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Fisica del Sistema Nervoso e Soggettività G. M. Prosperi Dipartimento di Fisica Università di Milano NEUROSCIENZE, LIBERTÀ E RESPONSABILITÀ 3° convegno.

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1 Fisica del Sistema Nervoso e Soggettività G. M. Prosperi Dipartimento di Fisica Università di Milano NEUROSCIENZE, LIBERTÀ E RESPONSABILITÀ 3° convegno di Scienza e Fede congiunto, giugno 2011

2 Francis Crick Voi con le vostre gioie e i vostri dolori, le vostre memorie e le vostre ambizioni, il vostro senso di identità personale e il vostro libero arbitrio, voi non siete altro che il risultato del compor- tamento di un vasto assortimento di celule nervose e di molecole ad esse associate. Come avrebbe detto lAlice di Lewis Carrol: Non siete altro che un fascio di neuroni.

3 Benjamin Libet … i fenomeni mentali relativi alla coscienza non sono spiegabili con la conoscenza dellattività delle cellule nervose, né si possono ricondurre a essa. Guardate nel cervello: vedrete le connessioni neurali relative alla coscienza che scoppiettano dappertutto, in quantità pauro- sa. Ma non vedrete nessun fenomeno mentale soggettivo consapevole. Soltanto il resoconto dellindividuo che ne sta facendo esperienza potrà dirvene qualcosa.

4 Fisica e Soggettività Gli organismo viventi sono formati dalle stesse particelle, atomi e molecole che formano il mondo inanimato. Tutti i processi che in essi si svolgono devono quindi poter essere descriti usando la stessa Fisica. Questo è vero in particolare per i processi che si svolgono nel nostro sistema nervoso e quindi nel nostro cervello. La Fisica corrisponde, però, ad un particolare angolo visuale sotto cui guardare la realtà. Per una scelta metodologica fondamentale essa pone tra parentesi la soggettività e non può poi, salvo gravi petizioni di principio, pretendere di accedere ad essa.

5 Scelte metodologiche. Già con Galileo: restrizione alla considerazione delle sole qualità primarie, cioè agli aspetti misurabili e quantificabili degli oggetti, con esclusione delle qualità secondarie, legate alla percezione soggettiva. Oggi: definizione operativa delle grandezze. Considerazione delle sole cause efficienti. Adozione del linguaggio matematico e di un insieme di convenzioni precisamente codificate. Metodo ipotetico deduttivo, con costruzione di modelli o teorie suscettibili di verifica empirica e giustificati sulla base del loro potere esplicativo e predittivo.

6 Sono queste scelte costitutive Che fanno della Fisica una scienza pubblica. Le cui conclusioni teoriche sono verificabili da chiunque abbia gli strumenti matematici necessari. Gli esperimenti di controllo delle teorie in linea di principio sempre ripetibili. Una scienza le cui affermazioni sono almeno in determinati ambiti in qualche modo incontrovertibili. Sono queste le ragioni del suo grande successo, ma sono quelle che ne fissano i limiti.

7 La Fisica presuppone la soggettività. Per precisare il suo metodo, introdurre i suoi concetti, stipulare le sue convenzioni linguistiche, stabilire i protocolli di controllo, essa deve far riferimento al linguaggio naturale. Quindi ad un insieme di concetti che si radicano su nostre esperienze primarie, che ciascuno deve rivivere in proprio, che non possono di per se neppure essere comunicate. Sono di questo tipo concetti molto fondamentali, come quelli di essere, sentire, capire, verità, implicazione. Ma anche esperienze come la percezione del fluire degli eventi, quella della spazialità, della luce, del suono, del calore, tutte alla base di importanti precocncezioni.

