Cascate, Anelli e Scosse Elettriche

Immaginate di stare passeggiando tranquillamente nel parco vicino a casa quando scorgete vicino al vostro piede una creatura viscida e allungata di un verde appena più scuro di quello dell’erba. A meno che abbiate trascorso moltissimo tempo in compagnia di serpenti e vi siate abituati a vederli comparire al margine del vostro campo visivo probabilmente balzerete via con uno scatto improvviso, il vostro cuore aumenterà il battito, vi sentirete improvvisamente accaldati e subito dopo inizierete a sudare. Durante questa manciata di secondi nel vostro organismo è avvenuto il riconoscimento di una situazione minacciosa, l’eccitazione dei circuiti nervosi sottostanti l’attivazione fisiologica e l’innesco dei motoneuroni responsabili della repentina reazione meccanica. Ma non finisce qui: una volta scampato il pericolo è necessario che una serie di processi antagonisti riportino l’equilibrio nel sistema nervoso, in particolare la corteccia prefrontale ha la possibilità di esercitare un influsso tranquillizzante, anche nel caso essa si renda conto che l’attivazione dei sistemi di difesa sia stata indotta da un falso allarme e non da una vera minaccia.
Quindi, se da una parte abbiamo un fenomeno in accelerazione, quello dell’eccitazione neuronale, dall’altro è presente un fenomeno frenante, l’inibizione riequilibrante in grado di riportare il corpo all’omeostasi. Una delle scienze più giovani e al tempo stesso più ramificate – la cibernetica – ha introdotto il linguaggio per parlare di questi due fenomeni nei termini di scambio di informazione: nel primo caso si parla di retroazione positiva, mentre nel secondo di retroazione negativa. Prima di definire formalmente questi eventi, vediamo più nel dettaglio cosa accade nell’organismo che individua e si prepara a fronteggiare un pericolo.

snakeUn serpente. Vi siete spaventati?

La retina di entrambi gli occhi, che fino al momento prima aveva ricevuto i fasci di onde omogenee che rimbalzavano sul prato, improvvisamente  viene raggiunta dai bordi di qualcosa di più scuro, che si sta muovendo secondo una ritmica particolare. Cosa succede nel cervello? I primi passaggi di elaborazione visiva sono molto poco intelligenti e hanno come obiettivo quello di eliminare il rumore di fondo e identificare le caratteristiche base degli oggetti, come colore ed orientamento; per cui quando l’immagine giunge al talamo – che è il relè sensoriale del cervello, il collo di bottiglia che smista i dati provenienti dall’esterno – l’informazione circa la sua identità è ancora piuttosto grossolana. A questo punto il talamo invia la maggior parte del segnale all’area V1 della corteccia striata, che si occupa della messa a fuoco e del completamento dell’immagine, mentre circa il dieci percento dei suoi output sono diretti alla piccola struttura sottocorticale chiamata amigdala. L’amigdala è la responsabile di due reazioni emotive molto antiche e dalla grande importanza adattiva, l’aggressività e la paura, che, grazie al collegamento diretto con il talamo, possono venire scatenate ben prima che le cortecce abbiano decifrato l’interezza della situazione visiva. Non appena lo stimolo percettivo che identifica una situazione potenzialmente nociva – o anche solo apparentemente nociva – è presentato all’amigdala, tutto il corpo viene allertato attraverso una cascata di impulsi eccitatori, e noi sobbalziamo. L’eccitazione neuronale è un buon esempio di retroazione positiva.

