Viaggio alla scoperta dell’intelligenza… artificiale!

In principio fu il neurone

Nonostante capire come funzioni la mente sia un problema la cui soluzione richiede ancora molto lavoro, su come funzioni il cervello si è accumulata una certa quantità di conoscenza.
Guardando il cervello al microscopio, si osservano le cellule che lo costituiscono e che rappresentano la più piccola unità di elaborazione al suo interno: i neuroni. I neuroni, che opportunamente differenziati e insieme alla neuroglia, costituiscono il tessuto del sistema nervoso, si scambiano continuamente dei segnali elettrochimici. Alcuni segnali provengono dagli organi di senso e altri sono diretti alle regioni periferiche del nostro corpo, ma altri vengono scambiati incessantemente fra un neurone e l’altro realizzando quell’attività che ad un livello più alto interpretiamo come “pensiero”.

Esistono diversi tipi di neuroni, morfologicamente differenziati in funzione della loro specializzazione e della zona del sistema nervoso in cui si trovano, ma nell’immagine ne vediamo una rappresentazione schematica che ci permette di individuarne le parti più importanti.
Osservandone la forma, è subito evidente il suo aspetto tentacolare. Infatti, un aspetto fondamentale nella funzionalità del neurone nell’ambito del tessuto nervoso è proprio la sua capacità di collegarsi ad altri neuroni, che a loro volta si collegheranno ad altri neuroni fino a raggiungere un livello di interconnessione la cui descrizione richiede numeri astronomici. Per avere un idea, nel cervello umano ci sono circa 86 miliardi di neuroni, ciascuno dei quali è in grado di creare una media di 7000 sinapsi con altri neuroni.

In linea di principio l’attività di un singolo neurone è semplice. I dendriti che si dipartono dal corpo cellulare sono connessi ad altri neuroni e i punti di contatto fra diversi neuroni sono denominati sinapsi. All’interno delle sinapsi avvengono scambi di diversi tipi di molecole dette neurotrasmettitori. Ci sono neuroni specializzati nell’uso di determinate molecole piuttosto che altre e questo fa sì che l’attività di regioni diverse del cervello possano essere globalmente influenzate dalla concentrazione di tali sostanze nel sangue, meccanismo che viene efficacemente sfruttato, nel bene e nel male, da droghe e farmaci.

Quando i neurotrasmettitori provenienti da un neurone raggiungono, all’interno della sinapsi, il neurone successivo, interagiscono con i recettori presenti sulla sua membrana cellulare rendendola più o meno permeabile agli ioni sodio Na⁺ e potassio K⁺. Se tali ioni riescono a penetrare nella membrana cellulare, essendo molecole cariche, ne alterano il potenziale di membrana generando di fatto una corrente elettrica che propaga nel citoplasma attenuandosi gradualmente.
L’attenuazione è dovuta a due fattori: la dispersione dovuta al fatto che gli stessi ioni possono uscire dalla cellula trovando altri canali aperti in comunicazione con l’esterno, oppure per semplice resistenza elettrica del citoplasma al passaggio della corrente. In definitiva l’intensità del potenziale dipende dalla sua intensità iniziale e dalla distanza rispetto al punto in cui si è generato.
In generale l’andamento del potenziale graduato viene modellato con una legge del tipo:

dove V_x rappresenta l’andamento del potenziale in funzione della distanza dal punto in cui si è generato e λ è il coefficiente di decadimento (costante di spazio).
Questo tipo di potenziale è detto potenziale graduato e, oltre ad essere proporzionale allo stimolo che lo ha generato dipende anche dalla somma di diversi stimoli che hanno raggiunto il neurone entro un certo intervallo di tempo. In pratica è come se tutta la zona dendritica del corpo cellulare fosse un collettore di cariche elettriche di varia intensità e la somma del potenziale di queste cariche si propaga lungo il corpo della cellula.

In prossimità dell’assone, che è il canale di output dell’impulso nervoso verso i neuroni adiacenti, vi è una zona del corpo del neurone, detta monticolo assonico, con un’alta densità di canali sodio e potassio. Se il potenziale graduato che raggiunge questa zona trigger raggiunge un valore soglia, genera la formazione del cosiddetto potenziale d’azione.
Il potenziale d’azione è un fenomeno di tipo tutto-o-niente in quanto si propaga in maniera unidirezionale lungo l’assone ad una velocità ben definita e con un valore medio costante. Questo è reso possibile dalla particolare distribuzione dei canali sodio e potassio lungo l’assone che fa sì che si crei un effetto domino per il quale il passaggio del potenziale inibisce i canali appena superati e attiva quelli successivi in maniera da non far degradare l’intensità dell’impulso man mano che procede. A causa di questo modo di generarsi e propagarsi del potenziale d’azione, ad un potenziale graduato di grande intensità corrisponde un treno di impulsi in uscita a frequenza elevata e viceversa. Questo meccanismo è reso particolarmente efficiente dalla presenza della guanina mielinica che riveste l’assone e lo isola dall’esterno evitando dispersioni. L’assone di un neurone umano ha un diametro di circa 10µm e senza mielinizzazione condurrebbe l’impulso a circa 0,5m/s. Con la guaina mielinica l’impulso viaggia a circa 50m/s. Questo dà l’idea di quanto distruttiva per il sistema nervoso siano malattie come la sclerosi multipla che aggredisce la suddetta guaina.

A parte la raffinatezza della chimica che governa il comportamento dei canali sodio e potassio, la loro interazione con i neurotrasmettitori e la propagazione della scarica elettrica, da un punto di vista funzionale, l’effetto macroscopico che ne risulta è sorprendentemente semplice. I singoli neuroni, se presi singolarmente, si comportano un po’ come una lampadina che lampeggia quando le viene applicata una tensione sufficiente ad alimentarla.
Le stupefacenti capacità del sistema nervoso centrale non si possono ridurre semplicemente al funzionamento dei suoi costituenti, ma è piuttosto nella complessità della rete e delle sue interconnessioni che bisogna cercare l’emergere dell’intelligenza.