di Raffaele Avico e Matteo Grasso (University of Wisconsin – Madison, Department of Psychiatry)
Il lavoro di ricerca fatto presso il laboratorio coordinato da Giulio Tononi, a Madison (presso il dipartimento di psichiatria della University of Wisconsin-Madison, USA), si configura come riferimento mondiale per la ricerca su due filoni tematici portanti: il sonno e la coscienza.
Gli studi sul sonno condotti da Tononi (in collaborazione con la Prof.ssa Chiara Cirelli) hanno portato ad importanti scoperte sulla funzione del sonno a onde lente (il sonno profondo), sui meccanismi neurali che lo generano e sui suoi effetti a livello cellulare e sinaptico, e su varie patologie del sonno.
Il fenomeno della coscienza viene invece investigato sia in senso quantitativo (come si può misurare il livello di coscienza in vari stati come veglia, sonno, anestesia, stato vegetativo) che in senso qualitativo (cos’è la coscienza e come si può studiare scientificamente il suo contenuto qualitativo). A seguito dei risultati raggiunti insieme ai suoi collaboratori, il Prof. Tononi è stato insignito di molteplici premi di grande rilevanza nel mondo neuroscientifico; articoli a riguardo del sonno e del funzionamento della coscienza umana sono pubblicati sulle maggiori riviste scientifiche al mondo. Qui una breve rassegna delle pubblicazioni maggiori.
SONNO
Le attività di indagine svolte sul sonno spaziano su temi di ricerca di base e di ricerca clinica.
Un grande tema di ricerca di base riguarda i meccanismi neurali che generano il sonno profondo a onde lente (onde delta), la funzione del sonno evolutiva e fisiologica, e gli effetti della deprivazione selettiva di questo stato su memoria e apprendimento. Il costrutto teorico formulato da Tononi nel suo laboratorio a riguardo del sonno è in breve chiamato Synaptic Homesostasis Hypotesis (SHY). Questo articolo pubblicato su Neuron lo esplica in modo approfondito.
I punti portanti di SHY possono essere riassunti (in modo semplificato) come segue:
- Durante la veglia, l’attività cerebrale porta alcuni neuroni a creare nuovi collegamenti sinaptici, e porta sinapsi pre-esistenti ad essere potenziate. Tuttavia, l’effetto di questo potenziamento non è efficiente: solo una piccola minoranza di sinapsi infatti è coinvolta nelle attività cognitive e comportamentali ottimali, mentre il resto delle sinapsi costituisce attività neurale di fondo non ottimale.
- Come dimostrato dagli esperimenti del gruppo di Tononi, il sonno a onde lente ha un effetto a livello delle singole sinapsi chiamato “downscaling sinaptico”, ovvero un depotenziamento generale delle sinapsi; tale depotenziamento agisce a tappeto su tutte le sinapsi, sia ottimali che sub-ottimali, mantenendo però i differenziali tra le diverse potenze sinaptiche.
- Il giorno successivo, l’attività cerebrale di veglia descritta al punto 1 si ripete ri-potenziando alcune sinapsi, che in congiunzione al downscaling sinaptico del sonno a onde lente porta ad un effetto iterativo e cumulativo di potenziamento selettivo delle sinapsi ottimali, e a un depotenziamento costante delle sinapsi sub-ottimali.
- Questo modello spiega i meccanismi sinaptici sottostanti al processo di apprendimento, strutturato in senso neurobiologico su processi di “riconferma” selettiva di alcune connessioni neurali e di depotenziamento globale durante il sonno profondo.
- In sintesi, il sonno a onde lente, secondo questa teoria, ha una funzione di regolazione omeostatica delle connessioni sinaptiche usate durante il giorno. Qui un approfondimento.
La ricerca sul sonno è anche indirizzata a investigare le sue relazioni con la coscienza. Vari studi sono condotti su parasonnie del sonno non-REM come il sonnambulismo (il soggetto svolge nel sonno attività motorie semplici o complesse ) e il sonniloquio (il soggetto parla nel sonno), e sul fenomeno del sogno lucido (nel lavoro di https://www.benjaminbaird.org/).
