Il cervello umano visto dal paradigma della termodinamica

BIO – Medicina Costruzione Sociale nella Post-Modernità – Educational Papers • Anno XI • Numero 42 • Giugno 2022

La nuova teoria della termodinamica del cervello: il mantenimento della vita sarebbe basato sull’evitare l’equilibrio

Nel loro recente saggio The Turbulent Brain,¹ Morten Kringelbach² e Gustavo Deco,³ sostengono che il flusso di energia tra cervello e ambiente guidi un disequilibrio che sosterrebbe la vita umana. Questa loro ipotesi è il risultato della loro interpretazione dell’attività del cervello umano alla luce del paradigma della termodinamica.⁴ Da questa prospettiva questi studiosi possono permettersi di ipotizzare che le turbolenze nel cervello umano ci aiutino a migliorare la nostra fitness o capacità di stare in vita in modo proficuo.

Per sostenere il loro punto di vista, Kringelbach e Deco ci ricordano che secondo la termodinamica, qualsiasi organismo vivente scambia, costantemente, un flusso di materia ed energia con il suo ambiente. In quanto tale, il sistema sarebbe in non equilibrio. Per progredire nel loro ragionamento essi risalgono al Nobel Prize per la fisica Erwin Schrödinger⁵ che nel suo libro, pubblicato nel 1944, What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell.⁶ [Cos’è la vita?],⁷ aveva già proposto che il mantenimento della vita fosse esattamente basato sull’evitare l’equilibrio. Questo principio, a prima vista paradossale, di evitare l’equilibrio per vivere sembra strettamente connesso, specificamente, con quelle reazioni descritte nella biochimica come metabolismo.⁸ Di fatto, Schrödinger, si poneva e ci poneva questa domanda: – Come fa l’organismo vivente a evitare il decadimento? In parole povere, la risposta è … mangiando, abbeverandosi, respirando e … assimilando. In gergo specialistico: attraverso il metabolismo. Secondo questo punto di vista, l’equilibrio, terminale, sarebbe la morte. Per questo, loro asseriscono, la sopravvivenza dipenderebbe dal rimanere il più lontano possibile dall’equilibrio.⁹

Schrödinger era soprattutto un fisico, noto principalmente per il suo lavoro nel campo della fisica quantistica e per il suo esperimento mentale il paradosso del gatto di Schrödinger,¹⁰ gatto che, curiosamente, può essere considerato, simultaneamente, vivo e morto. L’esperimento fu elaborato nel contesto della discussione sul paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), che criticava come paradossale una caratteristica basilare dei sistemi quantistici secondo l’interpretazione di Copenaghen,¹¹ nota come entanglement quantistico. Schrödinger, che condivideva lo scetticismo verso l’interpretazione di Copenaghen, fece notare un altro aspetto problematico: il principio di sovrapposizione, uno dei cardini della meccanica quantistica, il quale afferma che un sistema può trovarsi in due stati distinti e può trovarsi perfino in una qualsiasi loro combinazione lineare. Se, però, si eseguisse un’osservazione del sistema, questo verrebbe indotto dall’osservatore ad assumere uno stato determinato. Secondo Schrödinger, questo principio di sovrapposizione quantistica¹² e il concetto di entanglement avevano conseguenze potenzialmente paradossali.

Più tardi nella vita, Schrödinger si rivolse a importanti questioni come scoprire dei modelli che potevano illustrare le forze essenziali della vita e capire come il campo della termodinamica avrebbe aiutato in proposito. Ai tempi, lo studio scientifico del cervello umano era ancora agli albori e, in quanto tale, non faceva parte del focus di Schrödinger. Ma da allora, la neuroscienza avrebbe fatto passi importanti e sarebbe diventato ampiamente chiaro che il cervello debba essere il principale motore di come gli organismi possano evitare l’equilibrio e la morte. In effetti, scoperte¹³ molto recenti, come quelle del gruppo di ricerca di Yonatan Sanz Perl, Hernán Bocaccio, Ignacio Pérez-Ipiña, Steven Laureys, Helmut Laufs, Morten Kringelbach, Gustavo Deco e Enzo Tagliazucchi, iniziarono a gettare nuova luce su come i cervelli prosperino, addirittura in assenza di equilibrio e come le dinamiche cerebrali turbolente e non lineari aiutino, come sostiene anche Karl Friston,¹⁴ a trovare l’ordine in ambienti ampiamente disordinati in modo da aumentare le possibilità di sopravvivenza.