8 Tutte queste preconcezioni ed esperienze soggettive sono però poi messe tra parentesi e sostituite con definizioni operative impersonali. Come risultato una teoria fisica conosce necessariamente solo la terza persona, non vi è posto nella Fisica per la prima persona. Esperienze come quelle dei qualia, di una coscienza di se, di una propria identità personale non sono neppure esprimibili nel linguaggio della Fisica. Tutti noi che siamo qui, siamo dal punto di vista della Fisica semplici automi impersonali. Io ho esperienza di questo mio corpo come il mio corpo, voi del vostro come il vostro corpo. Ma non cè posto nella Fisica per concetti come mio, tuo, suo. Possiamo descrivere dal punto di vista della Fisica i processi che si svolgono nel nostro cervello in relazione ad una nostra esperienza sensoriale, ma i concetti attraverso cui lo facciamo sono incommensurabili con la nostra esperienza soggettiva.

9 Fisica della percezione visiva: la retina.

10 Schema semplificato di alcune interconnessioni tra le cortecce visive di ordine inferiore e le strutture sub corticali correlate.

11 La nostra percezione delle forme e del colore non può essere ritrovata nella descrizione dei processi fisici che si svolgono nel nostro sistema nervoso ad essa correlati ed espressa in termini di potenziali di membrana, flussi di ioni, cambiamento di conformazione di molecole Lunico modo di trasmettere ad unaltra persona, per esempio un bambino, la nozione del colore è di farle rivivere lesperienza che lha prodotta in noi. Nessuna descrizione dei processi fisici che si svolgono nel nostro occhio e nel nostro cervello può servire a comunicare ad un daltonico la differenza tra il verde ed il rosso. Lassociazione che viene stabilita tra le nostre percezioni coscienti e lattivazione di certe aree corticali richiede linterrogazione del soggetto, perciò presuppone e non da ragione, dellesistenza di una coscienza. La Fisica in virtù del suo metodo coglie solo un aspetto della realtà. Lemergere della soggettività non può essere compreso nel suo solo contesto, ma necessariamente lo trascende.

12 Complementare al punto di vista della Fisica è quello dellintrospezione. Noi abbiamo in particolare coscienza di una nostra identit à personale Questa ci appare come assolutamente singolare, una, irripetibile e irriducibile ad altro. Per analogia e per la possibilità di comunicare con gli altri uomini al livello verbale, noi non possiamo non riconoscere anche in essi una simile identità. Resta invece aperto il problema della misura in cui si possa attribuire una sorta di autocoscienza anche ad altri animali superiori con cui possiamo avere solo una comunicazione non verbale. Strettamente legata alla coscienza di noi stessi è anche la percezione di una nostra sfera di libertà (sia pure nel contesto di importanti condizionamenti).

13 Dopo Hume la stessa significanza del concetto di io è stata messa in discussione E. Mach, Lanalisi delle sensazioni: Il mondo non consiste … in essenze misteriose le quali interagendo con un'altra essenza altrettanto misteriosa, lio, generano le sensazioni … I colori, suoni, spazi, tempi, … sono per noi provvisoriamente gli elementi ultimi. Col termine corpi vengono indicati … complessi coordinati nello spazio e nel tempo di colori, suoni, pressioni … Col termine io viene designato un … complesso di ricordi, disposizioni, sentimenti legati ad un particolare corpo. Ma il termine sensazione non presuppone per sé un soggetto ed un oggetto della sensazione?