Ora, dovete sapere che i neuroni del cervello scaricano in continuazione, per rilascio spontaneo di neurotrasmettitore o perché colpiti di rimbalzo da qualche messaggio elettrico che non avrebbe dovuto coinvolgerli, eppure nella maggior parte dei casi queste attivazioni si estinguono da sole. Altrettanto spesso l’informazione si propaga nel cervello alla ricerca di ambienti fertili in cui poter essere amplificata e rielaborata, ma la maggior parte di questi segnali finisce in vicoli ciechi e scompare senza lasciare traccia. Affinché l’amigdala diventi per alcuni istanti il cuore pulsante del cervello, in grado di accendere all’intero sistema nervoso, deve accadere qualcosa di particolare. Il pattern di scariche con cui è rappresentata la sfocata immagine del serpente possiede una certa ritmica spaziale e temporale: di tutte le sinapsi che si attivano al contatto tra talamo e amigdala alcuni gruppi rappresentano la forma e altri il colore dell’oggetto-serpente, e il modo in cui essi mutano fornisce indicazioni sul movimento. Perché la vista di una margherita non ci fa schizzare via in preda al panico? Perché le scariche ad alta frequenza che rappresentano il pattern di colore, forma e movimento della margherita attivano neuroni amigdaoilei che non sono tra di loro connessi in maniera tale da poterne eccitare altri. I loro percorsi assonici sono discordi, disperdono il segnale elettrico.
Affinché un neurone scarichi è necessario che il suo ambiente interno si depolarizzi fino a una determinata soglia, e raramente questa soglia è raggiungibile con una sola dose di glutammato – che è un neurotrasmettitore eccitatorio. Solo nel momento in cui più e più impulsi arrivano con i giusti tempi su nodi collegati tra di loro in maniera ottimale diviene possibile la produzione scariche in grado di convergere e moltiplicarsi, divergere, reincontrarsi e moltiplicarsi nuovamente. Il feedback è positivo perché ogni evento elettrico accresce le probabilità che tale evento si ripeta nuovamente, nello strato successivo di neuroni. Superata la soglia iniziale, quella serratura sensibile al serpentese, il processo diventa inarrestabile e aumenta la propria ampiezza e la propria portata ad ogni ciclo di retroazione. L’ipotalamo induce il sistema endocrino di rilasciare adrenalina, il midollo allungato accelera il battito cardiaco, la corteccia motoria ordina ai motoneuroni spinali fare scattare i muscoli delle gambe e il cervelletto controlla la posizione del corpo affinché venga mantenuto l’equilibrio posturale. Questa cascata di attivazioni si propaga attraverso un circuito complesso, meno intuitivo del classico sistema a feedback audio composto da amplificatore e microfono, ma non per questo meno reale. Anche qui è necessario che il segnale in entrata sia sufficientemente forte da avviare il loop, ed è necessario che i due oggetti siano sufficientemente vicini. Tempi e spazi giusti innescano la retroazione.

lockIl cervello è come costituito da un
intricato labirinto fatto di serrature.

È interessante notare come la vita sia un trionfo di feedback positivi. Abbiamo appena notato che, affinché vi sia azione, deve necessariamente innescarsi una catena di stimolazioni elettriche nel cervello degli animali; oppure, affinché vi sia evoluzione, è necessario che  la proliferazione degli organismi sia in grado di autostimolarsi: gli individui più adatti a sopravvivere e a riprodursi avranno un maggior numero discendenti, che a loro volta ne avranno più dei discendenti degli altri perché (1) sono più adatti alla vita e (2) sono di più; ancora, affinché vi sia coesione tra insetti sociali è necessario che essi si seguano a vicenda secondo particolari gerarchie aggrovigliate, in modo che alla prima perturbazione possa avvenire una mobilitazione immediata. Ogni ambiente in cui è protagonista lo scambio di informazioni si ritrova a venire dominato dalla retroazione positiva, si tratti del milieu cellulare che si popola degli anticorpi necessari ad eliminare una particolare minaccia, del reticolo neurale in cerca di nuove idee, della tecnologia digitale che cresce su sé stessa. La biodiversità, la reattività, la competizione, la cooperazione, la cultura sono solo alcuni esempi in questo senso.

