Neuroscienze
I limiti
dell’intelligenza
Le leggi della fisica potrebbero impedire
al cervello umano di evolvere in una macchina
pensante ancora più potente
Fotografia di Adam Voorhes
di Douglas Fox
36 Le Scienze
517 settembre 2011
www.lescienze.it
Le Scienze 37
S
Douglas Fox è scrittore e giornalista freelance.
Vive a San Francisco, collabora spesso con «New
Scientist», «Discover» e «Christian Science Monitor»,
ha ottenuto numerosi premi e riconoscimenti.
Cervelli devianti
mati, cetacei o mantidi religiose? Questa domanda, a quanto pare,
non era mai stata posta in termini così generali, ma gli scienziati intervistati in questo articolo sono d’accordo sul fatto che vale la
pena considerarla. «È un punto di grande interesse», dice Vijay Balasubramanian, fisico che studia la codifica neurale dell’informazione all’Università della Pennsylvania. «Non ho mai trovato una
discussione su questo argomento, neppure nella fantascienza».
Intelligenza, ovviamente, è una parola che andrebbe usata con
prudenza. È difficile da misurare e addirittura da definire. Tuttavia sembra equo dire che, secondo la maggior parte dei metodi di
misurazione, gli animali più intelligenti della Terra sono gli esseri
umani. È possibile però che nel corso dell’evoluzione il nostro cervello abbia raggiunto un limite alla capacità di elaborare l’informazione? È possibile che ci siano limiti di natura fisica all’evoluzione di un’intelligenza basata sui neuroni, non solo per gli esseri
umani ma per ogni forma di vita?
38 Le Scienze
L’aumento delle dimensioni del
cervello, per esempio, è utile fino a
un certo punto, superato il quale il
cervello consuma troppa energia e
diventa più lento. Anche migliorare lo
schema dei collegamenti che
attraversano il cervello
10.000
Peso del cervello (grammi)
Il modo più ovvio per potenziare il cervello è farlo diventare più
grande, e in effetti il rapporto tra dimensioni del cervello e intelligenza è una questione che affascina gli scienziati da oltre cent’anni. Tra la fine del XIX secolo e l’inizio del XX i biologi esplorarono alcuni temi universali della vita, ricavando una serie di leggi
matematiche relative alla massa corporea, in particolare a quella cerebrale, che riguardano tutto il regno animale. Un vantaggio
dell’aumento delle dimensioni è che un cervello più grande può
contenere più neuroni, che dovrebbero permettere una crescita in
complessità. Ma già allora era chiaro che l’intelligenza non è determinata dalle sole dimensioni cerebrali: una vacca ha un cervello 100 volte più grande di quello di un topo, ma non sembra molto più sveglia. Le dimensioni del cervello sembrano crescere con
quelle del corpo solo per eseguire compiti banali: per esempio un
corpo più grande potrebbe imporre un carico di lavoro più pesante
per compiti neurali non legati all’intelligenza come il monitoraggio di un numero più grande di nervi tattili, l’elaborazione di segnali provenienti da retine più estese e il controllo di un numero
più elevato di fibre muscolari.
Eugene Dubois, il grande anatomista olandese che scoprì Homo erectus a Giava nel 1892, voleva stimare l’intelligenza degli
animali a partire da crani fossilizzati, e per questo tentò di definire una relazione matematica tra dimensioni cerebrali e dimensioni
corporee, supponendo che gli animali con un cervello sproporzionatamente grande dovevano essere anche più intelligenti. Dubois
consumerebbe energia e
richiederebbe troppo spazio.
Collegamenti più sottili andrebbero
incontro a limiti termodinamici simili
a quelli dei transistor nei processori
dei computer: le comunicazioni
diventano troppo rumorose.
Gli esseri umani, però, potrebbero
ugualmente arrivare a un livello
di intelligenza più elevato in modo
collettivo. E la tecnologia, dalla
scrittura a Internet, ci consente
di espandere la mente oltre i confini
del nostro corpo.
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100
10
1
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Peso corporeo (chilogrammi)
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e altri scienziati accumularono molti dati sul peso del corpo e del
cervello di vari animali; un classico trattato sul tema riporta il peso del corpo, quello dei singoli organi e quello delle ghiandole di
3690 animali, dallo scarafaggio all’airone, fino ai bradipi.
