Coscienza
Neuroscienze
Distinguere fra:
sistemi veramente tali (unitari)
e
semplici aggregati
Stuart Sutherland (voce “Coscienza” nel suo
Dizionario di psicologia, 1989):
“La coscienza è un fenomeno affascinante
ma elusivo, è impossibile specificare cos’è,
cosa fa o perchè si è evoluta. Non è stato
scritto nulla al riguardo che valga la pena di
essere letto.”
Thomas Nagel: “Certe forme di perplessità
per esempio in merito alla libertà, alla
conoscenza e al significato della vita mi
sembrano incorporare più perspicacia di una
qualsiasi delle presunte soluzioni a questi
problemi”.
Nicolas Humphrey: “Mi conforta pensare che
se e quando alla fine otterremo una
spiegazione scientifica della coscienza, essa
dovrà, per lo meno, essere una spiegazione su
un piano diverso da tutti gli altri”
“La filosofia è scritta in questo grandissimo
libro che continuamente ci sta aperto innanzi
ai nostri occhi (io dico: l’universo), ma non si
può intendere se prima non s’impara ad
intender la lingua, e a conoscer i caratteri,
ne’ quali è scritto.
Egli è scritto in lingua matematica, e i
caratteri son triangoli, cerchi, ed altre figure
geometriche, senza i quali mezi è impossibile
a intenderne umanamente parola; senza
questi è un aggirarsi vanamente per un
oscuro laberinto”.
Galileo, Saggiatore, 1623
Molti significati
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Autocoscienza
Coscienza morale
Stati di coscienza
…
Coscienza percettiva
1 mm3 of cortex:
50’000 neurons
10’000 connections/neuron
(= 500 million connections)
3 km of axons
whole brain (2 kg):
1011 neurons
1015 connections
8 million km of axons
 with the axons of 18 brains
you can cover the sun-earth distance
Differenziazione
Claude
Shannon
1916-2001
Informazione
come riduzione
dell’incertezza
+ informazione =
+ alternative
scartate
Teoria dell’informazione
Lancio di una moneta (testa o croce)
Se la moneta non è truccata:
p(testa) = p(croce) = 0.5  2 stati, ugualmente probabili,
costituiscono l’intero repertorio a disposizione della moneta.
Quantità di informazione = 1 bit (1 bit = scelta tra 2 esiti
possibili aventi uguale probabilità).
[log2(2) = 1 bit]
Lancio di un dado (6 facce)
Se il dado non è truccato:
p(1)=p(2)=p(3)=p(4)=p(5)=p(6) = 0.167  6 stati, ugualmente
probabili. Il repertorio di stati possibili è dunque più grande
per il dado che per la moneta.
[log2(6)=2.58 bit]
Lancio di un dado truccato
L’esito “1” è molto più probabile degli altri esiti. Ad
esempio p(1) = 0.5; p(2), p(3), p(4), p(5), p(6) = 0.1.
Repertorio meno differenziato. Il repertorio dipende
non solo dal numero ma anche dalla probabilità degli
eventi possibili. Esempio: dado truccato in cui esce
sempre 1: informazione = 0 bit.
Shannon: misura dell’ “incertezza”:
M
H(X) = -  pm log2 pm
m-1
Misura adeguatamente quanto è differenziato un sistema
Integrazione
Benché dalla prospettiva di un osservatore esterno una telecamera
appaia come un oggetto unitario, essa in realtà non lo è. Dal punto di
vista intrinseco, il sensore della telecamera non è altro che una
collezione di fotodiodi completamente indipendenti tra loro. Infatti, il
sensore può essere tagliato in due, in quattro, o in tutte le sue parti,
senza che la sua funzione si modifichi: l’immagine composta dallo
schema di attivazione (luce/buio) dei singoli fotodiodi rimane invariata.
