Cervello e coscienza: una teoria quantistica sul funzionamento della memoria
Alcuni richiami teorici(1)
La teoria scientifica che fino ad ora si è dimostrata più adeguata a fornire ipotesi coerenti con i dati sperimentali sul funzionamento dei circuiti neurali deputati a mantenere la memoria è la Teoria Quantistica dei Campi (TQF).
Questa teoria è nata dalla necessità di adeguare la Meccanica Quantistica alla Teoria della Relatività che stabilisce l’equivalenza tra massa ed energia e quindi rende impossibile l’uso delle formule che descrivono la dinamica delle particelle quantistiche essendo queste variabili nel loro numero complessivo sul sistema osservato. Il vantaggio principale alla base della TQF consiste nell’individuare un campo che consente la misura, in ogni punto dello spazio del sistema in esame,dei valori delle grandezze che ne descrivono il comportamento dinamico.
Questo campo è pertanto in grado di descrivere le configurazioni ordinate delle variabili che compongono il sistema. L’emergere di questo ordine, individuato da un apposito parametro che può avere carattere spaziale, come nei solidi cristallini, o temporale, come nelle oscillazioni periodiche, è conseguente alla cosiddetta rottura spontanea della simmetria (RSS).
Per comprendere questo concetto facciamo un semplice esempio. Immaginiamo di trovarci in un teatro poco prima dell’inizio della rappresentazione:il pubblico si presenta in modo ancora disordinato, non ha ancora trovato il proprio posto, lo sguardo di ciascuno spettatore non è rivolto necessariamente verso il palcoscenico :siamo in presenza di una simmetria, ovvero quale che sia la direzione che osserviamo troveremo sempre lo stesso numero medio di spettatori che vi si rivolgono…
Ad un certo istante, subito dopo l’annuncio dell’inizio dello spettacolo, tutti gli spettatori si muovono secondo una direzione prestabilita sedendosi al proprio posto e osservando il palcoscenico in silenzio: si è verificata una rottura della simmetria ed ed è emerso, di conseguenza, un certo ordine, in questo caso di tipo spaziale. La struttura ordinata così generata , dal punto di vista matematico, è un campo quantistico i cui componenti elementari sono denominati quanti di Nambu-Goldstone dai nomi degli scienziati che ne hanno sviluppato la teoria.
I risultati a livello sperimentale di questa teoria hanno trovato ampie conferme in fenomeni naturali e in sistemi di vario genere.
Il modello quantistico del cervello(2)
Questo modello , inscritto all’interno della TFQ, parte dall’ipotesi, sufficientemente realistica, che la percezione della memoria sia legata ad una configurazione ordinata di neuroni, attivabile per mezzo di stimoli esterni o innescata da altri processi mentali.
In effetti, l’osservazione dell’attività neuronale di ampie zone della corteccia cerebrale, conseguente a adeguati stimoli e attuata con sofisticate tecnologie di analisi di Elettroencefalogrammi e Magnetoencefalogrammi, mostra la presenza di configurazioni di moti oscillatori sincroni. Si evidenziano infatti miliardi di neuroni che oscillano alla stessa frequenza e con una dispersione di fase pressoché nulla. In altri termini l’azione dello stimolo produce l’induzione di uno stato coerente che correla,a distanze significative, i campi elettromagnetici associati alle diverse componenti del cervello.
L’ordine osservato in questo caso è di tipo temporale e si assiste ad una correlazione a distanze di diversi centimetri all’interno del cervello, correlazione che corrisponderebbe , in quella determinata configurazione dei quanti, a quel ricordo evocato nella memoria(3).
Particolarmente suggestiva è, all’interno di questo modello, la distinzione tra memoria a lungo termine e memoria a breve termine, aspetti ampiamente trattati nelle scienze cognitive.
La “memoria a lungo termine” corrisponderebbe allo stato fondamentale dei quanti correlati a quel ricordo ed avrebbe, di conseguenza, un carattere più stabile; diversamente la “memoria a breve termine” viene descritta come uno stato “eccitato”, quindi dotato di vita media relativamente breve. La pratica del “ripassare” riproducendo gli stati eccitati di una certa configurazione della memoria ne favorirebbe, in questo schema, il passaggio al relativo stato fondamentale ovvero a creare una memoria più stabile nel tempo, a cui corrisponde, in termini fisico-matematici, lo stato di minima energia.
In presenza di atti ripetitivi, nei quali l’attenzione è minima, il risparmio energetico ottenuto,accertabile con idonee misurazioni, sarebbe dovuto al passaggio ad uno stato di eccitazione e correlazione dei circuiti neurali interessati che si troverebbero già presenti nella configurazione associata a quell’insieme di richiami mnemonici.
Sempre di particolare interesse scientifico la considerazione che questo modello tiene conto dell’osservazione clinica accertata secondo la quale i ricordi non sono localizzabili nelle particolari aree del cervello attivate durante l’esperienza mnemonica perché persistono anche dopo che queste aree sono state asportate ( ad esempio in caso di patologie tumorali): in effetti sembrerebbe che sia la correlazione coerente a rendere possibile la percezione mnemonica degli eventi(4) e non la loro localizzazione in specifiche parti del cervello.
Un’ulteriore convergenza con quanto descritto dalle scienze cognitive con la teoria quantistica qui accennata viene dalla seguente osservazione. Immaginiamo di essere sottoposti ad uno stimolo emozionale percepito dai nostri sensi come un grave pericolo per la vita stessa… In questo caso la biologia ci mostra che nella risposta allo stimolo sono coinvolti molti distretti corporei, ciascuno attivato per mobilitare le proprie risorse disponibili.
Questo aspetto è coerente con la correlazione di numerosi circuiti neurali in grado di oscillare in fase e dunque di formare una configurazione stabile su regioni dislocate anche a notevoli distanze tra di loro: risulterebbe così spiegata la facilità del richiamo alla memoria di ricordi associati a intensi stati emotivi.
Prof. Luciano D’Abramo
Note
(1) Per uno studio più approfondito si veda l’articolo di G. Vitiello ,Essere nel mondo: Io e il mio Doppio, pubblicato in Atque, vol. 5 Nuova serie 155-176 2008
(2) La teoria a supporto di questo modello è stata elaborata da Ricciardi e Umezawa, per un approfondimento si veda l’articolo “ Brain and physics of many-body problems” ; Journal: Kybernetik 4, 44–48 (1967)
(3) Per approfondimenti sul modello e sulla teoria si veda :Freeman, W.J. and Vitiello, G. 2008a. Dissipation, spontaneous breakdown of symmetry and brain dynamics. J.Phys. A: Math Theor., in print. q-bio.NC/0701053
(4) Per un trattato approfondito sul tema delle rappresentazioni cerebrali si veda il libro di Karl H.Pribram: I linguaggi del cervello