In seguito i successori di Dubois hanno trovato che nei mammiferi il cervello si espande più lentamente del corpo, in particolare alla potenza ¾ della massa corporea. Quindi un ratto muschiato,
con un corpo 16 volte più grande di quello di un topo di campagna, ha un cervello otto volte più grande. Da questa intuizione è
stato ricavato lo strumento concettuale che cercava Dubois: il quoziente di encefalizzazione, che confronta la massa cerebrale effettiva di una specie con quella attesa in base alla massa corporea. In
altre parole, il quoziente di encefalizzazione indica di quale fattore una specie devia dalla legge di potenza ¾. Gli esseri umani hanno un quoziente di 7,5 (i nostri cervelli sono 7,5 volte più grandi di
quanto previsto dalla regola); un delfino del genere dei tursiopi 5,3;
le scimmie arrivano a 4,8; per i bovini, come previsto, il quoziente scende a circa 0,5 (si veda il box in questa pagina). L’intelligenza
potrebbe quindi dipendere dalle dimensioni della riserva neurale rimasta libera dopo che il cervello ha provveduto ai compiti ordinari, come badare alle sensazioni della pelle. Per sintetizzare: è possi-
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bile che l’intelligenza dipenda, almeno in modo superficiale, dalle
dimensioni cerebrali.
Quasi certamente i cervelli di mammiferi e uccelli hanno beneficiato di alcune economie di scala grazie all’espansione delle loro dimensioni. Il numero maggiore di cammini che può percorrere
ciascun segnale tra due neuroni significa che trasporta implicitamente più informazione, e ciò implica che i neuroni di un cervello più grande possono scaricare meno volte al secondo. Nel frattempo però potrebbe essere entrata in gioco una tendenza opposta.
«Ritengo assai probabile che ci sia una legge dei ritorni decrescenti» nell’incrementare indefinitamente l’intelligenza aggiungendo
un numero sempre più grande di nuove cellule cerebrali, dice Balasubramanian. L’aumento delle dimensioni ha anche dei costi, di
cui il più ovvio è un maggiore consumo di energia. Negli esseri
umani, il cervello è già la parte del corpo più affamata di energia;
con il 2 per cento del peso corporeo, questo organo consuma il 20
per cento delle calorie bruciate a riposo, e nei neonati arriva anche al 65 per cento.
Sempre in contatto
1000
Un organo vorace
In breve
L’intelligenza umana potrebbe
essere vicina al suo limite evolutivo.
Diverse ricerche suggeriscono che la
maggior parte delle modifiche che
potrebbero renderci più intelligenti
incontrerebbero limiti imposti dalle
leggi della fisica.
Che sia o meno più intelligente, in genere un animale più grande ha un
cervello più grosso, anche se la massa del cervello non cresce secondo una percentuale fissa ma come la potenza ¾ della massa corporea,
legge che nella scala logaritmica qui sotto è rappresentata da una linea retta. Gli animali insolitamente intelligenti, quindi, sono quelli che
deviano da questa legge esponenziale e si collocano sopra la linea retta; gli esseri umani superano il valore previsto dalla legge di un fattore pari a 7,5, il massimo fra tutte le specie. Oltre un certo punto, però,
l’aumento delle dimensioni del cervello porta ritorni decrescenti (si veda il box a p. 42).
Grafica: Brown Bird Design. Fonte: Brain Size in Vertebrates, di P.A.M. Van Dongen, in «The Central Nervous System of
Vertebrates», Vol. 3, Nieuwenhuys R. e altri (a cura), pp. 2099-2134, Springer, Berlino, 1998
antiago Ramón y Cajal, biologo spagnolo e premio Nobel, mappò l’anatomia neurale degli insetti nei decenni
precedenti la prima guerra mondiale,
e paragonò il loro piccolo circuito dei
neuroni dedicati alla visione a un’orologio da tasca. Quello dei mammiferi,
a confronto, gli sembrava un ingombrante orologio a pendolo da
salotto. In effetti è umiliante pensare che un’ape, con un cervello
di pochi milligrammi, è capace di eseguire compiti, come orientarsi
in un labirinto, alla pari con i mammiferi. Un’ape potrebbe anche
essere limitata da un numero relativamente piccolo di neuroni, ma
sembra proprio che ne tragga il massimo.
All’estremo opposto, con un cervello cinque milioni di volte più
grande, un elefante soffre le inefficienze di un regno che domina
un territorio troppo vasto. Per andare da un lato all’altro del cervello, i segnali impiegano un tempo 100 volte più lungo, e lo stesso avviene per i segnali che vanno dal cervello alle zampe, costringendo questi animali a fare meno affidamento sui riflessi, a
muoversi più lentamente e a sprecare preziose risorse cerebrali per
pianificare ogni passo.
