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Cervello: ai margini del caos sempre in equilibrio precario

Il nostro cervello è costantemente arroccato sull'orlo del caos ma ne traiamo un'infinità di vantaggi

Nel tuo cervello 86 miliardi di cellule cerebrali camminano su una corda tesa tra calma e catastrofe serenità e disordine, ordine e disordine. In qualsiasi momento, potrebbero trasformarsi in un disastro. Ma non c’è bisogno di farsi prendere dal panico.

Questa difficile acrobazia cerebrale è in realtà una buona cosa. È probabilmente il motivo per cui puoi destreggiarti, tra tutti i tuoi pensieri velocemente in primo luogo, e in effetti gli scienziati credono persino che tenere traccia di questo stato precario potrebbe un giorno portare a un’entusiasmante nuova generazione di terapie per la salute mentale.

Potresti aver notato che i tuoi polmoni sembrano simili a rami di alberi. È perché entrambi rispettano una sequenza frattale, in cui un oggetto si rompe continuamente in versioni più piccole di se stesso. I rami degli alberi assomigliano a mini tronchi d’albero, i ramoscelli sono come mini-mini tronchi d’albero e così via. Questo modello metodico adorna fiocchi di neve, vasi sanguigni, fulmini e persino le esplosioni stellari più avvincenti.

Il nostro universo ama la struttura. Ama l’ordine. Tuttavia, come dicono spesso i fisici, anche il nostro universo è diretto verso il disordine. Salvo alcune sfumature, la legge di Murphy coglie l’essenza: “Tutto ciò che può andare storto, andrà storto”.

Ma tra questi due estremi, l’universo ha un terzo stato ancora più intrigante. Sistemi in punta di piedi tra armonia e caos. Montagne, che minacciano di crollare in una valanga. Il mercato azionario, sull’orlo di un enorme crollo. E negli ultimi dieci anni circa, sempre più ricerche hanno mostrato che anche i nostri cervelli si trovano in un bilico simile.

Studiando le menti di scimmie, tartarughe, pesci e, naturalmente, umani, gli scienziati hanno scavato in questo luogo pericoloso. È noto come il “bordo del caos” o, meno drammaticamente, il “punto critico”.

“Hai un misto di struttura che deriva dall’ordine, ma poi hai anche una sorta di casualità, che porta alla varietà, che deriva dal lato che sta sul disturbo”, spiega John Beggs, professore di fisica dell’Università dell’Indiana Mentre alcuni scienziati credono che il cervello funzioni con input e output (una specie di computer), altri incluso Beggs suggeriscono che sperimenta il mondo fluttuando fluidamente attorno a questo punto “caotico”.

Presumibilmente, tale flusso aiuta i cervelli a svolgere compiti cerebrali molto importanti. Un documento di ricerca pubblicato il mese scorso su Physical Review Letters, ad esempio, afferma che il punto critico offre al cervello un “compromesso desiderabile tra linearità, ottimale per l’archiviazione delle informazioni, e non linearità, richiesta per il calcolo”.

E quando il cervello devia da questo punto cruciale, dice Beggs, “questo è associato a molti disturbi”. Questo è esattamente il motivo per cui decodificare i segreti del confine del caos del cervello potrebbe aiutarci a rivoluzionare il trattamento della salute mentale.

Lo studio del cosiddetto punto critico ha già iniziato a cambiare il modo in cui gli scienziati si avvicinano alla psichiatria. “I ricercatori si sono rivolti a strumenti basati sulla criticità per migliorare la loro comprensione delle condizioni psichiatriche comuni come depressione, schizofrenia, ansia, disturbo da stress post-traumatico”, scrive Vincent Zimmern, autore di un articolo del 2020 intitolato Perché la criticità cerebrale è clinicamente rilevante: una revisione di scopo .

Ma prima di immergerci in questo, ecco cosa sta facendo il tuo cervello in questo momento al confine tra ordine e disordine.

Cervello e decisioni

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Supponiamo che il tuo cervello voglia segnalarti di fare qualcosa, come aprire l’app per la consegna di cibo. Deve trasmettere informazioni lungo una rete di cellule cerebrali, o neuroni, per farti toccare il quadratino colorato sul tuo telefono.

In teoria, ci sono tre modi per farlo. Può inviare il segnale “ciao, apri app” a più di un neurone alla volta. Può inviarlo a meno di un neurone alla volta. Oppure può inviarlo a qualcosa come un neurone alla volta. (Cerca di pensare ai neuroni come divisibili in parti perché ci avviciniamo al cervello da un punto di vista più matematico che biologico.)

Supponiamo che il tuo cervello ne usi uno. Un neurone parla con due neuroni, che parlano con quattro, e così via, come un treno di pettegolezzi. Presto, tutti i tuoi neuroni saranno in allerta per la tua ricerca dell’app o, come dice Beggs, la rete “esplode molto rapidamente”.