Negli ultimi decenni, gli studiosi ortodossi del cervello si sono concentrati su come il cervello sembra essere principalmente guidato dalla stimolazione momentanea dell’ambiente quando ci impegniamo in compiti specifici. Eppure, come dimostrato dalla ricerca pionieristica del neurologo Marcus Raichle,¹⁵ è diventato sempre più chiaro che il cervello non sia guidato, né esclusivamente né estrinsecamente, dalle informazioni provenienti dall’ambiente. Invece, il cervello sarebbe principalmente modellato dall’attività intrinseca dello stato di riposo, passando da uno stato cerebrale all’altro mentre interpreta, risponde e persino prevede le richieste ambientali, come documentato da Kringelbach e Deco.¹⁶

Questa visione è supportata dal fatto che il consumo di energia metabolica che mantiene l’attività cerebrale intrinseca a riposo è molto più grande di quello utilizzato dalle richieste estrinseche guidate da attività, come quando si guardano stimoli visivi o si risolvono compiti cognitivi.¹⁷ Dato che, secondo alcune stime, oltre il 20 per cento del consumo totale di energia viene assorbito dal cervello, che rappresenta solo il 2 per cento del peso corporeo, Raichle¹⁸ ha parlato poeticamente di “energia oscura” del cervello.

Al riguardo, Kringelbach e Deco propongono di fondere le idee di Schrödinger e Raichle per suggerire la proposizione che il flusso di energia tra il cervello e l’ambiente starebbe a guidare il disequilibrio necessario per sostenere la vita. Ciò porta a una nuova teoria della termodinamica della mente, una teoria che attinge idee dalla fisica e consente ai ricercatori di quantificare e caratterizzare l’elaborazione cerebrale che porta al non equilibrio con un grado ottimale di precisione.¹⁹

Volgarizzando, a fini divulgativi, il secondo principio della termodinamica,²⁰ proposto da Rudolf Clausius e Sadi Carnot nel XIX secolo, si postula che un sistema tende nel tempo a passare dall’ordine al disordine. Nel linguaggio della termodinamica, questo aumento del livello di disordine può essere espresso come “entropia“.²¹ In quanto tale, il principio afferma che, quando la produzione di entropia è maggiore di zero, ciò corrisponde a un sistema che è in non equilibrio e irreversibile nel tempo. Questo è estensibile e, quindi, inerente a tutti i sistemi viventi. Al contrario, se non c’è produzione di entropia nel sistema, questo è un sistema in equilibrio e reversibile nel tempo.²² Ciò stabilisce un saldo legame tra produzione di entropia, non equilibrio e irreversibilità, espresso come “la freccia del tempo“²³ dal fisico Arthur Eddington nel 1927.

Un ottimo esempio di un sistema di non equilibrio con l’entropia associata e la freccia del tempo si verifica quando si guarda il filmato di un vetro che viene frantumato. L’entropia aumenta man mano che il sistema passa dall’ordine al disordine. Le sequenze causali degli eventi e, quindi, la freccia del tempo, in tale processo, si rendono abbastanza chiare. Guardando la stessa sequenza di film al contrario, riconosciamo subito che non è possibile che i vetri si ricongiungano, passando dal disordine all’ordine. Da ciò si desume che l’impossibilità degli eventi sia ampiamente chiara e la freccia del tempo debba essere invertita.²⁴

Curiosamente, nel suo film del 2020 Tenet [volendolo tradurre dottrina o dogma]²⁵, il regista Christopher Nolan combina tali segmenti visivi, che corrono avanti e indietro nel tempo. Questo, inizialmente, crea confusione, ma impariamo rapidamente a discernere tra i diversi elementi visivi – come le auto su un’autostrada che tornano stranamente indietro dalla distruzione – e a riconoscere, immediatamente, tali violazioni della prevista freccia del tempo in avanti.

Per dirla con Kringelbach e Deco,²⁶ il bello della termodinamica è che la freccia del tempo può essere elegantemente descritta matematicamente in termini di produzione di entropia, che aumenta quando un sistema passa dall’ordine al disordine, come quando un vetro si rompe. La produzione totale di entropia può essere calcolata e, se questa risultasse maggiore di zero, si direbbe che il sistema è irreversibile e in non equilibrio. In altre parole, un vetro che viene frantumato è un chiaro esempio di non equilibrio e di un sistema non reversibile (tranne nel mondo immaginario di Tenet, che sfida la fisica del mondo reale). Al contrario, come esempio di un sistema in equilibrio, possiamo immaginare di guardare filmati di palle da biliardo che si scontrano. Quando si guarda un filmato del genere sia in avanti che all’indietro, si rende difficile distinguere la freccia del tempo per ogni sequenza del film. In termini termodinamici, ciò è dovuto al fatto che il processo non produce entropia e crea un processo intrinsecamente reversibile.