Noi esseri umani non ci troviamo agli estremi dimensionali di
api ed elefanti. Ma poche persone si rendono conto del fatto che le
leggi della fisica pongono vincoli stringenti anche alle nostre facoltà mentali. Gli antropologi si sono posti il problema dei possibili fattori anatomici che limitano l’espansione del cervello chiedendosi, per esempio, se un cervello più grande riuscirebbe a passare
nel canale del parto. E anche supponendo che l’evoluzione risolva
questo problema, possiamo porci quesiti più profondi.
Per esempio potremmo ipotizzare che il processo evolutivo
aumenti il numero di neuroni del nostro cervello o la frequenza
con cui i neuroni si scambiano informazioni, e che queste modifiche ci rendano più abili e intelligenti. Diverse linee di ricerca, però, sembrano suggerire che presto questo genere di miglioramenti sperimenterebbe limiti di tipo fisico che, in ultima analisi,
sono riconducibili alla natura dei neuroni e al rumore statistico degli scambi chimici con cui comunicano. «Informazione, rumore ed
energia sono legati in modo inestricabile», dice Simon Laughlin,
neuroscienziato dell’Università di Cambridge. «C’è un collegamento a livello termodinamico».
Dobbiamo dunque pensare che le leggi della termodinamica impongano un limite all’intelligenza basata su neuroni universalmente valido per ogni tipo di organismo, che si tratti di uccelli, pri-
una leg ge e le sue eccezioni
Gran parte del carico energetico dovuto alle dimensioni del cervello arriva dalla rete di comunicazione: nella corteccia cerebrale
umana, l’80 per cento dell’energia consumata riguarda le comunicazioni. Con l’aumentare delle dimensioni, però, la rete di connessioni fra i neuroni sperimenta difficoltà più sottili, di tipo strutturale. In effetti, mentre continuavano a raccogliere dati sulla massa
cerebrale in varie specie, già verso la metà del XX secolo i biologi
si dedicarono a un compito ancora più difficile: definire i «principi
di progettazione» del cervello e come questi principi continuano a
essere rispettati in cervelli di grandezza anche molto diversa.
Un neurone tipico ha una specie di coda allungata chiamata assone. L’estremità dell’assone si ramifica e forma una serie di sinapsi, cioè punti di contatto, con altre cellule. Come fili del telegrafo, gli assoni possono collegare le diverse parti del cervello oppure
riu­nirsi in fasci a formare i nervi che dal sistema nervoso si estendono verso le varie parti del corpo.
Nei loro pionieristici sforzi, grazie al microscopio i biologi misurarono il diametro degli assoni, la densità spaziale e le dimensioni
delle cellule nervose e il numero di sinapsi per cellula. Esaminarono centinaia, in alcuni casi migliaia, di cellule per ciascun cervello in decine di specie. Decisi ad affinare le loro curve matematiche
estendendole ad animali sempre più grandi, scoprirono addirittura
come estrarre intatto il cervello dalle carcasse delle balene. Il procedimento, descritto negli anni ottanta dell’Ottocento dal biologo
Gustav Adolf Guldberg, richiedeva cinque ore, una sega da boscaiolo a due manici, ascia, scalpello e grande forza fisica per aprire la
parte superiore del cranio di una balena come una lattina.
Questi studi hanno mostrato che l’aumento delle dimensioni cerebrali tra le specie provoca diversi piccoli cambiamenti che probabilmente sono insostenibili. Innanzitutto, aumentano le dimensioni
medie delle cellule nervose. Questo fenomeno consente la formazione di un numero sempre più grande di connessioni per ciascun
neurone via via che aumenta il numero totale dei neuroni. Cellule
più grandi però sono stipate nella corteccia cerebrale in modo meno denso, quindi aumenta la distanza tra le cellule e la lunghezza
degli assoni che le collega. Un assone più lungo ha bisogno di più
tempo per inviare i segnali da una cellula all’altra, e per mantenere una velocità accettabile deve aumentare di spessore (assoni più
spessi trasportano i segnali più velocemente).
I ricercatori inoltre hanno scoperto che con l’aumento delle di-
Le Scienze 39
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I l l i m i t e d e l l a m i n i at u r i z z a z i o n e
Fisica del pensiero
Con transistor più piccoli si possono fare computer più potenti; allo stesso
modo, in linea di principio un cervello con componenti più piccoli potrebbe
essere più potente e diventare più rapido. I neuroni umani, però, e in particolare i loro prolungamenti chiamati assoni, potrebbero già essere arrivati
(o essere molto vicini) ai loro limiti fisici.