14 D OUGLAS R. H OFSTADTER GOEDEL, ESCHER, BACH: an eternal golden braid. p. 384 : Dove è il senso di sé? Volgendoci indietro a ciò che abbiamo discusso potremmo dirci, Queste speculazioni sul cervello e sulla mente sono belle e buone, ma cosa si può dire del sentimento della coscienza? Questi simboli possono ben generarsi lun laltro, ma senza qualcuno che percepisca lintera cosa, non cè coscienza Un tale discorso ha un senso ad un certo livello della nostra intuizione ma non ha senso dal punto di vista logico. Se non è già coperto da quanto detto infatti, noi saremmo costretti a cercare il meccanismo per cui percepiamo. Ovviamente un animista non avrebbe bisogno di guardare oltre, egli potrebbe semplicemente affermare che chi percepisce tutta questa azione neurale è lanima, che non può essere descritta in termini fisici. Ma noi vorremmo tentare dellorigine della coscienza una spiegazione non animista. La nostra alternativa alla spiegazione animista è quella di fermaci al livello dei simboli e dire Questo è ciò che è la coscienza. La coscienza è quella proprietà di un sistema che appare ogni volta che esistono nel sistema dei simboli che seguono schemi di generazione del tipo descritto nei paragrafi precedenti. Messo così brutalmente, questo discorso può sembrare inadeguato. In che modo esso da ragione del senso di un io, del senso di sé?

15 Ogni tentativo di negare il carattere irriducibile della coscienza a porta necessariamente a circoli viziosi.

16 Il riconoscimento che la nostra soggettività trascende la Fisica non porta necessariamente ad una concezione dualista del tipo impersonato da Cartesio e sostanzialmente riproposta da J. Eccles e K. Popper. Tale concezione non è solo ovviamente rifiutata dai riduzionisti ma è anche avversata dalla maggior parte dei teologi (almeno cattolici)che rifacendosi attraverso S. Tommaso ad Aristotele piuttosto che a Platone difendono lunità dellessere umano. A Cartesio si rimprovera tra laltro che attraverso la sua separazione netta tra Res Cogitans e Res Estensa ha di fatto aperto la strada alla pretesa di riduzione delluna entità allaltra (Materialismo o Idealismo). Il senso dellaffermazione è che langolo visuale della Fisica e quello dellintrospezione colgano aspetti distinti della stessa realtà che si compongono ad un livello superiore. Bohr parlava di aspetti complementari, Nicola Dallaporta di una dimensione orizzontale di una dimensione verticale, Teilhard de Chardin di un senso esterno ed un senso interno di tutte le cose.

17 Tra le nostre esperienze fondamentali è la percezione di una sfera di libertà nellagire pur nel contesto di importanti condizionamenti. Questa sensazione di libertà è considerata illusoria da alcuni studiosi che cercano piuttosto di spiegare come nasca questa illusione. Nessun dato sperimentale suggerisce, tuttavia, una tale ipotesi. Gli esperimenti di Libet sulla consapevolezza ritardata mostrano semmai i modi in cui questa libertà viene esercitata. Lunica giustificazione della negazione di un libero arbitrio sarebbe nel determinismo fisico che regolerebbe i nostri processi cerebrali. Ma : 1) la nostra esperienza soggettivava al di là del campo di applicabilità della Fisica; 2) La Fisica odierna non è deterministica. Il nostro sistema nervoso è un sistema altamente complesso, in esso intervengono fenomeni molecolari singoli, ed è estremamente plausibile che le fluttuazioni quantistiche emergano al livello macroscopico.

18 Il nostro sistema nervoso ha una struttura a rete, estremamente complessa ed un comportamento altamente non lineare. I processi che vi si svolgono sono fondamentalmente regolati dal cambiamento di conformazione di alcune macromolecole per la comprensione dei quali il ricorso alla Teoria Quantistica risulta essenziale. Un sistema complesso, anche regolato da leggi deterministiche è estremamente instabile rispetto alle condizioni iniziali. Come messo in evidenza teoricamente da Poincaré e verificabile attraverso simulazioni numeriche, già un sistema di tre corpi in semplice interazione gravitazionale rientra in questa categoria. Ciò che rende stabile il sistema planetario sono gli alti rapporti di massa tra il sole i pianeti, tra i pianeti e i loro satelliti. Lemergere al livello macroscopico delle fluttuazioni quantistiche diviene allora estremamente plausibile.

