Ha mai esaurito i rompighiaccio durante l'ultimo cocktail party o la riunione di sorveglianza? Ci penso io. Oltre alla mia passione per gli orologi da polso vintage, in realtà sono affascinata e istruita sulla comprensione delle funzioni interne del cervello umano. Durante il mio lavoro quotidiano sono una neuroscienziata che lavora sul processo decisionale, sull'attenzione e sul modo in cui questi aspetti sono influenzati dalle interazioni di regioni cerebrali distanti. Questo sarà in realtà il mio primo tentativo di unire questi due mondi - orologi e neuroscienze -. Il saggio sarà quindi meno incentrato sugli Orologi Vintage , ma più su alcune nozioni di base del funzionamento del cervello spiegate per gli appassionati di orologi. E questo non è così esoterico o forzato come potrebbe sembrare all'inizio, perché il cervello è intrinsecamente molto ritmico e la cognizione (cioè i processi di pensiero) può essere ben compresa con la terminologia orologiera.

18 ottobre 2024

Orologi del cervello - Come gli orologi interni modellano la nostra percezione del mondo

    Marcus Siems @siemswatches
    Collezionista, autore, analista di dati

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Forse sa che, oltre alla mia passione per gli orologi da polso d'epoca, sono anche affascinata e istruita sulla comprensione delle funzioni interne del cervello umano. Durante il mio lavoro quotidiano sono una neuroscienziata che lavora sul processo decisionale, sull'attenzione e sul modo in cui questi aspetti sono influenzati dalle interazioni di regioni cerebrali distanti.

E... rullo di tamburi per favore... questo sarà il mio primo tentativo di far incontrare il mondo dell'orologeria e quello delle neuroscienze. Credo che ci possa essere molta sinergia. Cercherò quindi di trattare alcune nozioni di base sul funzionamento del cervello, spiegate per gli appassionati di orologi. E questo non è così esoterico o forzato come potrebbe sembrare all'inizio, perché il cervello è intrinsecamente molto ritmico e la cognizione (cioè i processi di pensiero) può essere ben compresa con la terminologia orologiera. E francamente, divertiamoci un po' imparando qualcosa di nuovo!

 

Il cervello funziona in modo analogo a un sistema di diversi orologi. Come questo sia possibile o vantaggioso è ciò che vorrei mostrare. Immagine per gentile concessione di Freepik.

 

1) Ritmi cerebrali

Come gli orologi da polso, la storia degli 'orologi cerebrali' inizia già all'inizio del XX secolo. Quasi esattamente 100 anni fa, nel 1925, il neurologo tedesco Hans Berger fu il pioniere della elettroencefalogramma (EEG) tecnologia. Oggi l'EEG è una pratica comune negli ospedali e negli studi neurologici e psichiatrici di tutto il mondo. In poche parole, l'EEG può misurare i potenziali elettrici sulla superficie della testa, generati dall'attività neurale: L'aumento dell'attività dei neuroni porta a una depolarizzazione - e i segnali 'scendono'.

Ma oltre all'attività apparentemente caotica, Berger osservò anche periodi di attività neurale sincrona che mostravano depolarizzazione e ripolarizzazione in modo orchestrato - fu identificato il primissimo ritmo 'alfa':

 

Figura 1. (A sinistra) Configurazione di una moderna cuffia EEG con 64 elettrodi ad anello. (A destra) L'illustrazione del cosiddetto effetto Berger: Quando gli occhi sono chiusi, emerge un ritmo prominente a circa 10Hz sugli elettrodi posteriori (dietro la testa). Dati e foto per gentile concessione del Centro Medico Universitario di Amburgo Eppendorf.

 

Il cosiddetto 'effetto Berger' descrive una scoperta ben riproducibile secondo la quale, ogni volta che qualcuno chiude gli occhi, è possibile vedere un modello di attività stabile e stereotipato - un ritmo a circa 10 cicli al secondo - più forte negli elettrodi sulla nuca. E per esperienza personale posso dirle che questo è il segnale più facile da trovare e anche il più affidabile. Sono necessari solo due elettrodi e sarà direttamente visibile in quasi tutti gli esseri umani sani e svegli: Chiuda gli occhi e il ritmo alfa è presente, li apra e non c'è più... ogni volta.