Gli assoni consentono ai neuroni di formare
reti. Quando un neurone scarica, invia un segnale elettrico lungo l’assone, che a sua volta stimola altri neuroni. Il segnale viaggia lungo
l’assone aprendo i canali ionici della membra-
Assone
Neurone
na cellulare (immagine a sinistra), che in questo modo lasciano passare gli
ioni. Quando un numero sufficiente di ioni ha attraversato un canale, aumenta la tensione elettrica fra i due lati della membrana, e a sua volta questo fenomeno causa l’apertura anche dei canali vicini, come in un effetto domino.
Assoni più sottili farebbero risparmiare spazio ed energia. La natura, però,
sembra già aver ridotto il diametro degli assoni al minimo possibile, o quasi:
se fossero ancora un po’ più sottili, l’apertura casuale dei canali renderebbe gli assoni troppo rumorosi. In altre parole, gli assoni invierebbero troppi
segnali quando in realtà il neurone non deve scaricare.
BIP BIP SENZA CONSEGUENZE. In un assone, quando
un canale ionico si apre spontaneamente poi si chiude
da solo prima di poter produrre alcun effetto.
Canale
aperto
Canale
chiuso
Illustrazione di Brown Bird Design. Fonte: Ion-Channel Noise Places Limits on the Miniaturization of the Brain’s Wiring, di A. Aldo Faisal,
John A. White e Simon B. Laughlin, in «Current Biology», Vol. 15, n. 12, pp. 1143-1149, 21 giugno 2005.
mensioni cerebrali tra le specie aumenta anche il numero di aree del volume della sostanza grigia (il corpo cellulare principale dei
distinte in cui si divide un cervello. Per vedere queste aree basta neuroni, che ne contiene il nucleo). In altre parole, con l’aumencolorare il tessuto cerebrale e poi osservarlo al microscopio: le va- tare delle dimensioni del cervello aumenta la porzione di volume
rie zone della corteccia hanno colori diversi. In molti casi queste cerebrale dedicata ai cavi di collegamento invece che la porzioaree corrispondono a funzioni specializzate, per esempio la com- ne dedicata alle singole cellule che svolgono l’effettiva elaborazioprensione del linguaggio o il riconoscimento dei volti. E con l’au- ne dell’informazione; e questo, di nuovo, fa pensare che a un certo
mento delle dimensioni cerebrali la specializzazione si sviluppa punto l’aumento delle dimensioni diventi impraticabile.
anche in un’altra dimensione: aree equivalenti degli emisferi destro e sinistro assumono funzioni diverse, per esempio ragiona- Il primato dei primati
mento spaziale contro ragionamento verbale.
Se questo è lo stato delle cose, è facile capire perché una vacPer decenni la divisione del cervello in numerosi compartimen- ca non ottenga da un cervello grande come un pompelmo neanche
ti di lavoro è stata vista come il marchio dell’intelligenza. Ma per un briciolo di prestazioni in più rispetto a quelle ottenute da un toMark Changizi, neurobiologo dei 2AI Labs di Boise, negli Stati po, che ha un cervello grande appena come un chicco d’uva. Ma
Uniti, potrebbe anche essere il riflesso di un fatto più banale: la l’evoluzione ha anche trovato come aggirare i problemi a un livelspecializzazione compensa i problemi di connessione che si ve- lo fondamentale. Nel 2007 Jon H. Kaas, neuroscienziato alla Vanrificano quando il cervello diventa più grosso. Nel passaggio dal derbilt University, ha confrontato la morfologia delle cellule cecervello di un topo a quello di una vacca, che ha un numero di rebrali di varie specie di primati, scoprendo una caratteristica che
neuroni 100 volte più grande, è impossibile che i neuroni si espan- cambia le regole del gioco e che probabilmente ha dato agli esseri
dano abbastanza in fretta da restare connessi come prima. Il cer- umani un vantaggio importante.
vello risolve il problema confinando i neuroni che svolgono funKaas ha trovato che, a differenza della maggior parte dei mamzioni simili in tanti moduli altamente connessi al loro interno, e miferi, nei primati le dimensioni dei neuroni corticali crescono pocon un numero assai più piccolo di connessioni a lunga distanza co all’aumentare del volume del cervello. Alcuni neuroni in effetfra moduli. Anche la divisione delle funzioni tra emisfero destro ti diventano più grandi e potrebbero avere il compito di mantenere
ed emisfero sinistro risolve un problema anail tutto ben collegato, ma la maggior parte auNei primati,
logo: riduce la quantità di informazione che
menta poco le proprie dimensioni. Nei primati,
deve passare tra gli emisferi, minimizzando il
quindi, all’aumentare dei volumi del cervello
a differenza
numero di lunghi assoni interemisferici netra le specie, la densità volumetrica dei relatidelle altre specie,
cessari. «Queste caratteristiche apparentemenvi neuroni è quasi costante. Dunque, passando
te complesse dei cervelli più grandi sono solo
dalle uistitì alle scimmie notturne si raddoppia
con l’aumentare
contorsioni necessarie a risolvere il problema
sia la massa cerebrale sia il numero dei neurodelle dimensioni
delle connessioni» all’aumentare delle dimenni, mentre nei roditori raddoppiando la massa
sioni, sostiene Changizi. «Non ci dicono che il
del cervello il numero dei neuroni aumenta sodel cervello,
cervello è più intelligente».