Le cose stanno in modo ben diverso nel caso del cervello. Quando il
cervello discrimina uno stato tra gli innumerevoli possibili, lo fa come
un tutt’uno. Per questa ragione, non è possibile entrare in più di uno
stato cosciente alla volta: o vediamo il vaso o i due volti. E, per la stessa
ragione, quando il cervello è diviso in due anche la coscienza si divide
in due: la coscienza ospitata nell’emisfero destro vedrà solo il volto di
sinistra, e viceversa. Quando il cervello viene tagliato in più parti,
come accade nel caso del «danno assonale diffuso», la coscienza
addirittura sparisce lasciando il paziente in uno stato vegetativo.
EEG
TMS
Calcolo della complessità
Strutture che non partecipano direttamente all’esperienza cosciente. I cerchi bianchi rappresentano gli
elementi di ogni struttura, le frecce indicano il verso e la direzione delle connessioni. Le aree grigie
indicano i complessi formati dagli elementi del sistema. Le aree più scure e quelle più chiare indicano,
rispettivamente, quantità elevate o ridotte d’informazione. I valori numerici (Φ) che esprimono la capacità
di integrare informazione sono stati ottenuti con simulazioni al computer. In tutti i casi considerati,
l’aggiunta di un certo numero di elementi (appartenenti ai sistemi sensoriali, motori, attivanti e nuclei della
base) al complesso talamocorticale forma un aggregato più grande che contiene, tuttavia, un anello debole
e che ha Φ più bassa. Secondo la teoria, questi sistemi possono influenzare la coscienza ma non possono
accedervi direttamente, perché non fanno parte del nocciolo duro dell’informazione integrata.
Recupero della complessità durante il sonno
REM. Questa figura mostra i risultati ottenuti
durante gli esperimenti TMS-EEG in sonno
REM. Le mappe cerebrali raffigurate a sinistra
riportano le aree cerebrali che si attivano
nelle varie condizioni (veglia, sonno non-REM
e sonno REM) a seguito dell’impulso TMS. Il
colore sulla mappa corticale indica il tempo
di attivazione da 0 a 300 millisecondi (blu:
attivazioni precoci; rosso attivazioni tardive).
Durante la veglia si attivano, con tempi
diversi, aree vicine e lontane dallo
stimolatore producendo uno schema di
attività complesso. La complessità è perduta
durante il sonno non-REM, quando la
risposta corticale alla TMS rimane localizzata
e si esaurisce precocemente. Durante il
sonno REM la propagazione dell’attivazione
iniziale e la complessità mostrano un netto
recupero. Il soggetto, una volta risvegliato da
questo stato, riporta una complicata
esperienza onirica
Costruzione di una scala di riferimento. La parte sinistra della figura illustra il principio adottato per quantificare la
complessità. L’eco cerebrale registrato dopo la perturbazione viene trattato come un’immagine bidimensionale e viene
compresso utilizzando gli stessi algoritmi impiegati per «zippare» i file digitali. Quanto più l’eco è diffuso e differenziato,
tanto meno sarà comprimibile e tanto più elevati saranno i valori di complessità. La parte destra della figura riporta i dati
sperimentali. I valori di complessità ottenuti in presenza di coscienza (veglia) sono sempre più elevati di quelli ottenuti in
condizioni in cui la coscienza è assente (sonno e anestesia). I pazienti locked-in (LIS) e quelli in stato di coscienza minima
(MCS) hanno valori invariabilmente superiori al massimo valore riscontrato in assenza di coscienza (linea tratteggiata). I
pazienti con diagnosi clinica di stato vegetativo (VS) che superano questa soglia sono da considerarsi coscienti.
A conceptual structure completely specifies both the quantity
and the quality of experience: how much the system exists.
The quantity or level of consciousness is measured by its max
value (i.e. the intrinsic irreducibility of the conceptual structure)
Which way it exists—the quality or content of consciousness—is
specified by the shape of the conceptual structure. If a system
has max=0, meaning that its cause–effect power is completely
reducible to that of its parts, it cannot lay claim to existing.