I principi della termodinamica applicati in laboratorio per studiare la relazione cervello – ambiente

Questi concetti termodinamici sono strumenti potenti che, in linea di principio, potrebbero essere applicati a qualsiasi cosa. Kringelbach e Deco ed altri ricercatori hanno iniziato ad applicarli ai segnali cerebrali.²⁷ Questo permette loro di misurare come l’ambiente stia guidando il cervello, semplicemente misurando il livello di irreversibilità nei segnali cerebrali. Nella ricerca in corso,²⁸ loro stanno studiando come questi strumenti possano aiutare a costruire modelli che catturino la freccia del tempo e la produzione di entropia nel cervello, consentendo una valutazione precisa di come, sia il mondo esterno sia il nostro corpo, portino il cervello al non equilibrio in diverse situazioni.²⁹ Potenzialmente, questo potrebbe ugualmente essere usato per caratterizzare i cambiamenti nell’equilibrio nel cervello malato prima che inizino a manifestarsi sintomi evidenti.³⁰

Recentemente, questi ricercatori hanno combinato la termodinamica con la potenza di una tecnica di apprendimento automatico chiamata deep learning per caratterizzare la freccia del tempo nei segnali cerebrali.³¹ L’approccio del deep learning ha avuto molto successo nella creazione di strumenti utili come la traduzione automatica da una lingua all’altra. L’idea chiave sarebbe che l’algoritmo di apprendimento profondo apprende i modelli in grandi set di dati e poi generalizza questo apprendimento a nuovi casi. Ad esempio, si prenda lo studio delle lingue, in cui l’apprendimento profondo viene alimentato con un testo in due o più lingue e, quindi, si impara a generalizzare quando una parola si trova in un determinato contesto. Ciò consente all’algoritmo di generare traduzioni automatiche molto migliori rispetto alla tecnologia precedente, come si può vedere quando si utilizza, ad esempio, Google Translate.³²

Dunque, questi ricercatori hanno utilizzato il deep learning come strumento per imparare a distinguere tra versioni avanti e indietro dei segnali cerebrali. Inizialmente, nella fase di apprendimento, ogni segnale cerebrale viene etichettato con la versione in avanti o con la versione all’indietro generata artificialmente e l’algoritmo di deep learning impara a distinguerli con elevata precisione. Nella fase di test, nuovi segnali cerebrali vengono inviati a questo algoritmo di deep learning e classificati secondo le regole.³³

In omaggio a Nolan, gli studiosi hanno chiamato questo algoritmo TENET (Temporal Evolution NET). La bellezza di questo algoritmo consisterebbe nel fatto che il livello di accuratezza dell’uso di TENET sui segnali cerebrali fornisce direttamente un modello del livello di irreversibilità e di non equilibrio per un dato stato cerebrale. In questo modo, si può valutare il livello in base al quale l’ambiente sta guidando il cervello umano in condizioni diverse, sia a riposo sia durante l’esecuzione di compiti.³⁴

Aspetti pratici della questione dell’applicazione della termodinamica nella creazione di modelli circa l’attività cerebrale

A questo punto dell’argomentazione circa una nuova modellistica del cervello applicando i principi della termodinamica sorge spontanea la domanda: interessante paradigma, ma a cosa serve nella nostra esistenza quotidiana? La risposta finale al riguardo forse sarebbe meglio offrirla come punto di chiusura di questa breve disquisizione. Per il momento ci limitiamo ad accennare che gli studiosi della materia congetturano che applicando questi principi della termodinamica ai segnali del cervello si potrebbero ridurre i rischi che il cervello diventi più vicino all’equilibrio e, quindi, evitare così di rimanere impigliato, in modo estenuante, in sé stesso senza relazione con il mondo.