lo del 60 per cento. Le conseguenze di questa
i neuroni della
Jan Karbowski, neuroscienziato dell’Accadifferenza sono enormi. Gli esseri umani hancorteccia cerebrale no 100 miliardi di neuroni in 1,4 chilogramdemia polacca delle scienze a Varsavia, è d’accordo. «I cervelli devono ottimizzare simuldi cervello, ma un roditore che seguisse le
crescono ben poco mi
taneamente una serie di parametri, quindi è
sue consuete regole di scala neuronali, per raginevitabile che ci siano compromessi», dice. «Se si vuole migliorare giungere quello stesso numero di cellule nervose dovrebbe avere
una cosa, se ne rovina un’altra». Per esempio, che cosa accadreb- un cervello di 45 chilogrammi, un organo dall’impatto metabolico
be se espandessimo il corpo calloso (il fascio di assoni che con- devastante. «Questo potrebbe essere uno dei motivi per cui i grandi
nette i due emisferi) abbastanza in fretta da mantenere costante roditori non sembrano affatto più intelligenti rispetto a quelli picla connettività durante l’espansione? E se poi facessimo diventare coli», dice Kaas.
più spessi questi assoni per evitare un aumento del tempo necessaSembra che neuroni più piccoli stipati in modo più denso abrio ai segnali per passare da un emisfero all’altro? Il corpo calloso biano un impatto reale sull’intelligenza. Nel 2005 Gerhard Roth e
si espanderebbe e allontanerebbe gli emisferi, neutralizzando i mi- Ursula Dicke, neurobiologi dell’Università di Brema, hanno analizglioramenti sperati.
zato diversi tratti predittivi dell’intelligenza tra le specie (misuraQuesto compromesso tra vantaggi e svantaggi è stato messo in ta in termini di complessità comportamentale) addirittura più effievidenza da esperimenti che hanno mostrato la relazione tra spes- caci rispetto al quoziente di encefalizzazione. «L’unica correlazione
sore degli assoni e velocità di conduzione. Alla fine dei conti, spie- forte dell’intelligenza – dice Roth – è con il numero di neuroni delga Karbowski, all’aumentare delle dimensioni del cervello in effet- la corteccia, più la velocità dell’attività neuronale», che diminuisce
ti i neuroni diventano più grandi, ma non abbastanza da restare con la distanza tra i neuroni e cresce con il grado di mielinizzazioconnessi in modo adeguato. Anche gli assoni diventano più spessi, ne degli assoni. (La mielina è l’isolante grasso che consente agli
ma non abbastanza da neutralizzare l’aumento del tempo di tra- assoni di trasmettere i segnali più velocemente.)
smissione dei segnali.
Se Roth ha ragione, i piccoli neuroni dei primati avrebbero un
Evitare un aumento troppo rapido dello spessore degli assoni fa duplice effetto: permetterebbero sia una crescita più grande del
risparmiare non solo spazio ma anche energia, dice Balasubrama- numero di neuroni corticali all’aumentare delle dimensioni del
nian. Raddoppiando lo spessore di un assone si raddoppia anche il cervello sia comunicazioni più veloci, visto che le cellule hanno
consumo energetico, mentre la velocità degli impulsi aumenta so- maggiore densità volumetrica. Elefanti e balene sono ragionevollo del 40 per cento. Anche con tutti questi accorgimenti, il volume mente intelligenti, ma le grandi dimensioni dei loro neuroni e cerdella sostanza bianca (gli assoni) continua a crescere più in fretta velli è causa di inefficienza. «La densità volumetrica dei neuroni è
CASCATA NON VOLUTA. In un assone più sottile,
l’apertura di un singolo canale ha una probabilità più
alta di innescare anche l’apertura dei canali vicini,
dando il via a una reazione a catena.
