Teoria dell’informazione

Presentazione sul tema: "Teoria dell’informazione"— Transcript della presentazione:

1 Teoria dell’informazione
Lettura p. 7 Coscienza Neuroscienze Teoria dell’informazione

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3 Distinguere fra: sistemi veramente tali (unitari) e semplici aggregati

4 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.”

5 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”

6 “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

7 Molti significati Autocoscienza Coscienza morale Stati di coscienza …
Coscienza percettiva

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13 Differenziazione

14 Teoria dell’informazione
Claude Shannon Informazione come riduzione dell’incertezza + informazione = + alternative scartate Teoria dell’informazione

15 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) =  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]

16 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

17 Integrazione

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19 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.

20 E E G

21 T M S

22 Calcolo della complessità

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26 Strutture che non partecipano direttamente all’esperienza cosciente
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.

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29 Recupero della complessità durante il sonno REM
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

30 Costruzione di una scala di riferimento
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.

31 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.

32 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).  

33 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!

34 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…).

35 Coma Stato vegetativo (SV) Mutismo acinetico Minimal conscious state (MCS) Locked-in syndrome (LIS)

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37 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’).

38 Grave: GCS ≤ 8 Moderata: GCS 9-13 Minore: GCS ≥ 14.

39 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

40 Necessita di alimentazione e idratazione artificiali,
completa dipendenza dal personale di cura 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. Stato vegetativo (SV)

41 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.

42 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.

43 Locked-in syndrome (LIS) (Plum & Posner 1966)
cerebromedullospinal disconnection de-efferented state Pseudocoma ventral pontine syndrome - dal punto di vista comportamentale è molto simile allo SV, con cui non va confusa. - 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). Brains locked-in: motor outputs and pathways are not necessary for consciousness, nor are they sufficient

44 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.

45 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)\

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47 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):e Qualia: the geometry of integrated information. Balduzzi D, Tononi G. PLoS Comput Biol. 2009; 5(8):e Consciousness as integrated information: a provisional manifesto. Tononi G. Biol Bull. 2008; 215(3): Consciousness and complexity. Tononi G, Edelman GM. Science. 1998; 282(5395): 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).