I cambiamenti costanti tra gli stati mentali segnano una firma della coscienza

Immagina di guidare per lavorare lungo lo stesso percorso che percorri ogni giorno. La tua mente vaga da una cosa all’altra: lo staff che si incontra nel pomeriggio, i piani per il fine settimana, un regalo che devi comprare per un amico. All’improvviso, un’auto ti interrompe e questi pensieri svaniscono immediatamente: tutta la tua attenzione si concentra sulla manovra del volante per evitare una collisione. Sebbene momentaneamente agitati, tu e i tuoi pensieri ritorni allo stesso modello errante un minuto o due dopo.

Mentre procediamo per le nostre vite di veglia, il nostro flusso di coscienza in genere scorre attraverso molte di queste alternanze tra introspezione e attenzione esteriore durante il giorno. Sembra che la danza avanti e indietro tra questi stati mentali interni ed esterni possa essere fondamentale per la funzione cerebrale. Un nuovo studio, condotto dal neuroscienziato Zirui Huang del Center for Consciousness Science presso l’Università del Michigan, suggerisce che il mutevole equilibrio tra una rete responsabile della consapevolezza dell’ambiente e un altro responsabile della consapevolezza di sé potrebbe essere una caratteristica distintiva della coscienza.

Le prove provengono dall’assenza di questo modello di attività cerebrale nelle persone rese non reattive, sia per anestesia che per patologie neuropatologiche. Oltre a migliorare la nostra comprensione della coscienza, il lavoro potrebbe portare allo sviluppo di tecniche per monitorarlo, sia prima dell’intervento chirurgico o durante il trattamento di persone con disturbi della coscienza, come i pazienti vegetativi o “bloccati”.

Negli ultimi due decenni, i neuroscienziati hanno identificato una rete di regioni cerebrali responsabili di vari tipi di introspezione, dal vagare della mente al ricordo e alla pianificazione. Il concetto di attività cerebrale “di base” ha iniziato ad attirare l’attenzione quando il neurologo Marcus Raichle e i suoi colleghi della Washington University di St. Louis hanno mostrato che il consumo di energia dell’organo è aumentato di meno del 5% quando ha svolto un compito mentale mirato, suggerendo che non è mai veramente inattivo . Nel 2001 Raichle ha coniato il termine “modalità predefinita” per descrivere questa attività. Linee di evidenza convergenti hanno quindi portato all’identificazione di regioni che comprendono la rete in modalità predefinita (DMN), che è alla base di questa cognizione auto-diretta.

L’attività nella DMN è “anticorrelata” con l’attività nella cosiddetta rete di attenzione dorsale (DAT): più una delle due reti è attiva, meno tende a essere attiva l’altra. L’attività nel DAT corrisponde all’attenzione diretta verso l’esterno, mentre il DMN è alla base della coscienza di sé. Questa disposizione fornisce un potenziale resoconto della nostra esperienza cosciente in termini di equilibrio reciproco tra due reti neurali contrapposte. “Non è né uno né l’altro; stai solo ribaltando un equilibrio “, afferma Raichle. “Facciamo scorrere avanti e indietro, ma sono entrambi in una certa misura”.

Una parte di questa ricerca è rimasta controversa a causa di un metodo utilizzato per pulire il rumore dai dati della scansione del cervello che alcuni ricercatori sostengono genererà sempre schemi anticorrelati come artefatto del trattamento dei dati. Nello studio, pubblicato mercoledì in Science Advances, Huang e i suoi colleghi hanno evitato il problema adottando un approccio che non utilizzava questo metodo di elaborazione. Hanno invece sfruttato le tecniche di apprendimento automatico per classificare i modelli di attivazione cerebrale in otto gruppi. Due di essi corrispondevano a DMN e DAT e sei sono collegati ad altre reti conosciute alla base delle funzioni cerebrali: la rete sensoriale e motoria, la rete visiva, la rete di attenzione ventrale, la rete fronto-parietale e due reti che rappresentano stati di attivazione cross-brain e disattivazione.