Ione
Segnale
più bassa – dice Roth – il che significa che la distanza tra
i neuroni è più grande e la velocità degli impulsi nervosi è
molto più piccola».
Di recente i neuroscienziati hanno osservato un andamento analogo negli esseri umani: le persone con comunicazioni più rapide
tra le diverse aree cerebrali sembrano più brillanti. Uno studio del
2009 diretto da Martin P. van den Heuvel, dell’Universitair Medisch
Centrum di Utrecht, ha usato una tecnica con cui visualizzare l’attività cerebrale per misurare il grado di comunicazione diretta tra le
diverse aree cerebrali, vale a dire se le comunicazioni tra due determinate aree attraversano poche o molte aree intermedie. Van den
Heuvel ha trovato che i percorsi più corti tra le aree cerebrali corrispondevano ai QI più elevati. Sempre nel 2009 Edward Bullmore,
neuroscienziato dell’Università di Cambridge, ha ottenuto risultati analoghi adottando un approccio diverso. Bullmore ha determinato la memoria di lavoro (cioè la capacità di tenere a mente diversi numeri contemporaneamente) in 29 persone sane. Poi ha usato
le registrazioni dei campi magnetici generati dall’attività elettrica
cerebrale dei soggetti studiati per stimare la velocità di flusso delle comunicazioni fra le aree del cervello. Le persone che avevano le
comunicazioni più dirette e gli scambi più rapidi di segnali tra sinapsi avevano anche la migliore memoria di lavoro.
Sono scoperte di importanza fondamentale. Sappiamo che
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quando il cervello diventa più grande risparmia spazio ed energia, limitando il numero di connessioni dirette fra le varie regioni.
Il grande cervello degli esseri umani ha un numero relativamente piccolo di connessioni del genere. Bullmore e van den Heuvel,
però, hanno mostrato che queste rare vie di comunicazione «senza scalo» hanno un’influenza sproporzionata sull’intelligenza: un
cervello che risparmiasse su queste risorse tagliandone anche solo
qualcuna funzionerebbe notevolmente peggio. «L’intelligenza ha
un prezzo», conclude Bullmore. «Il prezzo è che non basta ridurre
al minimo i cavi di collegamento».
Il progetto dell’intelligenza
Se davvero la comunicazione tra neuroni e tra le aree cerebrali
è un importante collo di bottiglia che limita l’intelligenza, neuroni che evolvessero verso dimensioni ancora più piccole (e quindi
fossero più vicini fra loro e capaci di comunicare più rapidamente) dovrebbero portare a cervelli più intelligenti. Analogamente,
un cervello potrebbe diventare più efficiente con l’evoluzione di
assoni capaci di trasmettere segnali più velocemente e a distanza più lunga ma che non debbano diventare più spessi. Tuttavia
c’è qualcosa che impedisce agli animali di ridurre le dimensioni di
neuroni e di assoni oltre un certo limite. Si potrebbe chiamare la
madre di tutti i vincoli: le proteine usate dai neuroni per generare
Le Scienze 41
I L PROBLEMA DEi COMPROMESSi
Perché (forse) non possiamo diventare più intelligenti
La miniaturizzazione è solo una delle tante modifiche evolutive che in linea di principio potrebbero aumentare la nostra intelligenza e allo stesso tempo produrre svantaggi e sperimentare difficoltà termodinamiche. Forse siamo già vicini al livello massimo possibile per un’intelligenza basata sui neuroni.
Cervello attuale
AZIONE Aumento delle
dimensioni del cervello
Aumentare le dimensioni
aggiungendo altri neuroni
incrementa le capacità di
elaborazione.
AZIONE Stipare più neuroni
nello stesso spazio
Si ottiene riducendo le
dimensioni di neuroni e assoni.
AZIONE Aumento delle
connessioni
Aggiungere nuovi collegamenti
tra neuroni lontani consente alle
varie parti del cervello di
comunicare a velocità maggiore.
AZIONE Aumento della
velocità dei segnali
Si potrebbe ottenere
aumentando lo spessore
degli assoni.
SVANTAGGIO Gli assoni più
spessi consumano più
energia di quelli sottili.
SVANTAGGIO I collegamenti in
più consumano molta energia.
RISULTATO
Lentezza
di
elaborazione
Costo
energetico
eccessivo
gli impulsi elettrici, i cosiddetti canali ionici, sono intrinsecamente inaffidabili.