Questo è chiamato comportamento supercritico e di solito è una stimolazione eccessiva. Saresti in overdrive. Il tuo cervello sarebbe così sopraffatto che inizierebbe ad avere problemi. E in effetti, si pensa che la supercriticità sia associata a convulsioni croniche o epilessia.

OK, questo è un non luogo a procedere. E due? Un neurone invia informazioni a mezzo neurone, che le invia a un quarto… poi a un ottavo… e il segnale praticamente “si estingue”, dice Beggs. Questo è chiamato comportamento subcritico e non trasmetterebbe efficacemente il messaggio di aprire l’app.

Il nostro percorso finale è tre. Un neurone condivide le informazioni con “su” un neurone, che condivide le informazioni con un altro, e il segnale passa facilmente dal punto A al punto B. Questo è positivo. Questo è chiamato comportamento critico.

Per trasmettere efficacemente un messaggio come quello di aprire un app attraverso una rete di neuroni, il nostro cervello “preferisce” il percorso tre. Il percorso uno e il percorso due pongono entrambi solidi ostacoli al trasferimento delle informazioni sui neuroni, ma il percorso tre crea qualcosa come una catena di montaggio dei neuroni che alla fine connette la mente al mondo esterno. Ma ti ricordi come il punto critico viene anche chiamato l’orlo del caos? Sì, c’è di più.

Alto rischio

Consideriamo il mercato azionario, anch’esso al punto critico. Sempre, alcune persone vogliono vendere e altri vogliono comprare. È una dualità quasi esattamente bilanciata, motivo per cui i mercati sono generalmente piuttosto stabili. Ma cosa succede se accade qualcosa di catastrofico, come una pandemia globale? O una guerra?

Le persone sarebbero andate nel panico e, poiché la maggior parte dei guru finanziari sarebbe d’accordo, avrebbero iniziato a vendere. Ciò stimolerebbe enormi fluttuazioni del mercato. Fluttuazioni caotiche. “I crolli di mercato a volte sono ordini di grandezza maggiori della perdita giornaliera tipicamente osservata”, spiega Beggs. Pensa a queste “fluttuazioni” come una firma di sistemi ai margini del caos.

Al contrario, alcune cose seguono quella che viene chiamata distribuzione gaussiana, alias una curva a campana standard, che non porta a quelle fluttuazioni. L’altezza umana è un buon esempio di qualcosa con distribuzione gaussiana. Se dovessimo mappare l’altezza di ogni persona nel mondo, raramente vedremmo qualcuno cadere lontano dalla media. Nessuna fluttuazione massiccia. Di queste due opzioni, i cervelli sembrano avere la firma del limite del caos.

Quando si verifica la visione un film horror, ad esempio, i tuoi neuroni potrebbero “andare nel panico”, come gli investitori del mercato azionario, e fluttuare in una zona supercritica. “Puoi avere una cascata di attività o una valanga neuronale che potrebbe viaggiare attraverso l’intero cervello”, ha detto Beggs.

Ora, potresti pensare, perché il cervello non dovrebbe preferire uno stile di vita più calmo e gaussiano? Il mondo ai margini del caos sembra altamente rischioso. Bene, ci sono anche molti vantaggi nell’oscillare tra ordine e disordine.

Le ricompense vantaggiose

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I sistemi edge-of-chaos hanno una gamma super-duper-ultra-ampia all’interno della quale lavorare, grazie all’intera faccenda della fluttuazione. Con i mercati azionari, c’è la possibilità che tu vinca il jackpot. E con il cervello, “potresti far passare le informazioni da una parte all’altra del cervello… e forse persino attraversare l’intero cervello”, ha detto Beggs.

Realisticamente, questo è importante per avvisare i neuroni di rimanere vigili in una situazione spaventosa, o magari creare nuove connessioni cerebrali mentre imparano le lingue. In altre parole, se fatto con molta attenzione, il cervello può entrare nel caos per aiutarci a funzionare in un mondo molto (molto) complicato.

Se il cervello seguisse una distribuzione gaussiana, al contrario, sarebbe in qualche modo limitato durante la comunicazione di cose. Non poteva raggiungere neuroni lontani attraverso l’organo durante situazioni spaventose per essere come “ehi neuroni, attiva l’allerta, qualcosa sta per accadere”.

In un articolo del 2009, Manfred Kitzbichler, neuroscienziato dell’Università di Cambridge e tra i primi a considerare il cervello come residente sull’orlo del caos, ha affermato che la criticità “ci permetterebbe di passare rapidamente da uno stato mentale all’altro per rispondere ai cambiamenti ambientali. condizioni».