Ma se una realtà accelerasse all’infinito si autodistruggerebbe. Il cambiamento deve arrestarsi quando diventa troppo dispendioso e rischia di causare danni permanenti: il mondo impazzirebbe se le regole che lo governano fossero tutte in grado di generare processi di fuga. In natura meccanismi in grado di frenare l’accelerazione entrano in funzione altrettanto spesso dei loro antagonisti.
Torniamo al nostro cervello in stato di eccitazione dopo l’allarme generale scatenato dalla vista del serpente. L’intervento dell’amigdala è stato tempestivo e utile, ma esaurisce la propria utilità non appena il pericolo viene scongiurato. La cascata di attivazioni neurali si deve arrestare, il cuore deve smettere di pompare sangue a velocità maggiorata, l’adrenalina in circolo nel sangue deve venire essere riassorbita e lo stato di allerta psicologica deve cessare. Come avviene questo? Abbiamo detto che nel cervello ci sono tanti piccoli interruttori neuralii che vengono attivati quando ricevono scariche consecutive sulla maggior parte dei loro dentriti. Ora, alcuni di questi neuroni – o cluster neurali – hanno la caratteristica particolare di comunicare a livello sinaptico utilizzando un neurotrasmettitore inibitorio invece che eccitatorio. Il GABA ha un effetto diverso dal glutammato sui terminali postsinaptici, la sua azione non provoca l’apertura dei canali del sodio, ma di quelli del cloro, i quali permettono l’ingresso nel neurone di ioni negativi che iperpolarizzano la membrana e impediscono la scarica. Quindi. Nel caso l’amigdala prosegua a segnalare la presenza del serpente gli impulsi elettrici continueranno a tenere in allerta il cervello, sconfiggendo la barriera inibitoria, ma se le informazioni visive cessassero di eccitare il terminale amigdaoileo responsabile del riconoscimento del pericolo non si genererebbero nuove scariche e quelle già in viaggio nel cervello verrebbero bloccate dalla sapiente azione dei neuroni GABAergici. Questo meccanismo non ricorda tanto quello messo in atto dal termostato? Se invece degli interruttori GABA immaginiamo dei termometri sparsi per casa e collegati a una centralina, abbiamo un circuito del tutto congruente a quello dell’inibizione neurale, in grado di arrestare un abbassamento di temperatura attraverso l’attivazione del riscaldamento centrale. Questo fenomeno è detto retroazione negativa.

synapseUn canale per il cloro messo
in funzione dall’azione del GABA.

In definitiva. Negli ambienti dinamici – come il cervello, le colonie di formiche, gli ecosistemi, le città –, in cui il cambiamento, la sperimentazione e l’adattamento sono incoraggiati, ha luogo un vivace alternarsi di momenti di fuga e arresto, governati dalla retroazione. Un insieme di regole profondo e trasversale percorre le ecologie naturali e quelle sociali. È un comportamento emergente, una tendenza generale che coinvolge il moto delle unità individuali, che nelle loro evoluzioni vivono brusche accelerazioni e brusche frenate attraverso costellazioni fatte di inerzie e equilibri. La complessità è governata e prodotta dalla danza di feedback positivi e negativi che trascinano, bloccano, scagliano e filtrano informazione. Il mondo è organizzato così. Si è organizzato così.

Bibliografia
Norbert Wiener, The Human Use of Human Beings, 1950
Richard Dawkins, The Selfish Gene1976
Gregory Bateson, Mind and Nature, 1980
Joseph Ledoux, The Emotional Brain, 1996
Mark F. Bear, Barry W. Connors, Michael A. Paradiso, Neuroscience. Exploring the Brain, 2001

Annunci

Una risposta a “Cascate, Anelli e Scosse Elettriche

  1. Grazie spiegazione semplice ma chiara di grande aiuto per chi si interessa di problematiche del cervello…..
    da valter.

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione /  Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione /  Modifica )

Connessione a %s...