In altre parole, grandi gruppi di neuroni nella parte posteriore della nostra testa lavorano insieme più o meno come un orologio stabile a 36.000 Vph. Questo è il nostro primo momento di svolta, questo è il modo in cui il cervello può essere inteso, in alcuni casi o per periodi di tempo, come un piccolo movimento di orologio con una molla, un treno di ingranaggi e un bilanciere.

 

Chi avrebbe mai pensato che il ritmo più importante del cervello ticchetta alla stessa velocità dei calibri Hi-Beat vintage di Zenith e Grand Seiko. Foto per gentile concessione di Phillips.

 

Questi ritmi non sono casuali o rari. Negli ultimi 100 anni, e in particolare a partire dagli anni '90 ([qui]), i ritmi cerebrali hanno iniziato a svolgere un ruolo cruciale nel modo in cui possiamo comprendere meglio la funzione cerebrale, la cognizione e le interazioni tra le regioni del cervello ([qui] &[qui]). Abbiamo imparato che questi ritmi sono ovunque, con frequenze variabili, e sembrano essere un codice versatile per instradare le informazioni in modo flessibile, quando è necessario in un determinato compito o per un comportamento scelto ([qui] &[qui]).

 

2) Discretizzare il tempo - Come i ritmi cerebrali modellano la nostra percezione

Prima di addentrarci troppo in tutti i tipi di meccanismi e cognizioni diverse, riprendiamo con i nostri 10Hz 'alfa'. È interessante notare che, anche se non vediamo l'oscillazione a 10Hz in modo così evidente quando gli occhi sono aperti - perché si mescola con altri ritmi -, essa svolge comunque un ruolo importante nella nostra percezione visiva ([qui]). E in particolare questi oscillazioni alfa sembrano strutturare anche il nostro mondo visivo vissuto:

 

Figura 2. Discretizzazione schematica della nostra esperienza visiva attraverso l'attività cerebrale oscillatoria. Se due brevi lampi di luce sono fusi in uno (flash 1 & 2; fotogramma arancione) o percepiti come due entità (flash 3 & 4; fotogrammi blu e verdi) sembra dipendere dalla loro tempistica rispetto all'attività intrinseca del cervello. Schema modificato da Van Rullen (2016), Tendenze nelle scienze cognitive.

 

La nostra esperienza cosciente potrebbe funzionare in modo analogo a una pellicola cinematografica. Se vengono mostrate due immagini in breve successione, a volte le fondiamo insieme e le percepiamo come un'unica immagine (come flash 1&2; cornice arancione) e a volte percepiamo le due cose una dopo l'altra. (flash 3&4; cornici blu e verdi)([qui] & [qui]). È importante notare che l'esperienza di uno o dell'altro scenario sembra dipendere dal punto in cui i due flash si verificano all'interno dell'oscillazione: nello stesso ciclo (fuso) o in cicli diversi (separati). Un'oscillazione può quindi essere intesa come un fotogramma all'interno di un film*.

 

2a) Tempo discretizzato attraverso il movimento della mano

Ora riformuliamo questo concetto in termini orologieri. Un'oscillazione è praticamente un'oscillazione del pendolo... e in ogni orologio meccanico c'è un pendolo, ovvero il bilanciere. La molla all'interno del bilanciere si allunga e si restringe costantemente - avanti e indietro. Anche se il bilanciere è in movimento perpetuo, grazie allo scappamento a leva percepiamo il movimento delle lancette solo in momenti discreti. La discretizzazione delle oscillazioni cerebrali è quindi (in spirito) la stessa cosa che aggiungere lo scappamento a leva al bilanciere!

 

Figura 3. Discretizzazione schematica della nostra esperienza visiva analoga al funzionamento interno di un movimento di orologio. Se due brevi lampi di luce sono fusi in uno (flash 1&2; quadrante arancione) o percepiti come due entità (flash 3&4; quadranti blu e verde), ciò dipende dalla loro tempistica rispetto al movimento della lancetta**.

 

Quindi, proprio come nel cervello, il movimento dell'orologio digitalizza un flusso costante di energia in unità discrete. Per tornare al nostro esempio dei due flash, essi verrebbero fusi in un unico flash (1&2) o percepiti come due (3&4), a seconda che 'la mano si muova' tra un flash e l'altro.

 

3) Tempismo adattivo: i ritmi cerebrali si adattano all'ambiente.

