Il nostro cervello è una rete molto complessa, con circa 100 miliardi di neuroni e 100 trilioni di sinapsi tra i neuroni. Per far fronte alla sua enorme complessità, e capire come funziona il cervello e alla fine forma la nostra mente cosciente, la scienza utilizza strumenti matematici avanzati. In definitiva, gli scienziati cercano di capire come un fenomeno globale come la coscienza possa emergere dalla nostra rete neuronale.

Un team di fisici della Bar-Ilan University in Israele, guidato dal professor Shlomo Havlin e dal professor Reuven Cohen, utilizzato la teoria della rete per far fronte a questa complessità e per determinare come la struttura della rete corticale umana può supportare l'integrazione di dati complessi e l'attività consapevole. L'area grigia della corteccia umana, i corpi cellulari dei neuroni, sono stati scansionati con la risonanza magnetica e utilizzati per formare 1, 000 nodi nella rete corticale. La sostanza bianca della corteccia umana, i fasci di neuroni, sono stati scansionati con imaging DTI, formando 15, 000 collegamenti o bordi che collegavano i nodi della rete. Al termine di questo processo, la loro rete era un'approssimazione della struttura della corteccia umana. La ricerca è stata recentemente pubblicata su Nuovo Giornale di Fisica .

Precedenti studi hanno dimostrato che la corteccia umana è una rete con proprietà di piccoli mondi, il che significa che ha molte strutture locali e alcune scorciatoie da strutture globali che collegano aree lontane (simile alla differenza tra autobus locali e treni fuoristrada). La corteccia ha anche molti hub, che sono nodi che hanno un numero elevato di collegamenti (come le stazioni centrali), che sono anche fortemente interconnessi tra loro, rendendo facile viaggiare tra le autostrade dell'informazione del cervello.

Secondo Nir Lahav, l'autore principale dello studio, "Al fine di esaminare come la struttura della rete può supportare i fenomeni emergenti globali, come la coscienza, abbiamo applicato un'analisi di rete chiamata decomposizione k-shell. Questa analisi tiene conto del profilo di connettività di ciascun nodo rendendo facile scoprire diversi quartieri di connessioni nella rete corticale, abbiamo chiamato conchiglie." Il quartiere più connesso nella rete è chiamato nucleo della rete. Lahav spiega, "Nel processo eliminiamo diversi gusci della rete per ottenere l'area più connessa della rete, il nucleo. Fino ad oggi gli scienziati erano interessati solo al nucleo della rete, ma abbiamo scoperto che questi diversi gusci possono contenere informazioni importanti su come il cervello integra le informazioni dai livelli locali di ciascun nodo all'intera rete globale. Per la prima volta possiamo costruire un modello topologico completo della nostra corteccia".

Questo modello topologico rivela che il nucleo della rete comprende il 20% di tutti i nodi e che il restante 80% è fortemente connesso attraverso tutte le diverse shell. interessante, quando confrontiamo questa topologia con quella di altre reti, come Internet, possiamo vedere alcune differenze evidenti. Ad esempio, nella topologia della rete internet quasi il 25% dei nodi è isolato, il che significa che non si collegano a nessun altro guscio ma al nucleo (vedi le "gambe" della topologia a forma di medusa nella figura 1, topologia della corteccia umana). Nella rete corticale, però, non ci sono quasi nodi isolati. Sembra che la corteccia sia molto più connessa ed efficiente di Internet.

Guardando tutti i diversi gusci della rete corticale, gli autori sono stati in grado di definire la struttura gerarchica della rete e sostanzialmente modellare come le informazioni fluiscono all'interno della rete. La struttura ha rivelato come gli involucri a bassa connettività siano nodi che in genere svolgono funzioni specifiche come il riconoscimento facciale. Da lì i dati vengono trasferiti a un livello superiore, shell più connesse che consentono un'ulteriore integrazione dei dati, e lì possiamo vedere regioni della rete esecutiva e della memoria di lavoro. Con queste aree possiamo concentrarci, ad esempio, sulle prestazioni delle attività (figura 2, la gerarchia della corteccia umana).