Un canale ionico è una minuscola valvola che si apre e si chiude sfruttando cambiamenti nel ripiegamento della propria struttura molecolare. Quando un canale si apre, consente agli ioni sodio,
potassio o calcio di attraversare la membrana cellulare, generando
i segnali elettrici grazie a cui i neuroni comunicano. Ma dato che
sono così piccoli, i canali ionici possono essere aperti o chiusi anche solo dalle vibrazioni termiche. Basta un semplice esperimento
biologico a mettere a nudo questo difetto. Isoliamo un canale ionico sulla superficie di una cellula nervosa mediante un microscopico tubo di vetro, un po’ come si può mettere un bicchiere di
42 Le Scienze
Segnalazione
troppo
rumorosa
vetro sopra una formica che si sposta su un tavolo. Quando regoliamo la tensione sul canale ionico – azione che ne causa l’apertura o la chiusura – il canale non passa da acceso a spento e viceversa con la stessa affidabilità dell’interruttore di una stanza, ma
oscilla, aprendosi e chiudendosi casualmente. A volte non si apre
affatto, altre volte si apre quando non dovrebbe. Cambiando la
tensione, tutto quello che facciamo è cambiare la probabilità di
apertura del canale.
Sembra uno spaventoso difetto di progetto dell’evoluzione, ma
in realtà è un compromesso. «Se la molla dell’interruttore del canale scatta troppo facilmente, il rumore di fondo la farà scattare di
continuo», dice Laughlin; proprio quello che si osserva nell’espe-
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Illustrazione di Brown Bird Design
SVANTAGGIO I neuroni
consumano molta energia.
E con l’aumento delle dimensioni
del cervello, gli assoni, i «fili»
che collegano i neuroni, devono
diventare più lunghi e quindi
più lenti.
SVANTAGGIO Se diventano
troppo piccoli, i neuroni
scaricano a caso.
rimento appena descritto. «Se la molla è più rigida, si ha meno ru- re Roth, i cervelli di api, polpi, cornacchie e mammiferi intelligenmore – continua Laughlin– ma per farla scattare ci vuole uno sfor- ti, non sembrano affatto simili tra loro. Ma se osserviamo i circui­ti
zo maggiore», e i neuroni sono costretti a consumare più energia responsabili di compiti come la visione, l’olfatto, la memoria epiper controllare i canali. In altre parole, l’uso di canali ionici che sodica della sequenza degli eventi e la capacità di muoversi nel
scattano subito fa risparmiare energia ai neuroni, ma l’effetto col- proprio ambiente, vediamo che «hanno tutti, ed è davvero stupefalaterale è che i canali possono chiudersi o aprirsi accidentalmente. cente, la stessa configurazione di base». Questo genere di converIl compromesso a cui si arriva implica che i canali sono affidabi- genza evolutiva in genere fa pensare che una certa soluzione anali solo se usati in gran numero, in modo che «votino» sulla genera- tomica o fisiologica ha raggiunto la maturità, e quindi potrebbe
esserci poco spazio per ulteriori miglioramenti.
zione o meno di un impulso neuronale.
Forse la vita è arrivata a un progetto neurale ottimale. Questo
Ma se i neuroni diventano più piccoli questo tipo di votazione
diventa problematica. «Se si riduce la grandezza dei neuroni, si ri- progetto è eseguito passo dopo passo attraverso una coreografia
duce anche il numero dei canali disponibili per la trasmissione del in cui le cellule dell’embrione in via di sviluppo interagiscono mediante molecole di segnalazione e contatti fisici, ed è radicato nel
segnale», dice Laughlin. «E questo aumenta il rumore».
In due studi pubblicati nel 2005 e 2007, Laughlin ha calcolato processo evolutivo.
se la necessità di includere o meno un numero sufficiente di canali ionici pone un limite minimo alle dimensioni degli assoni. I ri- Faremo come le api?
sultati sono stati sorprendenti. «Quando il diametro degli assoni si
Una volta considerati i componenti di base disponibili, possiariduce a 150-200 nanometri, il loro rumore intrinseco diventa in- mo chiederci se gli esseri umani hanno raggiunto il limite fisico
sostenibile», spiega Laughlin. A quel punto l’assone ha un nume- della complessità del cervello. Laughlin dubita del fatto che ci siaro così piccolo di canali ionici che anche l’apertura accidentale di no limiti assoluti per le funzioni cerebrali come per esempio c’è un
un solo canale può spingere l’assone a far partire un segnale an- limite assoluto alla velocità della luce. «È più probabile che ci sia
che quando il neurone non aveva intenzione di comunicare (si ve- una legge dei ritorni decrescenti», dichiara. «Più aumentano gli inda il box a p. 41). Già ora, negli assoni cerebravestimenti e meno ne vale la pena». Nel nostro
li più piccoli probabilmente partono sei impulsi
cervello, più di tanti neuroni non possono entraGià oggi
accidentali al secondo. Se gli assoni diventassero
re; i neuroni non possono stabilire più di tante
gli assoni
solo un po’ più piccoli, è probabile che si arriveconnessioni fra loro e queste connessioni possorebbe a 100 impulsi accidentali al secondo. «Già
dei neuroni della no condurre solo un certo numero di impulsi al
oggi gli assoni dei neuroni della materia grigia
secondo. In più, se il nostro corpo e il nostro cermateria grigia
corticale sono molto vicini ai loro limiti fisici»,
vello dovessero diventare molto più grandi, ci saconclude Laughlin.