Inoltre, lasciare il punto critico e dirigersi verso una terra subcritica potrebbe essere utile per il nostro cervello quando vogliamo essere con il pilota automatico. Sebbene gli scienziati non siano ancora del tutto sicuri di come funzionerebbe questo meccanismo.

Beggs afferma che “una possibilità è che se qualcosa è estremamente ben appreso e altamente provato, viene trasferito a una sorta di circuito stereotipato che ripete semplicemente il suo schema”.

Ebbene, la maggior parte delle volte in fisica, i ricercatori non cercano di negare ciò che già sappiamo, o addirittura di inventare nuove angolazioni. Piuttosto, stanno perfezionando domande a cui è già stata data risposta. In questo modo possiamo continuare a trovare soluzioni sempre più precise. Lo stesso vale per gli studi ai margini del caos.

I cervelli umani sono costantemente bombardati da stimoli esterni come persone che parlano, rumori frenetici della strada e persino il calore di tenere in mano una tazza di caffè. Ciò significa che i neuroni si accendono e si spengono costantemente. A causa di tale flusso, non è realistico che il cervello sia sempre nel punto critico ideale. Immagina di provare a camminare lungo una linea retta, ma le persone continuano a spingerti in giro mentre fai un passo avanti. È un po’ così.

Pertanto, una domanda conseguente potrebbe essere: cosa fa invece il nostro cervello? Come funziona? In un articolo pubblicato lo scorso anno su Physical Review Letters, il team di Beggs potrebbe aver trovato la risposta.

Dopo aver eseguito esperimenti neurologici sui topi, hanno visto che se i cervelli degli animali non potevano accedere al punto critico, si sono ottimizzati seguendo quella che viene chiamata la linea Widom, o semplicemente, la seconda scelta migliore. Beggs chiama questo fenomeno “quasi-criticità”.

Altri ricercatori che studiano come funziona il cervello attorno al punto critico, al contrario, hanno suggerito soluzioni di non quasi criticità. Alcuni hanno suggerito che i cervelli funzionino sempre leggermente al di sotto della criticità e altri credono che si muovano casualmente intorno al punto critico.

Ma, seguendo il principio di quasi-criticità, Beggs ha iniziato a considerare se il cervello delle persone che soffrono di malattie mentali, come la depressione, ha difficoltà ad accedere a quel secondo percorso migliore.

“Abbiamo esaminato circa 600 pazienti e abbiamo tracciato i loro diversi punti critici”, ha detto. “Dalle tendenze, puoi notare l’età del paziente, o il sesso del paziente, in base a dove si trovano vicino a questa regione di quasi criticità”.

Pertanto, è probabile che “l’invecchiamento ti faccia andare in un posto, la depressione ti faccia andare in un altro e l’epilessia in un altro. Ma potrebbero essere tutti ugualmente lontani dal punto critico”. Cioè, sono necessarie ulteriori ricerche per decodificare davvero il limite del caos del cervello. Tuttavia, Beggs ritiene che questi risultati alla fine porteranno a terapie innovative.

Ad esempio, dice che sappiamo che il cervello si spegne per un po’ dopo aver avuto una brutta crisi. Durante quel periodo, ha modi per cercare di riportarsi online, uno dei quali è la crescita di molte nuove connessioni. Ma, ricordate l’enigma della supercriticità in cui troppi neuroni attivano l’allerta alta, quindi “esplodono” la rete molto rapidamente?

“Penseresti che sia una buona cosa da fare, perché sta solo dicendo: ‘Collega di nuovo questa cosa e avremo un po’ di attività’, ma quando crescono quelle connessioni dopo un attacco, una volta che torna online, è troppo connesso. Quindi, in realtà è più comune avere un attacco la prossima volta. “

Tuttavia, se riusciamo a sfruttare il punto critico, forse possiamo in qualche modo stimolare il tessuto cerebrale e impedirgli di percepire che è nel suo stato di spegnimento in primo luogo. Invece, penserebbe che va tutto bene, e quindi non creerebbe tutti quei nuovi collegamenti che potrebbero portare a un successivo attacco.

“Se l’hai in qualche modo indotto a non formare nuove connessioni”, ha detto Beggs, “sarebbe molto meno probabile che abbia un attacco”. In questo momento, Beggs e altri ricercatori stanno ancora analizzando come funziona tutto questo. Sarà una strada lunga, ma gratificante. E se hai letto fino a qui, innanzitutto complimenti.

La prossima volta che sei stressato, e qualcuno ti chiederà come stai devi rispondere “Sono sull’orlo del caos”, e non pensare che sia una risposta melodrammatica, sarai solo scientificamente accurato.

Che ne pensi di queste incredibili discussioni analitiche sul funzionamento del nostro cervello? Facci sapere nei commenti!

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