COSCIENZA
Per quanto riguarda invece il tema della coscienza, il costrutto teorico centrale è la Integrated Information Theory (IIT). Questo paradigma teoretico si propone l’ambizioso obiettivo di comprendere il sostrato neurobiologico della coscienza umana, di renderne quantificabile e misurabile l’espressione e di fornire gli strumenti teorici e sperimentali per lo studio dei contenuti qualitativi della coscienza – ciò che i filosofi chiamano qualia: l’esperienza di vedere colori, sentire suoni, percepire dolore, etc.
I principali filoni di ricerca sulla coscienza del Lab coordinato da Tononi sono i seguenti:
- I meccanismi neurofisiologici del sonno e degli stati alterati di coscienza (come l’anestesia, il coma e le crisi epilettiche), e la sua misurazione quantitativa. Il gruppo di Tononi ha sviluppato una procedura chiamata Perturbational Complexity Index (PCI) volta a misurare il livello di coscienza in un soggetto, basata sull’uso combinato di stimolazione magnetica transcranica ed elettroencefalogramma ad alta densità. Tale procedura consiste nello stimolare un’area corticale e nel registrare la risposta elettroencefalografica, e nel quantificare tramite algoritmi il livello di complessità di tale risposta in termini di informazione integrata. Questo strumento di misurazione della coscienza ha già portato ad effettuare in ambito clinico misurazioni sul livello di coscienza in pazienti con disordini di coscienza (per esempio in coma, stato vegetativo e stato di coscienza minima), mostrando un grande potenziale sia come strumento diagnostico (si stima che circa il 30% delle diagnosi di stato vegetativo non siano corrette) sia come strumento prognostico (in alcuni casi un incremento del valore di PCI ha preceduto un miglioramento nella responsività del paziente, permettendo di prevedere un recupero delle funzioni cognitive prima della comparsa di alcun miglioramento comportamentale osservabile), portando ad importanti applicazioni pratiche e grandi vantaggi clinici.
- Lo sviluppo dei costrutti fondanti della IIT, come la nozione di informazione integrata, e la definizione in termini matematici e formali delle procedure di calcolo dell’informazione integrata in modelli computazionali (reti neurali).
- Lo studio dei contenuti qualitativi di coscienza, del vissuto soggettivo: ci si interroga cioè sulla dimensione qualitativa della coscienza, e suoi suoi “elementi” costitutivi in senso fenomenologico (i qualia), aspetti difficili da investigare scientificamente e a tal punto complessi da necessitare un approccio integrato al problema che metta insieme filosofi della mente, neuroscienziati, informatici, e ricercatori provenienti dagli ambiti di ricerca più variegati. Un esempio paradigmatico di questo approccio si puo’ trovare in un primo pionieristico articolo (Haun & Tononi 2019) volto a mostrare come la IIT propone di spiegare l’esperienza qualitativa della spazio visivo: l’esperienza di una superficie estesa di fronte ai nostri occhi e su cui le scene visive sono (metaforicamente parlando) proiettate, e che rimane anche quando chiudiamo gli occhi o ci troviamo nell’oscurità (lo spazio visivo rimane esteso, e di fatto anche colorato, seppur di nero). Altri progetti in corso propongono di applicare questa metodologia ad altri contenuti qualitativi come l’esperienza del passare del tempo, l’esperienza di contenuti dell’esperienza visiva come il colore e la categorizzazione concettuale di oggetti, e l’esperienza del dolore.
Il lavoro pionieristico di Giulio Tononi si avvale di giovani ricercatori provenienti da tutto il mondo, spesso di età inferiore o prossima ai 30 anni (già pubblicati su riviste di altissimo impatto scientifico), il che ci racconta di una realtà, quella statunitense, in grado di creare ambienti stimolanti e protetti adatti alla prosecuzione della sperimentazione pre-clinica (su animali o uomini), fondamentale per l’evoluzione della pratica clinica applicata.
Qui approfondimenti:
