lag CRP che si usa per quantificare l’effetto di prossimità infatti ha tipicamente una forma a campana: stimoli contigui sono riconosciuti con una buona efficienza, man mano che la distanza aumenta la performance cala).

Senonché una revisione pubblicata lo scorso novembre su Memory & Cognition prova a rivedere l’importanza dell’effetto della contiguità temporale, andando ad esaminare le evidenze empiriche a supporto della temporal contiguity theory. Per ciascuno dei paradigmi tipici della ricerca su memoria e serial retrieval (rievocazione libera su liste di parole, memoria autobiografica, richiamo guidato da cues, esercizi di manipolazione mentale di serie di elementi – ad esempio giudizio di posizione entro una o più liste di parole, giudizio di distanza tra due stimoli, effetto di recenza) Hintzman recupera quei paradigmi che supportano una spiegazione squisitamente time-based.

Ad ogni modo, la fotografia che ne viene fuori non è in completa antitesi con un modello di contiguità temporale, però solleva un tema interessante: è vero che esistono effetti di contiguità quando ci sono stimoli presentati in serie (con le differenze del caso tra i diversi paradigmi).

Ma questa prossimità non sarebbe esclusivamente temporale. Perché generalmente i test utilizzati in questo tipo di esperimenti sono piuttosto difficili, perché non è possibile scotomizzare l’influenza della memoria episodica, nemmeno quando l’esperimento richiedere di leggere parole (per l’effetto che possono provocare sul soggetto alcune parole anche apparentemente neutre, perché in una lista di parole è possibile creare in modo più o meno consapevole associazioni tra le diverse parole) e perché nel tentativo di aiutarsi i soggetti tendono inevitabilmente ad utilizzare e a perfezionare strategie, per esempio cercando regolarità e correlazioni di tipo semantico tra gli elementi di una lista (ad es. in Hintzmann, Summers, Block 1975, che dimostrano la presenza dell’effetto di continuità solo tra parole correlate o identiche. Nelle parole non correlate, la performance non migliora nemmeno per stimoli ravvicinati e quindi il grafico si appiattisce) oppure confrontando le liste viste in un test con le risposte date magari a un test precedente. Tutte queste strategie e mnemotecniche possono funzionare in modo più o meno efficace ma inevitabilmente tolgono forza all’analogia un po’ meccanica basata esclusivamente sulla contiguità temporale.

Per ciascuno degli esperimenti trattati Hintzman porta delle evidenze empiriche che ne ridimensionano un po’ i risultati. L’idea di Hintzmann è che è vero che il tempo influisce sulla performance dei soggetti in test di serial recall, ma solo perché nel tempo cambia il contesto soggettivo, si creano relazioni tra gli stimoli ed eventualmente si incorporano stimoli nuovi ambientali o artificiali (tra le mnemotecniche, una che pare funzionare piuttosto bene è la creazione di storie per unire le parole della lista). Insomma, succedono delle cose. E queste “cose”, che Hintzmann elenca come “fallacie” metodologiche (assumere che durante un esercizio di encoding il soggetto non faccia mai retrieval e viceversa, l’effetto di apprendimento in esperimenti composti da più trial, l’aspettativa e la credenza del soggetto su quale sia il metodo per rispondere nel modo migliore e quindi il tipo di strategie utilizzate, consapevoli e non), sono quanto viene aggiunto dal soggetto che si adatta e cambia anche nei pochi minuti necessari per leggere una lista di parole. E che forse sono più facili da vedere a posteriori durante una revisione, ma che sarebbe utile riuscire a considerare quando si progetta un esperimento.

 


Hintzman, D. L. (2015). Is memory organized by temporal contiguity? Mem Cogn Memory & Cognition, 44(3), 365-375. doi:10.3758/s13421-015-0573-8
http://link.springer.com/article/10.3758/s13421-015-0573-8

A cosa servono i transienti colinergici? E soprattutto, cosa cavolo sono?

TL;DR: sono variazioni della concentrazione di acetilcolina. Nei topi, mediano i processi di detezione della risposta (che comprendono l’orientamento verso il segnale ma anche l’attivazione della risposta). Nell’uomo forse, ma è ancora presto per dirlo.

La funzione neuromodulatoria “classica” dei sistemi colinergici cerebrali è quella di supporto ai processi attentivi, dell’ apprendimento e della memoria (Everitt, 1999. Nei pazienti malati di Alzheimer, le strutture alimentate ad acetilcolina sono quelle che mostrano una degenerazione più marcata, l’uso continuato dei farmaci antidepressivi anticolinergici correla con il peggioramento della performance mnesica globale).

Le proiezioni colinergiche raggiungono praticamente ogni area e strato corticale. Esistono revisioni decisamente dettagliate sull’anatomia, la distribuzione e l’espressione delle trasmissioni colinergiche centrali (Mesulam 1988), mentre le informazioni riguardo la fisiologia dei processi attentivi non sembrano altrettanto particolareggiate. La revisione di Sarter è interessante perché, rispetto al genericissimo “sistema reticolare ascendente” colinergico (Mesulam 1995), ne considera un singolo sottosistema anatomo-funzionale. Perlopiù disinteressandosi dei processi classici di mediazione neurochimica dei processi mnesici ed attentivi, per concentrarsi su un fenomeno specifico e particolare. Quello dei transienti appunto.

Che sarebbero dei picchi rilevabili nel livello di acetilcolina prodotta dai neuroni con origine nel prosencefalo basale (basal forebrain, BF). Mentre l’attività colinergica tonica garantisce i processi utili all’attenzione sostenuta e più in generale al controllo attentivo, questi sarebbero processi squisitamente fasici, attivati solo per quei pochi secondi necessari al riconoscimento di uno stimolo e alla generazione di una risposta, per poi esaurirsi e ritornare al livello di partenza. La definizione di detezione (detection) a cui Sarter si affida comprende infatti sia la fase di acquisizione del segnale (orienting), che quella successiva di risposta ed azione.

Ecco come fa Sarter a dimostrare l’esistenza dei transienti. In una serie di esperimenti, sottopone dei topi ad un compito di attenzione sostenuta (sustained attention task, SAT), distingue una variabile indipendente (presenza/assenza dello stimolo) ed una dipendente (presenza della risposta o falso allarme – hit/assenza di risposta o mancata detezione – miss) e nota che:

– i topi del gruppo di controllo riconoscono abbastanza bene il segnale e rispondono coerentemente

– i topi con lesione artificiale delle proiezioni colinergiche BF – corteccia non rispondono quasi mai

– i topi con inibizione artificiale selettiva della risposta colinergica (per attivazione optogenetica) durante la presentazione degli stimoli idem

– se più trial consecutivi presentano lo stimolo, durante i successivi al primo la risposta cala. Registrando il livello di acetilcolina si vede che è alto solo nel primo trial, poi diminuisce. In generale sembra che il transiente preveda una sorta di inibizione di ritorno, perché se invece si aumenta il tempo tra i trial questo effetto si annulla

– stimolando artificialmente i neuroni colinergici (transienti evocati optogeneticamente) si provoca una risposta, sia se il segnale c’è sia che non c’è.

Per quanto riguarda la funzione dei transienti, secondo Sarter servono per mediare tra la fase di orienting e quella di generazione dell’azione. I segnali in ingresso più salienti infatti produrrebbero comunque un’attivazione glutammatergica a livello del talamo. I transienti servirebbero in questo caso per sincronizzare l’output corticale, a partire da questi stimoli salienti, una specie di “filtro” nel processo di conversione stimolo-azione.

E negli umani? Nel paper di Sarter il paragrafo dedicato ai correlati anatomo-fisiologici negli umani è un po’ striminzito, in generale si tenta di far risalire l’attività dell’area 10, registrata in fMRI, al meccanismo dei transienti visto nei topi. Che però per ammissione degli stessi autori è un tentativo un po’ così, perché è difficile distinguere in risonanza l’effetto delle singole proiezioni colinergiche da tutto quello che succede nella corteccia frontale. Idem per le registrazioni EEG in area frontale (per esempio la p300a. Ci sono delle evidenze in letteratura che indicherebbero una correlazione inversa tra l’ampiezza della p300a e inibizione colinergica, ad esempio indotta farmacologicamente) però Sarter qui non si sbilancia più di tanto.

 


Sarter, M., Lustig, C., Berry, A. S., Gritton, H., Howe, W. M., & Parikh, V. (2016). What do phasic cholinergic signals do? Neurobiology of Learning and Memory, 130, 135-141. doi:10.1016/j.nlm.2016.02.008
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1074742716000459