rebbero dei costi in termini di energia, dissipaziocorticale sono
Questo fondamentale compromesso tra inforne del calore e tempo necessario agli impulsi per
molto vicini ai
mazione, energia e rumore non è limitato alla
viaggiare da una parte all’altra del cervello.
loro limiti fisici
biologia. Si applica a qualsiasi cosa, dalle comuLa mente umana, però, potrebbe miglioranicazioni a fibre ottiche agli apparecchi dei rare senza l’intervento dell’evoluzione biologica.
dioamatori, fino ai microprocessori dei computer. In particolare i In fondo le api, come del resto altri insetti sociali, fanno proprio
transistor dei microprocessori funzionano da controllori per il pas- questo: agiscono di concerto con le loro sorelle di alveare, formasaggio dei segnali elettrici, proprio come i canali ionici. Da cin- no un’entità collettiva più intelligente della somma delle parti di
quant’anni gli ingegneri continuano a ridurre le dimensioni dei cui è composta. E anche noi, attraverso le interazioni sociali, abtransistor, aumentando la loro densità nei microprocessori per re- biamo imparato a mettere insieme la nostra intelligenza con quelalizzare computer sempre più veloci. I transistor dei microproces- la degli altri.
sori più recenti misurano 22 nanometri. A queste dimensioni diE poi c’è la tecnologia. Per migliaia di anni il linguaggio scritventa difficile drogare in modo uniforme il silicio (il «drogaggio» to ci ha permesso di immagazzinare informazioni fuori dal noprevede l’aggiunta di piccole quantità di altri elementi per regola- stro corpo, di andare oltre le capacità di memorizzazione del nore le proprietà del semiconduttore). Quando si arriverà intorno a 10 stro cervello. Si potrebbe sostenere che Internet sia la conseguenza
nanometri, i transistor saranno così piccoli che la presenza o l’as- ultima di questa tendenza all’espansione dell’intelligenza oltre il
senza casuale di un singolo atomo di boro li farà comportare in corpo. In un certo senso potrebbe essere vero, come afferma qualmodo imprevedibile.
cuno, che Internet ci rende stupidi: l’intelligenza collettiva umana
Gli ingegneri potrebbero superare i limiti degli attuali transistor – cultura e computer – potrebbe aver ridotto la spinta all’evoluzioprogettando microprocessori basati su tecnologie del tutto nuo- ne di individui molto più intelligenti.
n
ve. Ma l’evoluzione non può partire da zero: deve per forza lavorare all’interno degli schemi e con i componenti che già esistono da
mezzo miliardo di anni, spiega Heinrich Reichert, che studia neuper approfondire
robiologia dello sviluppo all’Università di Basilea. È un po’ come
cercare di costruire una nave da guerra partendo da componenti Evolution of the Brain and Intelligence. Roth G. e Dicke U., in «Trends in Cognitive
Sciences», Vol. 9, n. 5, pp. 250-257, maggio 2005.
modificati con cui si fabbricano gli aeroplani.
C’è poi un’altra ragione per dubitare del fatto che un grande Cellular Scaling Rules for Primate Brains. Herculano-Houzel S., Collins C.E., Wong
P. e Kaas J.H., in «Proceedings of the National Academy of Sciences», Vol. 104, n. 9,
salto evolutivo possa condurre a cervelli più intelligenti. Ai tem- pp. 3562-3567, 27 febbraio 2007.
pi dell’evoluzione dei primi neuroni, la biologia forse poteva ave- Efficiency of Functional Brain Networks and Intellectual Performance. van den
re un’ampia gamma di opzioni, ma 600 milioni di anni dopo si è Heuvel M.P., Stam C.J., Kahn R.S. e Hulshoff Pol H.E., in «Journal of Neuroscience»,
verificato qualcosa di molto particolare. A prima vista, fa nota- Vol. 29, n. 23, pp. 7619-7624, 10 giugno 2009.
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