NEUROSCIENZE, LIBERTÀ E RESPONSABILITÀ
3° convegno di “Scienza e Fede” congiunto, 17-19 giugno 2011
Fisica del Sistema Nervoso e
Soggettività
G. M. Prosperi
Dipartimento di Fisica
Università di Milano
Francis Crick
“Voi con le vostre gioie e i vostri dolori, le vostre
memorie e le vostre ambizioni, il vostro senso di
identità personale e il vostro libero arbitrio, voi
non siete altro che il risultato del comportamento di un vasto assortimento di celule
nervose e di molecole ad esse associate. Come
avrebbe detto l’Alice di Lewis Carrol: Non siete
altro che un fascio di neuroni.”
Benjamin Libet
“ … i fenomeni mentali relativi alla coscienza non
sono spiegabili con la conoscenza dell’attività
delle cellule nervose, né si possono ricondurre
a essa. Guardate nel cervello: vedrete le
connessioni neurali relative alla coscienza che
scoppiettano dappertutto, in quantità paurosa. Ma non vedrete nessun fenomeno mentale
soggettivo consapevole. Soltanto il resoconto
dell’individuo che ne sta facendo esperienza
potrà dirvene qualcosa.”
Fisica e Soggettività
• Gli organismo viventi sono formati dalle stesse particelle,
atomi e molecole che formano il mondo inanimato.
• Tutti i processi che in essi si svolgono devono quindi poter
essere descriti usando la stessa Fisica.
• Questo è vero in particolare per i processi che si svolgono
nel nostro sistema nervoso e quindi nel nostro cervello.
• La Fisica corrisponde, però, ad un particolare angolo visuale
sotto cui guardare la realtà.
• Per una scelta metodologica fondamentale essa pone tra
parentesi la soggettività e non può poi, salvo gravi petizioni
di principio, pretendere di accedere ad essa.
Scelte metodologiche.
• Già con Galileo: restrizione alla considerazione delle sole
qualità primarie , cioè agli aspetti misurabili e quantificabili
degli oggetti, con esclusione delle qualità secondarie, legate
alla percezione soggettiva.
• Oggi: definizione operativa delle grandezze.
• Considerazione delle sole cause efficienti.
• Adozione del linguaggio matematico e di un insieme di
convenzioni precisamente codificate.
• Metodo ipotetico deduttivo , con costruzione di modelli o
teorie suscettibili di verifica empirica e giustificati sulla base
del loro potere esplicativo e predittivo .
Sono queste scelte costitutive
• Che fanno della Fisica una scienza pubblica.
• Le cui conclusioni teoriche sono verificabili da
chiunque abbia gli strumenti matematici necessari.
• Gli esperimenti di controllo delle teorie in linea di
principio sempre ripetibili.
• Una scienza le cui affermazioni sono almeno in
determinati ambiti in qualche modo
incontrovertibili.
• Sono queste le ragioni del suo grande successo, ma
sono quelle che ne fissano i limiti.
La Fisica presuppone la soggettività.
• Per precisare il suo metodo, introdurre i suoi concetti,
stipulare le sue convenzioni linguistiche, stabilire i
protocolli di controllo, essa deve far riferimento al
linguaggio naturale.
• Quindi ad un insieme di concetti che si radicano su nostre
esperienze primarie, che ciascuno deve rivivere in proprio,
che non possono di per se neppure essere comunicate.
• Sono di questo tipo concetti molto fondamentali, come
quelli di essere, sentire, capire, verità, implicazione.
• Ma anche esperienze come la percezione del fluire degli
eventi, quella della spazialità, della luce, del suono, del
calore, tutte alla base di importanti precocncezioni.
Tutte queste preconcezioni ed esperienze soggettive
sono però poi messe tra parentesi e sostituite con
definizioni operative impersonali.
• Come risultato una teoria fisica conosce necessariamente solo la
terza persona, non vi è posto nella Fisica per la prima persona.
• Esperienze come quelle dei qualia, di una coscienza di se, di una
propria identità personale non sono neppure esprimibili nel
linguaggio della Fisica.
