Coscienza, un "Luogo" difficile da scoprire

Il meccanismo con cui il cervello genera pensieri, sentimenti e intuizioni rimane sconosciuto. La maggior parte delle spiegazioni ritrae il cervello come un computer, con i neuroni e le connessioni sinaptiche in qualità di semplici interruttori. Tuttavia il calcolo, da solo, non riesce a spiegare perché abbiamo sentimenti, creatività e coscienza.

Gli studi di Hameroff hanno mostrato che i microtubuli sono i candidati a sostenere i processi quantistici di calcolo e di comunicazione intracellulare, importanti per le funzioni cognitive superiori. Sarebbe proprio l'attività dei microtubuli, in particolare dei fenomeni quantistici ospitati nel loro interno, a far emergere la coscienza.

Massimo Pregnolato, Associate Professor of Medical Chemistry, University of Pavia (Italy) Chairman QPP and founder of Quantumbionet, Director of Quantum Pharmaceutical Sciences Department, LIUM University - Bellinzona (CH)


Mentre numerosi fisici stanno lottando per ottenere complicati computer quantistici in grado di funzionare grazie a tecnologie basate su super conduttori, altri ricercatori stanno dimostrando che effetti quantistici sono in realtà rilevabili e riproducibili più semplicemente di quanto si possa credere. Facciamo qualche esempio. Il metabolismo di batteri e alghe è in grado di effettuare calcoli quantistici, a temperature usuali per la vita, già da miliardi di anni. Alcuni pigmenti contenuti in questi viventi, infatti, effettuano la fotosintesi clorofilliana in virtù delle proprietà quantistiche della luce [1].

La biologia quantistica

Il lavoro è stato pubblicato su «Nature» dal gruppo del canadese Gregory Scholes, il quale ha annunciato che alcune alghe marine possono effettuare il movimento dell'energia della luce assorbita, tra particolari molecole legate alle proteine, utilizzando stati di sovrapposizione quantistica. I fisici che avevano escluso questa possibilità, considerando che il calore distrugge l'effetto chiamato «coerenza quantistica», stanno rivedendo i paradigmi su cui poggia la biologia integrandoli con le nuove evidenze di quella fisica che fino ad oggi sembrava occuparsi solo di particelle elementari e spin elettronici.
Già Gregory Engel aveva dimostrato il legame tra fotosintesi e stati quantici della luce nel 2007 all'Università della California di Berkeley, sebbene alla temperatura di -196 °C. Il suo team aveva studiato un complesso batterio-clorofilla trovato in batteri solfurei verdi scoprendo che le molecole di pigmento lavoravano tra loro attraverso una rete quantistica: l'esperimento mostrò che l'energia (in questo caso l'energia coinvolta nei processi metabolici di un vivente) è in grado di esplorare tutti i percorsi possibili scegliendo poi il più efficiente [2]. Engel e il suo gruppo a Chicago hanno appena ripetuto l'esperimento alla temperatura di 4°C e hanno riscontrato una «coerenza quantistica» della durata di circa 300 femtosecondi [3]. Questo significa che, sebbene non sia stata ancora chiarita del tutto la relazione tra stati quantici della luce e biologia, tale relazione esiste ed è alla base di processi vitali fondamentali.

Nel gennaio 2011 Vlatko Vedral nel suo articolo su Physical Review Letters suggerisce che la sensibilità quantistica degli uccelli alle variazioni del campo magnetico terrestre può essere spiegata da un sistema quantistico entanglement-based mantenuto per decine di microsecondi [4].

Dopo aver osservato questi fenomeni in batteri, alghe e volatili ci chiediamo se la fisica quantistica influenzi anche i processi dei viventi superiori come l'uomo, e se sì, in quale modo. Già quindici anni fa scienziati di fama mondiale come Roger Penrose e Stuart Hameroff avevano avviato studi analoghi ipotizzando che i neuroni umani contenessero «computer quantistici» in grado di esercitare un controllo funzionale legato a stati quantici coerenti di particelle all'interno di proteine chiamate tubuline, unità fondamentali dei microtubuli che costituiscono l'impalcatura della cellula.