Per catturare l’attività cerebrale, il team ha utilizzato una tecnica chiamata imaging a risonanza magnetica funzionale allo stato di riposo (rsfMRI). Invece di mediare l’attività per lunghi periodi, che viene generalmente eseguita quando si utilizza rsfMRI per stimare quanto siano ben collegate le regioni, i ricercatori hanno voluto studiare come l’attivazione del cervello momento per momento si svolge nel tempo.

Hanno dimostrato che l’organo scorre rapidamente in diversi stati, corrispondenti a ciascuna delle otto reti, con alcune transizioni più probabili di altre, che Huang descrive come un “circuito temporale”. “In particolare, il cervello passa attraverso stati intermedi tra l’attivazione di DMN e DAT piuttosto che passare istantaneamente tra questi due estremi, che rappresenta i processi cognitivi di più alto livello.

I ricercatori hanno scansionato 98 partecipanti, che giacevano immobili ma coscienti o in uno stato che non rispondeva. Quest’ultimo è stato causato dall’anestesia del propofol o della chetamina o da una condizione neuropatologica nota come sindrome della veglia non rispondente, una condizione vegetativa risultante da una lesione cerebrale. Tutti questi stati che non rispondevano avevano una cosa in comune: il DMN e il DAT erano “isolati” dal costante fluttuare tra le reti del circuito temporale e praticamente non si attivavano mai.

Ogni tipo di mancata risposta variava in termini di meccanismi molecolari, circuiti neurali ed esperienze coinvolte (quelli sotto anestesia con chetamina riferivano allucinazioni, per esempio). Queste osservazioni potrebbero indicare che l’assenza di attività DMN-DAT è comune a qualsiasi forma di coscienza ridotta e che la sua presenza può essere una caratteristica necessaria della piena coscienza. “Che cosa [the researchers are] suggerire qui è: se si scherza con quell’equilibrio, si vede un costo nella coscienza ”, afferma Raichle, che non è stato coinvolto nello studio. “È un modo interessante di inquadrare [DMN-DAT activity]ed è descrittivo della nostra coscienza. Ma lo spiega? Non ne sono sicuro.”

In un altro esperimento, i ricercatori hanno dimostrato che suonare un suono ha aumentato l’attivazione della rete di attenzione ventrale (che reindirizza la nostra attenzione a stimoli inattesi) e ha soppresso l’attivazione della DMN in partecipanti coscienti ma non in quelli che non rispondono. Un esperimento di controllo finale ha valutato l’attivazione della rete in un database di scansioni cerebrali di pazienti psichiatrici. Gli scienziati non hanno trovato alcuna differenza tra questo gruppo e i partecipanti consapevoli in termini di attività DMN e DAT, dimostrando che la sua perdita è specifica per la ridotta reattività, non per qualsiasi forma di cognizione disordinata.

Vi erano anche differenze tra i vari stati che non rispondevano. Ad esempio, i partecipanti che hanno assunto la ketamina più frequentemente sono entrati negli stati di attivazione e disattivazione del cervello incrociato. Questo modello è stato osservato anche nelle scansioni dei pazienti schizofrenici, suggerendo che i modelli iperattivati ​​possono corrispondere a esperienze allucinatorie comuni sia all’uso della chetamina che alla schizofrenia. “Se tutti i processori condividono informazioni ovunque nel cervello, immagino che potresti perdere la differenza tra te e l’ambiente”, afferma Huang. “Tutto accade in una volta e hai distorsioni del tuo contenuto mentale.”

Il lavoro potrebbe potenzialmente essere utilizzato per sviluppare misure di coscienza per valutare l’efficacia dei trattamenti per i disturbi della coscienza o per il monitoraggio online dell’anestesia. “Una volta che le due reti sono diminuite, pensiamo che le persone non siano consapevoli del loro ambiente”, afferma Huang. Misure per valutare se un individuo è cosciente o no potrebbero aiutare i medici nella sala operatoria. Successivamente ha in programma di studiare i meccanismi neurali che regolano queste transizioni nel circuito temporale che comprende queste reti cerebrali: un’esplorazione di ciò che orchestra le dinamiche danzanti dell’attività cosciente.

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