• Tutti noi che siamo qui, siamo dal punto di vista della Fisica semplici
automi impersonali. Io ho esperienza di questo mio corpo come il mio
corpo, voi del vostro come il vostro corpo. Ma non c’è posto nella
Fisica per concetti come mio, tuo, suo.
• Possiamo descrivere dal punto di vista della Fisica i processi che si
svolgono nel nostro cervello in relazione ad una nostra esperienza
sensoriale, ma i concetti attraverso cui lo facciamo sono
incommensurabili con la nostra esperienza soggettiva.
Fisica della percezione visiva: la retina.
Schema semplificato di alcune interconnessioni tra le cortecce
visive di ordine inferiore e le strutture sub corticali correlate.
La nostra percezione delle forme e del colore non può essere ritrovata
nella descrizione dei processi fisici che si svolgono nel nostro sistema
nervoso ad essa correlati ed espressa in termini di potenziali di
membrana, flussi di ioni, cambiamento di conformazione di molecole
• L’unico modo di trasmettere ad un’altra persona, per esempio un
bambino, la nozione del colore è di farle rivivere l’esperienza che l’ha
prodotta in noi.
• Nessuna descrizione dei processi fisici che si svolgono nel nostro
occhio e nel nostro cervello può servire a comunicare ad un daltonico
la differenza tra il verde ed il rosso.
• L’associazione che viene stabilita tra le nostre percezioni coscienti e
l’attivazione di certe aree corticali richiede l’interrogazione del
soggetto, perciò presuppone e non da ragione , dell’esistenza di una
coscienza.
• La Fisica in virtù del suo metodo coglie solo un aspetto della realtà.
L’emergere della soggettività non può essere compreso nel suo solo
contesto, ma necessariamente lo trascende.
Complementare al punto di vista della Fisica è quello
dell’introspezione.
Noi abbiamo in particolare coscienza di una nostra
identità personale
• Questa ci appare come assolutamente singolare, una, irripetibile e
irriducibile ad altro.
• Per analogia e per la possibilità di comunicare con gli altri uomini al
livello verbale, noi non possiamo non riconoscere anche in essi una
simile identità.
• Resta invece aperto il problema della misura in cui si possa attribuire
una sorta di autocoscienza anche ad altri animali superiori con cui
possiamo avere solo una comunicazione non verbale.
• Strettamente legata alla coscienza di noi stessi è anche la percezione
di una nostra sfera di libertà (sia pure nel contesto di importanti
condizionamenti).
Dopo Hume la stessa significanza del concetto di
io è stata messa in discussione
• E. Mach, L’analisi delle sensazioni:
“Il mondo non consiste … in essenze misteriose le quali
interagendo con un'altra essenza altrettanto misteriosa,
l’io, generano le sensazioni … I colori, suoni, spazi, tempi, …
sono per noi provvisoriamente gli elementi ultimi.”
Col termine corpi vengono indicati “… complessi coordinati
nello spazio e nel tempo di colori, suoni, pressioni … “
Col termine io viene designato un “ … complesso di ricordi,
disposizioni, sentimenti legati ad un particolare corpo.”
• Ma il termine sensazione non presuppone per sé un
soggetto ed un oggetto della sensazione?
DOUGLAS R. HOFSTADTER
GOEDEL, ESCHER, BACH: an eternal golden braid.
p. 384 : Dove è il senso di sé?
Volgendoci indietro a ciò che abbiamo discusso potremmo dirci,
“Queste speculazioni sul cervello e sulla mente sono belle e buone, ma cosa si può
dire del sentimento della coscienza? Questi simboli possono ben generarsi l’un l’altro,
ma senza qualcuno che percepisca l’intera cosa, non c’è coscienza”
Un tale discorso ha un senso ad un certo livello della nostra intuizione ma non ha
senso dal punto di vista logico. Se non è già coperto da quanto detto infatti, noi
saremmo costretti a cercare il meccanismo per cui percepiamo. Ovviamente un
“animista” non avrebbe bisogno di guardare oltre, egli potrebbe semplicemente
affermare che chi percepisce tutta questa azione neurale è l’anima, che non può
essere descritta in termini fisici. Ma noi vorremmo tentare dell’origine della coscienza
una spiegazione non “animista”.
