Cervelli a trenta Watt

di Antonio Manzalini - Una meravigliosa fonte di “energia” alternativa? La più “straordinaria macchina” dell’Universo consuma come una lampadina. Il cervello umano è veramente straordinario: si stima contenga una rete di 100 miliardi di neuroni, fittamente interconnessi tra loro, che si scambiano messaggi alla velocità di 430 km/ora. Se si mettessero in fila, l’uno dietro l'altro, tutti i neuroni si creerebbe una linea lunga 1000 km. Come può essere che questa straordinaria “macchina” consumi mediamente l’energia di una lampadina da 30 Watt ? Il numero di neuroni del cervello umano equivale al numero di stelle della nostra galassia. I neuroni si connettono tra loro secondo reti molto complesse, scambiandosi una fitta rete di segnali di natura elettrochimica.

Le nostre funzioni fisiche e mentali dipendono dal corretto funzionamento di queste reti di reti. Le nostre abitudini e tutte le capacità non innate (ovvero apprese, come ad esempio suonare uno strumento musicale) sono progressivamente codificate nel cervello attraverso lo sviluppo e il potenziamento di nuove reti di neuroni. Allo stesso modo, quando una persona sospende di praticare una certa attività, le reti di neuroni preposte ad essa cadono in disuso, dando la possibilità ai neuroni di stabilire e rafforzare nuove connessioni. Oltre a controllare e presiedere le nostre complesse funzioni vitali, si stima che il cervello umano elabori circa 70.000 pensieri al giorno, alla base della nostra attività mentale. Se chiedessimo ad un fisico: “Cos’è il cervello?”, credo ci risponderebbe: “Un insieme di particelle come elettroni e protoni, che interagiscono attraverso un complesso campo elettromagnetico; i vari processi biologici sono dovuti a reazioni chimiche che a loro volta sono dovute all'interazione elettromagnetica tra gli elettroni ed i protoni degli atomi che lo costituiscono. Probabilmente non avvengono reazioni nucleari e le forze gravitazionali sono troppo deboli perché interferiscano con i processi molecolari”. Certo non è così semplice come appare. Ammesso che l’attività del cervello sia davvero determinata da una serie di trasformazioni fisico-chimiche, com’è possibile tuttavia che al loro insieme si possa attribuire anche la nostra vita mentale, ad esempio la consapevolezza, i sentimenti, le emozioni, i pensieri…

La risposta oggi è impossibile ma sappiamo che questa straordinaria macchina consuma solo 30 Watt, quanto una lampadina. È stato stimato che se cercassimo di simulare il funzionamento del cervello umano, con le attuali tecnologie di elaborazione elettronica, sarebbe necessaria un’energia (30 Giga Watt) 100 milioni di volte maggiore di quella realmente consumata dal cervello. Inoltre il risultato sarebbe solo un pallido tentativo di simularne il funzionamento con dei modelli matematici. Sappiamo che un modello è solo una riproduzione semplificata della realtà, ossia un’astrazione che considera solamente le principali caratteristiche di quello che è il reale oggetto della simulazione: saremmo dunque ancora lontani da emulare realmente il funzionamento il cervello. Supponiamo pure che nella prossima decade la tecnologia per lo sviluppo degli elaboratori elettronici faccia passi da gigante, e che l’energia necessaria per simulare il cervello umano scenda di due ordini di grandezza: resterebbe sempre un milione di volte maggiore. Eppure, un moderno elaboratore è decine di milioni di volte più veloce del nostro cervello (almeno come numero di operazioni al secondo). Circa quindici anni fa il campione di scacchi Garry Kasparov (foto) è stato sconfitto per la prima volta da un elaboratore, capace di analizzare 16 miliardi di mosse al minuto; Kasparov tuttavia non si arrese e nei giorni seguenti, dopo aver pareggiato due volte, vinse tre partite, concludendo la sfida a proprio favore. Dunque, le logiche di funzionamento escogitabili dal cervello sono profondamente diverse. Tanto per cominciare un elaboratore elettronico ed il cervello umano usano due modi diversi per eseguire delle operazioni matematiche: il computer converte i numeri in sequenze di zero e uno (bit) e poi applica un semplice algoritmo in sistema binario per fare l’operazione; il cervello, invece, non elabora dati in quanto tali, ma, essendo un organo biologico, produce dei risultati attraverso una complessa serie di processi elettrochimici.