I risultati dei ricercatori avrebbero confermato che, in generale, il cervello sarebbe guidato dall’ambiente e, cosa importante, il cervello umano sarebbe più vicino al non equilibrio e più irreversibile quando esegue compiti diversi rispetto a quando riposa.³⁵ Al contrario, quando si utilizza TENET per caratterizzare l’attività cerebrale in stato di riposo in pazienti neuropsichiatrici con disturbi bipolari, ADHD e schizofrenia, i ricercatori avrebbero scoperto o documentato che il cervello di questi pazienti sarebbe più vicino all’equilibrio rispetto a quello dei partecipanti sani.³⁶ Ciò mostrerebbe che il cervello dei pazienti neuropsichiatrici sia più isolato dall’ambiente e avrebbe maggiori probabilità di essere guidato intrinsecamente. Ciò si adatterebbe ugualmente al modo in cui, ad esempio, la ruminazione nei pazienti depressi può portare all’isolamento maligno dal mondo esterno e ciò potrebbe condurre alla depressione.³⁷

Nel complesso, l’utilizzo di metodi termodinamici per caratterizzare l’attività cerebrale può essere, potenzialmente, molto utile nel fornire nuovi biomarcatori che possono aiutare a identificare le persone a rischio di malattia molto prima che si manifestino i primi sintomi gravi. In effetti, fare un ulteriore passo avanti per costruire modelli dell’attività cerebrale nella malattia potrebbe aiutare a identificare strategie di intervento che sarebbero utili a ridurre il rischio che il cervello diventi più vicino all’equilibrio e, quindi, meno in grado di impegnarsi nel mondo.

Questi risultati, sostiene David Weinberger, sono promettenti, ma ci sarebbero ancora sfide da superare. Una delle principali critiche al deep learning si incentra sulla natura, in gran parte, a “scatola nera”³⁸ dei progressi, che hanno avuto una notevole utilità pratica per risolvere problemi complessi ma che hanno prodotto poco in termini di nuove informazioni su come ciò sia ottenuto meccanicamente. Questa critica alla scatola nera non si applica all’uso, descritto da parte dei ricercatori riferiti, del deep learning per apprendere la freccia del tempo nei segnali cerebrali, poiché lo avrebbero usato, semplicemente, come uno strumento altamente efficiente per documentare il livello di reversibilità nei segnali cerebrali. In effetti, da allora hanno utilizzato altre tecniche non correlate per stimare la produzione di entropia e la reversibilità dei segnali cerebrali, che hanno aiutato gli studiosi ad ottenere una comprensione più profonda della termodinamica della mente.

A complemento di queste scoperte termodinamiche e per comprendere i possibili modelli interpretativi che rendano conto di come possa avvenire la generazione non lineare di stati cerebrali di non equilibrio, i ricercatori hanno altresì utilizzato i principi della turbolenza. Questa ricerca ha loro permesso di andare oltre il modello concettuale della semplice freccia del tempo nei sistemi di non equilibrio e affrontare la questione del principio della turbolenza riferito all’attività cerebrale.

La turbolenza è qualcosa che la maggior parte delle persone associano principalmente ai vortici d’acqua o alle esperienze spesso spaventose a bordo degli aeroplani. Ma la turbolenza è prima di tutto un principio fondamentale e molto utile in natura che fornisce proprietà di miscelazione ottimali, consentendo il trasferimento efficiente di energia/informazioni nello spazio e nel tempo. La ricerca del secolo scorso ha dimostrato che la turbolenza costituisce il modo ottimale per far scorrere l’energia a cascata attraverso lo spazio-tempo su molte scale e che istituisce un principio organizzativo fondamentale dei sistemi fisici.³⁹ A livello pratico, è stato dimostrato che questo principio ha molte applicazioni importanti e rilevanti: dall’agitazione turbolenta durante la cottura che aiuta a mescolare gli ingredienti, alla ricerca di modi più efficienti dal punto di vista energetico per migliorare impianti chimici, aeroplani e mulini a vento.⁴⁰

Storicamente, la turbolenza è stata coniata nel 1508-14 da Leonardo da Vinci che dovette affrontare una delle sue sfide più difficili quando cercò di catturare l’ordine sottostante nei movimenti apparentemente casuali dell’acqua creando vortici. La narrativa al riguardo sostiene che da Vinci non avrebbe esitato a cercare di comprendere e rappresentare i principi generatori alla base di dinamiche così affollate. E così avrebbe coniato la frase turbolenza in italiano volgare, derivata da turba, la parola latina per “folle”. Questa caratterizzazione dei vortici a varie scale precede notevolmente le osservazioni seminali di Lewis Fry Richardson (1881-1953), pioniere delle previsioni meteorologiche matematiche, che descrisse l’importante principio della cascata di energia turbolenta.⁴¹