Tuttavia, c'è una differenza importante tra gli orologi e i cervelli: Il ritmo/frequenza è stabile per un calibro di orologio, ma adattivo per il sistema biologico... Ad esempio, i ritmi cerebrali possono essere rapidamente modulati, interrotti e riavviati - 'resettati' - dai processi di pensiero interni ([qui]) e da brevi cambiamenti nel nostro ambiente ([qui]):

 

Figura 4. Schema di un 'reset' eterno dell'oscillazione neuronale come risposta ai cambiamenti dell'ambiente. Il 'reset' descrive che, comunque l'attività (linee colorate) fosse prima dello stimolo (lampadina e linea tratteggiata verticale), in seguito passa a una modalità stereotipata. Adattato e modificato da Landau et al., 2015, Biologia attuale.

 

Tuttavia, le oscillazioni più sottili possono anche allinearsi alle condizioni ambientali. Ad esempio, la frequenza si adatta quando un compito è facile o molto difficile. Durante un compito difficile, potrebbe essere necessario campionare le informazioni su un numero maggiore di 'unità discrete', quindi la frequenza aumenta ([qui]). Questo è compatibile con la modifica della frequenza del cronografo, per poter misurare il tempo in unità sempre più piccole, guadagnando in precisione. D'altra parte, quando è necessario essere molto sicuri che si sia verificato un determinato evento, il cervello integra le informazioni su periodi più lunghi, per cui la lunghezza del ciclo di oscillazione aumenta (quindi, la frequenza diminuisce) ([qui]). Allo stesso modo, la frequenza del ritmo si adatta in ambienti prevedibili ([qui]).

 

4) Cosa pensare di tutto questo?

Questa è un'ottima domanda... Beh, spero che per il suo prossimo cocktail party o per la sua riunione di orologi, lei possa fare un po' di domande a caso per rompere il ghiaccio su come il cervello sia come un movimento di orologio più adattivo, più flessibile, più biologico. Il tic-tac-tac di ogni movimento della lancetta è l'emissione percepibile dell'energia che si trasmette costantemente dalla molla allo scappamento. Allo stesso modo, il flusso costante di informazioni provenienti dall'ambiente in cui viviamo viene suddiviso in segmenti digeribili nel nostro cervello e, infine, nella nostra esperienza cosciente del mondo.

 

'Orologio in testa' - un'immagine generata dall'AI. Per gentile concessione di DeepAI.

 

Ma a parte queste informazioni - e lo dico con un ampio sorriso - non sono davvero sicura di quale sia il mio pubblico di riferimento per questo particolare pezzo***. Mi è piaciuto molto scriverlo! ... Ma per quanto tutto questo possa sembrare da nerd, si tratta di puro intrattenimento per il 99,99999% dei potenziali lettori. È il mio momento 'guardate quanto è bello tutto questo'. E ne sono molto felice.

Tuttavia, se c'è un lettore interessato che trae qualcosa da questo oltre all'accumulare superfluo conoscenza sono sempre più che felice di approfondire l'argomento. Fino ad allora: Può essere fiero di sé perché ha raggiunto la FINE!

 

 

* È interessante notare che questo è anche il modo in cui funzionano i film: I fotogrammi - come le lampadine 1&2 - vanno e vengono troppo velocemente perché il nostro cervello possa percepire le transizioni e le immagini diventano un'esperienza fluida - un film.

** Devo ammettere che per mantenere l'illustrazione semplice ho cambiato la tempistica tra il movimento dello scappamento e l'oscillazione. Negli orologi, lo scappamento si muove due volte per ogni oscillazione completa, ossia quando la molla è rilassata (quindi né costretta né allungata).

*** Al mio ghostwriter di memorie: Questo potrebbe essere stato il momento esatto in cui ho perso la testa...

 

  

Glossario

Cognizione: Termine generale per tutti i processi di pensiero superiori/interni, al di là dei primi input sensoriali.

Frequenza: Quante oscillazioni si possono inserire in un secondo, indicate in Hertz (Hz = 1 / secondo). Moltiplicando per 3.600, si ottiene l'unità orologiaia di frequenza Vph (vibrazioni all'ora).

Neurone: Una cellula cerebrale di forma piramidale che è fondamentale per il trasferimento diretto di informazioni elettrochimiche all'interno del cervello. Sono il fondamento della funzione cerebrale.

Oscillazione: Un ciclo completo di una fluttuazione potenziale da alto a basso. Analogamente, si può pensare a un'oscillazione completa del pendolo da sinistra a destra a sinistra.

Ritmo: Attività oscillatoria in corso con una frequenza relativamente stabile.

 

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