Qual è dunque il segreto del cervello. Sin dalla nascita, il mondo esterno ci bombarda con un’enorme quantità di stimoli visivi, uditivi, olfattivi, gustativi e tattili, stimoli che i nostri sensi recepiscono ed inviano alle reti neurali del cervello. Ogni singolo impulso provoca immediatamente nel nostro sistema nervoso una tempesta di scariche elettrochimiche parallele e altamente distribuite. Da quest’apparente “Chaos” di configurazioni elettrochimiche cerebrali sovrapposte emerge, tuttavia, una sinfonia di ‘risonanze’ strettamente accoppiata con le nostre attività: il cervello cerca, infatti, di interpretare qualsiasi sequenza di stimoli (ricevuti dal mondo esterno ed interno) inserendoli all’interno di cornici cognitive coerenti, in grado di generare risposte efficaci. Un meraviglioso meccanismo consuma solo 30 Watt di energia. Sono in molti a sostenere che i principi di base del funzionamento del cervello si debbano ricercare nella Teoria del Chaos, la stessa che descrive sistemi dinamici non lineari, quali, ad esempio, i fenomeni meteorologici, l’evolvere di un terremoto o gli andamenti della Borsa. Anche il cervello potrebbe comportarsi come un sistema dinamico non lineare. Per spiegarlo in parole semplici potremmo dire che mentre nei sistemi lineari, una piccola variazione in uno stato iniziale provoca una corrispondente piccola variazione come risultato finale, nei sistemi dinamici non lineari un cambiamento per quanto piccolo nelle condizioni iniziali, può provocare nel corso del tempo grandi conseguenze. Ricorderete l’aneddoto ”effetto farfalla”: il battito d'ali di una farfalla in Brasile, a seguito di una catena di eventi, può provocare una tromba d’aria nel Texas. La scoperta della Teoria del Chaos è stata, dopo la Relatività e la Meccanica Quantistica, la rivoluzione più importante del ‘900: forse questa potrebbe essere una chiave importante per capire il funzionamento di base del cervello. Alcuni recenti modelli del cervello, basati appunto sulla Teoria del Chaos, richiamano la metafora della mente come un variegato “paesaggio energetico mentale”.

Immaginatevi un panorama con vallate e colline, nel quale lo “stato del cervello” si muove secondo una dinamica mentale (deterministica ma imprevedibile) come fosse una pallina, soggetta da un lato all’effetto della gravità che tende a portarla e mantenerla sul fondo delle vallate, e dall’altro all’azione di altre forze che tendono a portarla a percorrere altre traiettorie verso altre colline e vallate. Durante la giornata, lo stato del nostro cervello approda, sosta e poi abbandona decine di migliaia di vallate, determinando il susseguirsi della nostra attività mentale. Questa è poco più di una suggestione, un’immagine, ma rende bene l’dea. Oggi ci sono diversi filoni di studio sul cervello che vanno dalla psicologia cognitiva alle neuro-scienze, dalla biologia alla fisica. Siamo tuttavia ancora ben lontani dall’aver capito i segreti del suo funzionamento. Questa ricerca è uno dei più importanti investimenti che oggi possiamo fare: pensate quale potrebbe essere il possibile impatto tecnologico, e quindi socio-economico, se si riuscissero a decifrare i misteriosi principi delle dinamiche del cervello. Capire, almeno in parte (per quanto ci è consentito come esseri umani), la natura scientifica di questo “paesaggio energetico mentale” potrebbe significare risparmiare migliaia (se non milioni) di volte l’energia che consumiamo oggi. Un cambio di prospettiva sostanziale, ma come diceva Albert Einstein: “Un problema non può essere risolto allo stesso livello in cui è stato generato”. La crisi che sta travagliando la nostra società ed il nostro modo di vivere e pensare è anche il risultato di un modello di produrre, consumare e sprecare risorse, una dinamica che sta portando ad un drammatico impoverimento del pianeta. E se la soluzione andasse cercata altrove, nello studio e nell’applicazione di quei principi che governano il cervello e la società della mente? Marvin Minsky, uno dei padri dell’Intelligenza artificiale, nel suo libro “La società della mente” (Adelphi, Milano, 1989, pag. 20) descrive il cervello umano come “una vasta società organizzata, composta da molte parti diverse”. Aggiungo, “che consuma solo 30 Watt” per svolgere tutti quei meravigliosi compiti di cui è capace. Ma sarà davvero possibile?

Isaac Asimov, (foto) intervistato a proposito dell’apparente paradosso costituito dal tentativo dell’uomo di capire e spiegare il proprio cervello rispose: “Il cervello è, in effetti, così complesso, e i tentativi umani di carpirne il funzionamento si sono imbattuti finora in ostacoli così insormontabili che sembra ragionevole chiedersi se potremo mai capire il cervello. Dopo tutto, noi stiamo cercando di capire il cervello per mezzo del cervello. Ora, se fosse in gioco un solo cervello umano, queste domande sarebbero più che giustificate e la risposta potrebbe ben essere negativa”. Una risposta che lascia trasparire ottimismo a patto di intraprendere un concreto sforzo di ricerca comune, capace anche di pensare “fuori dal coro”. Certo, la sfida che si presenta è enorme, ma le ricadute sul futuro dell’umanità sarebbero ben più grandi: capire il progetto del cervello per sviluppare un nuovo modello socio-economico. Forse il primo passo è iniziare a cambiare la nostra “logica” di pensiero: come si diceva (per i sistemi dinamici non lineari) anche solo un piccolo cambiamento può, nel corso del tempo, determinare grandi risultati.