If max>0, the system cannot be reduced to its parts, so it
exists in and of itself. More generally, the larger max, the more
a system can lay claim to existing in a fuller sense than systems
with lower max.
According to IIT, the quantity and quality of an experience are an
intrinsic, fundamental property of a complex of mechanisms
in a state.
La morte cerebrale come nuovo criterio di
morte
- Morte definita in passato in base all'arresto
del circolo e del respiro
- Introduzione delle tecniche di rianimazione
- Introduzione del concetto di ‘morte
cerebrale’
- Accertamento problematico, ci sono stati
sempre dubbi riguardo alla possibilità di
riconoscere tempestivamente la morte senza
dover attendere i fenomeni putrefattivi.
- In particolare, nel ‘700 si era diffusa in
Europa una vera e propria ondata di timor
panico della morte apparente e del
seppellimento prematuro (misure:
osservazione prolungata dei cadaveri in luoghi
a ciò dedicati, obbligatorietà del certificato
medico di morte).
Come entrare nel mondo soggettivo?
Criteri comportamentali (gold standard)
Verbal communication
Response to various stimuli / commands
Non-reflexive motor behaviour (visual tracking)
Se l’esito è positivo, ok – ma se è negativo?
“Dobbiamo stabilire se l’individuo c’è o non c’è”
L’assenza della prova non è la prova dell’assenza!
2006
30 pazienti su 31 studiati (in tutto) con questa tecnica non erano in
grado di “utilizzare questo trucco” per comunicare (New Engl J of Med).
Varie cause (lesioni distribuite > problemi attentivi, aprassia, afasia,
agnosia…).
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Coma
Stato vegetativo (SV)
Mutismo acinetico
Minimal conscious state (MCS)
Locked-in syndrome (LIS)
Il coma
- disturbo di coscienza di grado maggiore.
- definizione semplice: stato in cui sono abolite sia la vigilanza (stati di coscienza)
che la consapevolezza (contenuti della coscienza).
- può somigliare al sonno, da cui si differenzia dall’impossibilità di essere svegliati
con stimoli uditivi o tattili ad alta intensità o dolorosi che abitualmente lo
interrompono.
- cause: lesioni dirette dell’encefalo (trauma, ischemia/emorragia, ipossia,
tumore), in particolare quelle che colpiscono la formazione reticolare, lesioni di
altre parti dell’encefalo che causano una compressione del tronco, intossicazioni
da droghe o farmaci, alterazioni del metabolismo che si ripercuotono
diffusamente sull’attività troncoencefalica (insufficienza respiratoria, epatica,
renale). Coma farmacologico.
- durata limitata: di solito meno di 1 mese. Successivamente, nei casi più gravi si
ha la morte, in quelli meno gravi il paziente inizia il risveglio, che può presentarsi
nei tempi e forme più diversi.
- non è detto che il recupero delle funzioni fisiche vada di pari passo con quelle
della coscienza ( stato vegetativo, quando la consapevolezza ‘resta indietro’).
Grave: GCS ≤ 8
Moderata: GCS 9-13
Minore: GCS ≥ 14.
Lo stato vegetativo (SV)
- Paziente che appare vigile, ma privo di qualsiasi “contenuto di coscienza”
(consapevolezza) riguardo sè e il mondo esterno.
- Stato che segue quasi sempre il coma, con cui condivide le cause (e con cui è spesso
confuso). Solo raramente il trauma porta direttamente allo SV, es.: Alzheimer,
anencefalia, idrocefalo congenito.
- Generalmente seguito da risveglio. “SV persistente” se dura più di 1 mese; “SV
permanente”: trascorso un periodo di tempo dipendente da cause e circostanze si
formula la prognosi di irreversibilità.