La nostra alternativa alla spiegazione animista è quella di fermaci al livello dei
simboli e dire “Questo è ciò che è la coscienza. La coscienza è quella proprietà di un
sistema che appare ogni volta che esistono nel sistema dei simboli che seguono
schemi di generazione del tipo descritto nei paragrafi precedenti”. Messo così
brutalmente, questo discorso può sembrare inadeguato. In che modo esso da ragione
del senso di un “io”, del senso di sé?
Ogni tentativo di negare il carattere irriducibile della
coscienza a porta necessariamente a circoli viziosi.
Il riconoscimento che la nostra soggettività trascende la Fisica non porta
necessariamente ad una concezione dualista del tipo impersonato da
Cartesio e sostanzialmente riproposta da J. Eccles e K. Popper.
• Tale concezione non è solo ovviamente rifiutata dai riduzionisti ma è
anche avversata dalla maggior parte dei teologi (almeno cattolici)che
rifacendosi attraverso S. Tommaso ad Aristotele piuttosto che a
Platone difendono l’unità dell’essere umano.
• A Cartesio si rimprovera tra l’altro che attraverso la sua separazione
netta tra Res Cogitans e Res Estensa ha di fatto aperto la strada alla
pretesa di riduzione dell’una entità all’altra (Materialismo o
Idealismo).
• Il senso dell’affermazione è che l’angolo visuale della Fisica e quello
dell’introspezione colgano aspetti distinti della stessa realtà che si
compongono ad un livello superiore.
• Bohr parlava di aspetti complementari , Nicola Dallaporta di una
dimensione orizzontale di una dimensione verticale, Teilhard de
Chardin di un senso esterno ed un senso interno di tutte le cose.
Tra le nostre esperienze fondamentali è la percezione
di una sfera di libertà nell’agire
pur nel contesto di importanti condizionamenti.
• Questa sensazione di libertà è considerata illusoria da alcuni studiosi
che cercano piuttosto di spiegare come nasca questa illusione.
• Nessun dato sperimentale suggerisce, tuttavia, una tale ipotesi.
• Gli esperimenti di Libet sulla consapevolezza ritardata mostrano
semmai i modi in cui questa libertà viene esercitata.
• L’unica giustificazione della negazione di un libero arbitrio sarebbe
nel determinismo fisico che regolerebbe i nostri processi cerebrali.
• Ma : 1) la nostra esperienza soggettivava al di là del campo di
applicabilità della Fisica; 2) La Fisica odierna non è deterministica.
• Il nostro sistema nervoso è un sistema altamente complesso, in esso
intervengono fenomeni molecolari singoli, ed è estremamente
plausibile che le fluttuazioni quantistiche emergano al livello
macroscopico.
Il nostro sistema nervoso ha una struttura a rete,
estremamente complessa ed un comportamento
altamente non lineare.
• I processi che vi si svolgono sono fondamentalmente regolati dal
cambiamento di conformazione di alcune macromolecole per la
comprensione dei quali il ricorso alla Teoria Quantistica risulta
essenziale.
• Un sistema complesso, anche regolato da leggi deterministiche è
estremamente instabile rispetto alle condizioni iniziali. Come messo
in evidenza teoricamente da Poincaré e verificabile attraverso
simulazioni numeriche , già un sistema di tre corpi in semplice
interazione gravitazionale rientra in questa categoria. Ciò che rende
stabile il sistema planetario sono gli alti rapporti di massa tra il sole i
pianeti, tra i pianeti e i loro satelliti.
• L’emergere al livello macroscopico delle fluttuazioni quantistiche
diviene allora estremamente plausibile.