Richardson si basò sull’osservazione di Leonardo che proponeva che ci fossero vortici o gorghi di dimensioni diverse in un fluido, in cui ogni vortice corrispondeva ad un movimento di rotazione. Le interazioni tra vortici grandi e piccoli si scambierebbero energia, sotto forma di velocità o energia cinetica; questa fu chiamata cascata di energia e trasferirebbe energia attraverso scale, che corrispondono all’incirca alle dimensioni di diversi vortici. Questa cascata di energia è stata descritta nel già citato verso umoristico da Richardson: “I grandi vortici hanno piccoli vortici che si nutrono della loro velocità, e i piccoli vortici hanno vortici minori e così via fino alla viscosità…”

Queste osservazioni poetiche furono formalizzate dal matematico russo Andrey Kolmogorov (1903-87) nella sua rivoluzionaria teoria fenomenologica della turbolenza. Questa teoria, altamente influente, dimostra una legge fondamentale di ridimensionamento della potenza, rivelando i meccanismi chiave alla base della dinamica dei fluidi, vale a dire le cascate di energia che bilanciano la cinetica e la dissipazione viscosa. La legge del power-scaling spaziale è un segno distintivo della turbolenza e fornisce una descrizione matematica del precedente concetto di Richardson di vortici a cascata. Ciò si correla, notevolmente, con l’osservazione di Leonardo che postula che la costrizione della circonferenza verso il centro del vortice sarebbe più rapida della diminuzione dell’impeto dell’acqua, motivo per cui l’acqua ruota più velocemente vicino al centro.

Riallacciando l’argomentazione all’applicazione del paradigma della termodinamica ai segnali del cervello, si potrebbe proporre che la termodinamica della mente imponga che il cervello debba garantire la nostra sopravvivenza spostandoci il più lontano possibile dall’equilibrio. Sfortunatamente, il cervello è piuttosto lento, con i segnali che assume una scala di decine di millisecondi per viaggiare tra i neuroni, il che non lascia molto tempo per reagire alle cose pericolose nell’ambiente. Per molti anni, quindi, è rimasto un enigma come il cervello sia ancora in grado di elaborare così tante informazioni così rapidamente. La turbolenza risulta essere una risposta chiave a questa profonda domanda, dato che è il principio guida per lo scambio di energia/informazioni a tutti i livelli di ciò che concettualizziamo come natura.

Recentemente, il gruppo di ricerca di Deco, Sanz Perl, Vuust, Tagliazucchi, Kennedy e Kringelbach, avrebbe dimostrato⁴² che la necessaria condivisione rapida delle informazioni in tutto il cervello sarebbe resa possibile da turbolenti cascate di informazioni. Inoltre, sono stati in grado di dimostrare che l’orchestrazione necessaria per la sopravvivenza in un ambiente complesso viene resa possibile da turbolenti cascate di informazioni utilizzando rare connessioni anatomiche a lungo raggio. Ciò fornirebbe, come sostengono Kringelbach e Deco, la necessaria velocità di trasferimento delle informazioni affinché un piccolo spazio di lavoro globale di regioni agisca come direttore⁴³ per l’orchestrazione della coscienza.

Nel complesso, la domanda di Schrödinger su cosa ci fa sopravvivere, accennata all’inizio di quest’argomentazione, potrebbe ugualmente essere posta in termini di come il cervello consente il grado ottimale di miscelazione tra informazioni intrinseche ed estrinseche. A quanto pare, la turbolenza è il metodo ottimale della natura per mescolare e trasmettere energia/informazioni nel tempo e nello spazio nel modo più efficiente. I nuovi risultati della ricerca, brevissimamente presentati, mostrano che il cervello utilizza chiaramente la turbolenza nella sua ricerca per rimanere lontano dall’equilibrio per sopravvivere. In quanto tali, ed è questa l’importanza partica dell’argomentazione, turbolenza e disequilibrio termodinamico sono due facce della stessa medaglia di come il cervello sia guidato e navighi nell’ambiente. Questi principi ci consentirebbero non solo di sopravvivere ma anche, di tanto in tanto, di prosperare.

______________Note _________________

1 Morten L Kringelbach & Gustavo Deco. The turbulent brain. In AEON, 22 February 2022

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