L'informazione integrata poi "viaggia" verso il quartiere più connesso di nodi, il nucleo, che si estende in diverse regioni della corteccia. Secondo Lahav, "È un collettivo interconnesso che è densamente legato a se stesso e può svolgere funzioni globali grazie alla sua grande quantità di strutture globali che sono diffuse in tutto il cervello". (Vedi figura 3, nucleo della corteccia umana.)

Quale funzione globale potrebbe svolgere il nucleo? Gli autori suggeriscono che la risposta non è altro che la coscienza stessa.

"La connessione tra attività cerebrale e coscienza è ancora un grande mistero, " dice Lahav. L'ipotesi principale oggi è che per creare un'attività cosciente, il cervello deve integrare le informazioni rilevanti provenienti da diverse aree della rete. Secondo questa teoria, guidato dal professor Giulio Tononi, dell'Università del Wisconsin, se il livello di informazione integrata supera un certo limite, si entra in uno stato nuovo ed emergente, coscienza. Questo modello suggerisce che la coscienza dipende sia dall'integrazione delle informazioni che dalla segregazione delle informazioni. In parole povere, la coscienza è generata da una struttura di rete "centrale" con elevata capacità di integrazione delle informazioni, con il contributo di sottoreti che contengono informazioni specifiche e segregate, senza far parte della struttura centrale. In altre parole, alcune parti del cervello sono più coinvolte di altre in quello che possiamo chiamare il complesso cosciente del cervello, eppure altre parti connesse contribuiscono ancora, lavorare tranquillamente al di fuori del complesso cosciente.

Gli autori dimostrano come il nucleo ei diversi gusci soddisfino tutti i requisiti di queste recenti teorie della coscienza. I diversi gusci calcolano e contribuiscono all'integrazione dei dati senza essere effettivamente parte del complesso cosciente, mentre il nucleo riceve informazioni rilevanti da tutte le altre gerarchie e le integra in una funzione unificata utilizzando la sua struttura globale interconnessa. Il nucleo potrebbe quindi essere questo complesso cosciente, fungendo da piattaforma per far emergere la coscienza dall'attività di rete.

Quando gli autori hanno esaminato le diverse regioni che compongono il nucleo hanno rivelato che, infatti, queste regioni sono state precedentemente associate ad attività coscienti. Per esempio, strutture all'interno della linea mediana del cervello, che costituiscono la maggior parte del nucleo della rete, sono risultati essere associati al flusso di coscienza e ad alcune ricerche, come quella del professor Georg Northoff, dell'Università di Ottawa, hanno suggerito che queste regioni sono coinvolte nella creazione del nostro senso di sé.

"Ora dobbiamo usare questa analisi su tutto il cervello e non solo sulla corteccia per rivelare un modello più esatto della gerarchia del cervello, e in seguito cercare di capire quali siano esattamente le dinamiche neuronali che portano a tale integrazione globale e, in definitiva, coscienza, "dice Lahav.

"Le domande profonde hanno bisogno di una risposta profonda che di solito si trova solo nella fisica. La fisica cerca di scoprire le leggi fondamentali della natura costruendo equazioni matematiche generali in grado di descrivere quanti più fenomeni naturali possibili. Queste equazioni matematiche rivelano aspetti fondamentali della realtà. Se vogliamo davvero capire cos'è la coscienza e come funziona il cervello, dobbiamo sviluppare le equazioni matematiche del nostro cervello e della nostra mente cosciente. non ci siamo ancora, infatti siamo abbastanza lontani da questo obiettivo, ma sento che questo dovrebbe essere il nostro "Santo Graal" e abbiamo già iniziato il processo per arrivarci, " Aggiunge.