19 Ci si può domandare se la precedente circostanza possa aiutare a risolvere il problema della compatibilità tra libero arbitrio e descrizione fisica dei processi cerebrali Consideriamo allo scopo una nostra reazione a certi stimoli esterni, che supponiamo di percepire come frutto di una libera scelta. Se ponendoci in una prospettiva simile a quella di Laplace supponessimo di conoscere in ogni dettaglio larchitettura del nostro cervello e il suo stato nel momento dinteresse, se fossimo capaci di risolvere la complessissima equazione di Schroedinger e volessimo studiare dal punto di vista della Fisica le sue reazioni agli input esterni, troveremmo con ogni plausibilità un pluralità di risposte possibili con distinte probabilità. Dal punto di vista della Fisica la specifica scelta apparirebbe puramente casuale, dal punto di vista della introspezione essa apparirebbe però come una scelta intenzionale.

20 Immagine di un motoneurone

21 Trasporto attivo di ioni attraverso la membrana

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23 Canali elettrosensibili, esperimenti di Voltage clamp, potenziale dazione.

24 Esperimenti di patch clamp

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26 Molecola del butano: CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 varie conformazioni. H 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3

27 Potenziale angolare Varie conformazioni possibili

28 Il legame peptidico

29 Struttura spaziale del legame peptidico

30 STRUTTURA PRIMARIA E SECONDARIA DI UNA PROTEINA

31 MODELLO TEORICO E IMMAGINE REALE DELLA MIOGLOBINA

32 Struttura schematica di canali elettrosensibili del sodio e del potassio

33 Struttura del poro semplice del potassio KcsA (probabile ascendente evolutivo di tutti i canali) meccanismo di selezione degli ioni

34 Struttura del poro di un canale KcsA

35 Idratazione di ioni metallici in acqua

36 Stato chiuso e aperto di un canale del potassio dipendente dal potenziale

37 Struttura del bottone presinaptico

38 Riempimento di una vescicola

39 Scarica di neurotrasmettitore

40 Modello cinetico di un canale nAChR Diagramma degli stati chiusi, aperti e desensibilizzati

41 Rilevazione delle aperture e chiusure di singoli canali nAChR di bovino fetale e adulto in un esperimento di pacht clamp in presenza di una soluzione esterna di 500 nM/litro

42 Connessioni allinterno di un modulo corticale

43 Conclusioni I processi che si svolgono nel nostro sistema nervoso sono interamente descrivibili nel contesto della Fisica. Essi rappresentano però solo una condizione necessaria per lemergere della coscienza. Per ragioni intrinseche al metodo stesso con cui procede, la Fisica non può dare ragione della soggettività, le cui problematiche non sono nel contesto di essa neppure formulabili. La coscienza di una propria identità personale e di una propria sfera di libertà trascendono necessariamente la Fisica e non possono essere comprese né contestate sulla base di essa. A motivo della complessità del nostro sistema nervoso, comunque,le leggi quantistiche che regolano il comportamento delle singole strutture molecolari emergono con ogni plausibilità al livello macroscopico rendendo i processi che lo riguardano essen- zialmente non deterministici. E controverso ma questa circostanza potrebbe essere rilevante per una comprensione della compatibilità tra il piano della Fisica e quello rivelato dallintrospezione.

44 Disposizione spaziale di alcune molecole

45 SOGGETTIVITA E FISICA DEL SISTEMA NERVOSO Lemergere nellatto ultimo dellevoluzione della coscienza di sé e più in generale di una soggettività trascende invece necessariamente le stesse categorie della Scienza Naturale La comprensione dei correlati fisici delle nostre percezioni, emozioni, comportamenti, stati di coscienza è riconducibile alla struttura dei nostri circuiti nervosi e alle proprietà dei canali ionici. La soggettività in se stessa non è però neppure esprimibile allinterno di quelle categorie.

46 STRUTTURA TERZIARIA E QUATERNARIA

47 Schema di funzionamento della pompa sodio-potassio


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