Ci si può domandare se la precedente circostanza possa
aiutare a risolvere il problema della compatibilità tra libero
arbitrio e descrizione fisica dei processi cerebrali
• Consideriamo allo scopo una nostra reazione a certi stimoli esterni,
che supponiamo di percepire come frutto di una libera scelta.
• Se ponendoci in una prospettiva simile a quella di Laplace
supponessimo di conoscere in ogni dettaglio l’architettura del nostro
cervello e il suo stato nel momento d’interesse, se fossimo capaci di
risolvere la complessissima equazione di Schroedinger e volessimo
studiare dal punto di vista della Fisica le sue reazioni agli input
esterni, troveremmo con ogni plausibilità un pluralità di risposte
possibili con distinte probabilità.
• Dal punto di vista della Fisica la specifica scelta apparirebbe
puramente casuale, dal punto di vista della introspezione essa
apparirebbe però come una scelta intenzionale.
Immagine di un motoneurone
Trasporto attivo di ioni attraverso la membrana
Canali elettrosensibili, esperimenti di “Voltage
clamp”, potenziale d’azione.
Esperimenti di “patch clamp”
Molecola del butano: CH3-CH2-CH2-CH3
varie conformazioni
H3-CH2-CH2-CH3
.
Potenziale angolare
Varie conformazioni possibili
Il legame peptidico
Struttura spaziale del legame peptidico
STRUTTURA PRIMARIA E SECONDARIA DI UNA
PROTEINA
MODELLO TEORICO E IMMAGINE REALE DELLA
MIOGLOBINA
Struttura schematica di canali elettrosensibili del
sodio e del potassio
Struttura del poro semplice del potassio KcsA
(probabile ascendente evolutivo di tutti i canali)
meccanismo di selezione degli ioni
Struttura del poro di un canale KcsA
Idratazione di ioni metallici in acqua
Stato chiuso e aperto di un canale del potassio
dipendente dal potenziale
Struttura del bottone presinaptico
Riempimento di una vescicola
Scarica di neurotrasmettitore
Modello cinetico di un canale nAChR
Diagramma degli stati chiusi, aperti e desensibilizzati
Rilevazione delle aperture e chiusure di singoli canali nAChR
di bovino fetale e adulto in un esperimento di pacht clamp in
presenza di una soluzione esterna di 500 nM/litro
Connessioni all’interno di un modulo corticale
Conclusioni
• I processi che si svolgono nel nostro sistema nervoso sono
interamente descrivibili nel contesto della Fisica.
• Essi rappresentano però solo una condizione necessaria per
l’emergere della coscienza. Per ragioni intrinseche al metodo stesso
con cui procede, la Fisica non può dare ragione della soggettività, le
cui problematiche non sono nel contesto di essa neppure formulabili.
• La coscienza di una propria identità personale e di una propria sfera
di libertà trascendono necessariamente la Fisica e non possono
essere comprese né contestate sulla base di essa.
• A motivo della complessità del nostro sistema nervoso, comunque,le
leggi quantistiche che regolano il comportamento delle singole
strutture molecolari emergono con ogni plausibilità al livello
macroscopico rendendo i processi che lo riguardano essenzialmente non deterministici. E’ controverso ma questa circostanza
potrebbe essere rilevante per una comprensione della compatibilità
tra il piano della Fisica e quello rivelato dall’introspezione .
Disposizione spaziale di alcune molecole
SOGGETTIVITA’ E FISICA DEL SISTEMA NERVOSO
• L’emergere nell’atto ultimo dell’evoluzione della
coscienza di sé e più in generale di una soggettività
trascende invece necessariamente le stesse
categorie della Scienza Naturale
• La comprensione dei correlati fisici delle nostre
percezioni, emozioni, comportamenti, stati di
coscienza è riconducibile alla struttura dei nostri
circuiti nervosi e alle proprietà dei canali ionici.
• La soggettività in se stessa non è però neppure
esprimibile all’interno di quelle categorie.
STRUTTURA TERZIARIA E QUATERNARIA
Schema di funzionamento della
pompa sodio-potassio