Il cervello quantistico

Nel 2008 è stato istituito un comitato internazionale chiamato «Gruppo Qpp» (Paradigma Quantistico in Psicopatolgia) che ha riunito alcuni tra i massimi studiosi di varie discipline (scienziati quali Henry Stapp, Stuart Hameroff, Jack Tuszynski, Walter Freeman, Gustav Bernroider, Gordon Globus) e provenienti dalle più prestigiose istituzioni del mondo allo scopo di studiare i fenomeni quantistici sottostanti ai processi mentali, con particolare attenzione agli aspetti psicopatologici. Il gruppo, inizialmente guidato da Donald Mender, psichiatra dell'Università di Yale, raccoglie studiosi americani ed europei. Notevole il contributo italiano, rappresentato dall'attuale coordinatore Massimo Pregnolato, docente di chimica farmaceutica all'Università di Pavia e, tra gli altri, Giuseppe Vitiello, docente di fisica all'Università di Salerno, Lucio Tonello, biomatematico dell'Università Ludes di Lugano in Svizzera, e Massimo Cocchi, medico dell'Università di Bologna.

Il meccanismo con cui il cervello genera pensieri, sentimenti e intuizioni rimane sconosciuto. La maggior parte delle spiegazioni ritrae il cervello come un computer, con i neuroni e le connessioni sinaptiche in qualità di semplici interruttori. Tuttavia il calcolo, da solo, non riesce a spiegare perché abbiamo sentimenti, creatività e coscienza. Il cervello umano è costituito da centinaia di migliaia di neuroni, ciascuno dei quali a sua volta contiene migliaia di microtubuli che oltre a essere lo «scheletro» della cellula controllano il movimento di organelli e vescicole citoplasmatiche e la divisione cellulare. Un bel carico di lavoro, che tuttavia non si esaurisce qui. Gli studi di Hameroff hanno mostrato che i microtubuli sono i candidati a sostenere i processi quantistici di calcolo e di comunicazione intracellulare, importanti per le funzioni cognitive superiori. Sarebbe proprio l'attività dei microtubuli, in particolare dei fenomeni quantistici ospitati nel loro interno, a far emergere la coscienza.

Roger Penrose sostiene che la coscienza, nell'uomo, emerge grazie al raggiungimento, all'interno dei microtubuli, dello stato di massima «eccitazione coerente»: come gli elettroni nella superconduttività si muovono all'unisono, permettendo alla corrente di fluire senza ostacoli, così gli stati quantici presenti nei microtubuli cerebrali raggiungono un valore soglia di coerenza. A seguito di effetti gravitazionali gli stati quantici nei microtubuli collassano in modo orchestrato ogni 25-500 millisecondi.
La perdita ciclica e ripetuta di tale coerenza si traduce nella generazione di eventi fisici classici a cui sarebbero imputabili gli stati di coscienza ordinari [5]. I fenomeni di «coerenza quantistica» danno conto anche di ciò che Penrose chiama aspetto «unitario» della mente: la coscienza non è frutto dell'attivazione di una singola area del cervello ma scaturisce dall'azione concertata in un gran numero di zone e di miliardi di neuroni insieme. L'oscillazione coerente dei microtubuli provvede a tale collegamento globale, essenziale per l'emergere della coscienza.

Un nuovo paradigma per le malattie mentali: depressione e schizofrenia


La schizofrenia è un grave disturbo psichiatrico, espressione di una grande alterazione dell'equilibrio psichico dell'individuo con compromissione delle percezioni e dell'esame di realtà [6]. Le attuali teorie sui meccanismi che sottostanno alle manifestazioni schizofreniche si distinguono tra loro relativamente a quattro livelli di descrizione: quello neuroanatomico, quello neurochimico, quello cognitivo e quello sintomatologico. Tuttavia ciò che emerge è l'attuale mancanza di una teoria di base condivisa sui legami tra la manifestazione di eventi coscienti e le basi neurali del cervello, problema formulato da David Chalmers e noto come «The hard problem» [7]. La ricerca di Paola Zizzi e di Massimo Pregnolato, dell'Università di Pavia, sta dimostrando come anomalie nei processi quantistici neuronali alla base dei passaggi tra inconscio e conscio, abbiano un ruolo nella genesi di questa malattia.