- Apre gli occhi e riprende (rispetto al coma) un apparente ciclo sono-veglia, non
regolare e non scandito dal ciclo luce-buio esterno
- Non risponde in modo appropriato ad alcuno stimolo e non ha attività gestuali
- Gli occhi non seguono gli stimoli visivi, le pupille reagiscono agli stimoli luminosi
- Funzioni del tronco encefalico: attive almeno parzialmente
- Movimenti del viso simili a smorfie, vocalizzazioni grezze (es.: grugniti)
- No supporti artificiali per respirazione, circolazione, controllo temperatura corporea
- Necessita di alimentazione e idratazione artificiali,
completa dipendenza dal personale di cura
Stato vegetativo (SV)
- nei casi più tipici, la lesione distruttiva connessa con lo SV riguarda l'intera
corteccia cerebrale (es.: anossia che segue un arresto cardiaco non prontamente
rianimato). L'impulso nervoso afferente non raggiunge la sua sede finale,
indispensabile perché nasca ciò che chiamiamo 'sensazione'.
- chi si trova in stato vegetativo permanente può sopravvivere mesi o anni anche in
assenza di ventilazione meccanica e di altre terapie di sostegno vitale.
- gli impulsi raggiungono comunque le aree sottocorticali e ciò spiega la
conservazione di una certa reattività agli stimoli esterni, ma questa ha il carattere di
attività riflessa (automatica) e non è modificabile dall'apprendimento.
- sapere che si tratta di reazioni automatiche non impedisce che sia emotivamente difficile,
davanti a un paziente in SV che mostra certe risposte a rumori o a stimoli dolorifici, non
pensare a una qualche forma di consapevolezza. Accade anzi comunemente che i familiari del
malato, osservando con particolare attenzione le sue reazioni, tendano a interpretarle come
risposte volontarie, coscienti, e le considerino segni di un inizio di ripresa. Non è raro, in effetti,
che quando una ripresa si manifesta realmente con deboli segni il primo a scoprirli sia proprio
un familiare, ma purtroppo una buona parte delle segnalazioni di questo genere ha per
fondamento soltanto un'errata interpretazione dei fatti.
Il mutismo acinetico
- situazione piuttosto rara, in cui la consapevolezza è almeno in
parte conservata mentre i movimenti e il linguaggio sono
estremamente rallentati o del tutto assenti.
- il paziente appare vigile, tiene gli occhi aperti e con essi, a
differenza di quanto accade nello SV, segue gli oggetti e le persone
che si muovono intorno a lui, ma non presenta che rarissime
iniziative motorie o verbali.
- viene cioè a mancare l'iniziativa motoria e la capacità di
attenzione selettiva: i malati sono invincibilmente e passivamente
attratti da qualunque stimolo gli si presenti, senza riuscire a
mettere in atto alcuna intenzione.
- il danno anatomico sottostante interessa la parte mediale dei lobi
frontali e la parte anteriore della circonvoluzione del cingolo, che
sappiamo importante per i meccanismi dell'attenzione selettiva.
Minimal conscious state (MCS)
- entità nosologica emersa di recente (anni Novanta)
- situazione in cui versano alcuni pazienti che in un primo tempo si trovano
in SV ma che poi, trascorso un periodo più o meno lungo dall'episodio acuto,
manifestano indizi di ripresa del contatto con l'ambiente, anche se tenui e
incostanti.
- talora questi indizi rappresentano effettivamente una fase di transizione
verso una piena ripresa di coscienza (in questo caso si parla di 'MCS
transitorio'), talaltra invece persistono senza migliorare ('MCS permanente').
- la diagnosi non è facile e, recentemente, un gruppo di lavoro
multidisciplinare, del quale facevano parte anche rappresentanti degli
interessi dei malati, ha concluso che per la diagnosi e la prognosi di MCS non
esistono precise linee guida universalmente condivise.
- questi hanno proposto di definire tale stato come una condizione di
alterazione severa della coscienza nella quale esiste una minima ma certa
prova comportamentale della consapevolezza di sé o dell'ambiente.