Il gruppo Qpp, in stretta collaborazione con l'Istituto di ricerca di psichiatria e cardiologia quantitativa ed evoluzionistica «Paolo Sotgiu» dell'Università Ludes (diretto da Massimo Cocchi e del cui comitato scientifico fanno parte il nobel per la chimica Kary Mullis, il biomatematico Lucio Tonello, il filosofo Fabio Gabrielli, Massimo Pregnolato e Stuart Hameroff), contribuisce a stabilire sempre più chiaramente il legame tra processi biologici, nello specifico patologie a carico del sistema nervoso e il ruolo della fisica quantistica. La pubblicazione del simposio Qpp sul numero di marzo 2010 di «NeuroQuantology», ha aperto una nuova finestra sulle basi delle malattie psichiatriche. Sul fronte della depressione, l'analisi delle piastrine del sangue di oltre 200 persone tra depresse e sane ha permesso di determinare il livello di specifici acidi grassi nella membrana delle piastrine. I risultati ottenuti ed elaborati da una rete neurale artificiale hanno messo in relazione lo stato depressivo con il livello di acidi grassi permettendo quindi di classificare i soggetti sani, quelli borderline e quelli depressi semplicemente con un'analisi del sangue. Tale ricerca, condotta da Cocchi e Tonello [8] ha destato parecchio clamore anche a seguito della correlazione evidenziata tra i meccanismi biochimici riscontrati nella depressione e la rete dei microtubuli alla base della coscienza quantistica di Hameroff e Penrose. Tutto questo lascia pensare che nei prossimi decenni questo nuovo settore di ricerca scientifica porterà enormi progressi sia nella comprensione sia nella cura delle patologie mentali.

[1] Elisabetta Collini, Cathy Y. Wong, Krystyna E. Wilk, Paul M. G. Curmi, Paul Brumer & Gregory D. Scholes «Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature» «Nature» 463, 644-647 (4 February 2010)

[2] Gregory S. Engel, Tessa R. Calhoun, Elizabeth L. Read, Tae-Kyu Ahn, Tomáš Mančal, Yuan-Chung Cheng, Robert E. Blankenship & Graham R. Fleming «Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems» «Nature» 446, 782-786 (12 April 2007)

[3] Gitt Panitchayangkoon, Dugan Hayes, Kelly A. Fransted, Justin R. Caram, Elad Harel, Jianzhong Wen, Robert E. Blankenship, Gregory S. Engel «Long-lived quantum coherence in photosynthetic complexes at physiological temperature» arXiv:1001.5108v1 [physics.bio-ph] (28 Jan 2010)

[4] Erik M. Gauger, Elisabeth Rieper, John J. L. Morton, Simon C. Benjamin and Vlatko Vedral. Sustained Quantum Coherence and Entanglement in the Avian Compass
Phys. Rev. Lett. 106, 040503 (2011)

[5] Hameroff  S (2010) Clarifying the tubulin bit/qubit - Defending the Penrose-Hameroff Orch OR model of quantum computation in microtubules. October 22, Google Campus.

[6] Bock, GR and Marsh, J Eds (2007) «Ciba Foundation Symposium 174 - Experimental and Theoretical Studies of Consciousness» Novartis Foundation Symposia Series.

[7] Chalmers, D (1995) «Facing Up to the Problem of Consciousness», Journal of Consciousness Studies 2 (3), pp. 200-219.

[8] Cocchi M, Gabrielli F, Tonello L, Pregnolato M (2010) The Interactome Hypothesis of Depression. NeuroQuantology 4: 603-613.

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