Locked-in syndrome (LIS) (Plum & Posner 1966)
cerebromedullospinal disconnection
Pseudocoma
de-efferented state
ventral pontine syndrome
- dal punto di vista comportamentale è molto simile allo SV,
con cui non va confusa.
Brains locked-in:
motor outputs
and pathways are
not necessary for
consciousness,
nor are they
sufficient
- causa più comune: lesione ischemica del tronco encefalico, più raramente: fase
terminale di malattie del SNP, come la SLA.
- è una delle situazioni più drammatiche in cui un uomo possa trovarsi.
- il paziente ha consapevolezza (è vigile e cosciente e in grado di respirare
autonomamente) ma non può effettuare output motori a causa di una completa
paralisi dei muscoli volontari eccetto gli occhi ( interruzione delle vie efferenti).
- incapacità di parlare, paziente cognitivamente sano.
- communication with others is demanded to coded messages, by blinking or moving
eyes which are often not affected by the paralysis.
- Total locked-in syndrome: eyes are paralyzed as well.
- Alcuni pazienti possono muovere qualche muscolo facciale, comunque non c’è
coordinamento fra voce e respiro, il che impedisce la fonazione (le corde vocali non
sarebbero paralizzate).
Misure TMS/EEG di complessità nei pazienti.
Il pannello A illustra esempi tipici delle risposte
ottenute in diverse categorie di pazienti (in stati
vegetativo, di minima coscienza e affetti da
sindrome locked-in). La stimolazione di aree
sane nel cervello di pazienti vegetativi induce
sempre un’onda di attivazione semplice, simile
a quella osservata durante sonno e anestesia.
Nei pazienti locked-in, invece la risposta è
invariabilmente indistinguibile da quella
ottenuta in soggetti sani durante la veglia.
Sorprendentemente, lo stesso schema di
attività complesso è osservato nel cervello di
pazienti in stato di minima coscienza, a dispetto
di segni clinici di coscienza che sono incerti e
fluttuanti. Il pannello B riporta i risultati
ottenuti in misurazioni ripetute eseguite in una
paziente durante il recupero dal coma. La prima
misurazione è condotta non appena la paziente
esce dal coma ed entra nello stato vegetativo
(occhi aperti). In questo caso, la risposta è
ancora semplice e locale. Una misurazione
effettuata 10 giorni dopo rivela uno schema di
attività decisamente complesso, nonostante la
paziente permanga dal punto di vista clinico
in uno stato vegetativo. Sette giorni dopo, la
paziente recupera coscienza ed è in grado di
comunicare.
Misura ciò che è misurabile
e rendi misurabile ciò che non lo è
(Galileo Galilei)
perché...
(Alfredo Brancucci)
Solo ciò che è misurabile è migliorabile
(Thomas Kuhn)\
BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE
ARTICOLI
Consciousness: here, there and everywhere?
Tononi G, Koch C. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2015; 370(1668).
From the phenomenology to the mechanisms of consciousness:
Integrated Information Theory 3.0.
Oizumi M, Albantakis L, Tononi G. PLoS Comput Biol. 2014; 10(5):e1003588.
Qualia: the geometry of integrated information.
Balduzzi D, Tononi G. PLoS Comput Biol. 2009; 5(8):e1000462.
Consciousness as integrated information: a provisional manifesto.
Tononi G. Biol Bull. 2008; 215(3):216-42.
Consciousness and complexity.
Tononi G, Edelman GM. Science. 1998; 282(5395):1846-51.
LIBRI
PHI: un viaggio dal cervello all’anima (Tononi, Codice, 2014).
Nulla di più grande (Tononi e Massimini, Baldini&Castoldi, 2013).
Galileo e il fotodiodo (Tononi, Laterza, 2003).
Un universo di coscienza (Edelman e Tononi, Einaudi, 2000).