La mente è una macchina predittiva? La teoria bayesiana del cervello

Introduzione alla teoria bayesiana del cervello

La teoria bayesiana del cervello è una concezione innovativa nelle neuroscienze e nella filosofia che propone ipotesi per comprendere il funzionamento della mente. Secondo questa teoria, il cervello utilizza le credenze (definite come stime di probabilità) per elaborare le informazioni sensoriali e decidere quali azioni intraprendere.

Emergendo da un ricco patrimonio filosofico e scientifico con premesse nelle opere di Immanuel Kant, William James, o anche Hermann von Helmholtz, questa teoria coinvolge principalmente due concetti fondamentali: credenza e gerarchia; e quattro principi associati: previsione, errore di previsione, accuratezza e aggiornamento.

Sebbene questi concetti siano usati frequentemente in psicologia, assumono un significato molto diverso per questa teoria, contribuendo alla sua complessità.

La credenza, il cuore della teoria bayesiana

Il primo fondamento della teoria è la nozione di credenza. In filosofia, la credenza è spesso definita come l’accettazione che una proposizione è vera, o come la giustificazione per eseguire un’azione. Viene poi assimilato a uno stato categoriale e binario: credo o non credo.

La credenza bayesiana ha un significato più specifico e si riferisce a una stima probabilistica di un fenomeno. Ad esempio, il nostro cervello può stimare che c’è una bassa probabilità che un elefante venga visto per le strade di Parigi e una media probabilità che scoppi una guerra mondiale nei prossimi dieci anni. La credenza è quindi una questione di probabilità.

Questo concetto alternativo di credenza è direttamente associato al teorema di Bayes, un teorema originariamente proposto dal reverendo Thomas Bayes nel 18° secolo per calcolare la probabilità di nuove informazioni sulla base di dati preesistenti.

Credere è prevedere

Applicato al cervello, il teorema di Bayes permette quindi di rappresentare il modo in cui le credenze probabilistiche (dati preesistenti) influenzano l’elaborazione di informazioni sensoriali (nuove informazioni), quindi si modificano nel corso delle esperienze (registrazione di nuovi dati).

Queste convinzioni probabilistiche consentono al cervello di generare previsioni sugli input sensoriali. Così, la convinzione di essere in riva all’oceano faciliterà la previsione del profumo resinoso dei pini, del suono delle onde che si infrangono sulla spiaggia o della morbida carezza della sabbia sotto i piedi.

Queste credenze probabilistiche possono anche influenzare la percezione del mondo favorendo gli input sensoriali che il cervello si aspetta di ricevere. Quindi, se penso che la mia tazza di caffè sia calda, sento la sensazione tattile di calore quando la prendo, anche se è solo caffè freddo.

Più gerarchia

La teoria bayesiana del cervello presuppone anche che queste credenze siano organizzate sotto forma di una gerarchia. Questa gerarchia di credenze funziona come una gerarchia di ipotesi: ad ogni livello della gerarchia, le credenze di livello superiore vengono quindi utilizzate per formulare ipotesi su informazioni di livello inferiore.

Ad esempio, ogni segnale sensoriale mobilita una cascata bidirezionale di elaborazione delle informazioni, confrontando segnali crescenti generati dall’elaborazione di input sensoriali e segnali discendenti da aree corticali di livello associativo superiore, coinvolte ad esempio nel sentimento, nel ragionamento logico o persino nella metacognizione.

L’influenza di questi segnali discendenti generati da credenze probabilistiche è evidente per la percezione: la convinzione di essere nella foresta favorisce la percezione di un albero, anche se è solo un’antenna telefonica. Allo stesso modo, quando ascoltiamo furtivamente una conversazione indistinta, la convinzione di essere calunniati favorisce la percezione di parole malevoli, a volte in modo del tutto artificiale!

Questa gerarchia di ipotesi consente al cervello di elaborare i segnali sensoriali in più fasi, utilizzando credenze semantiche di livello superiore per elaborare segnali sensoriali complessi e credenze percettive di base per elaborare segnali sensoriali più basilari. La percezione consapevole di uno stimolo nell’ambiente è quindi il frutto di questo fragile equilibrio tra credenza e input sensoriali.

È tutta una questione di precisione

La teoria suggerisce infine che la differenza tra predizioni e informazioni sensoriali genera errori di predizione. Ad esempio, se pensavamo di sentire il calore sulla nostra mano quando abbiamo afferrato la tazza di caffè, ma scopriamo che fa freddo, il cervello genera un errore di previsione. Questo messaggio di errore risale la gerarchia e viene utilizzato per aggiornare le credenze.

Tuttavia, questo aggiornamento non è casuale e dipende dall’accuratezza delle previsioni e dagli errori di previsione. Sarà difficile aggiornare previsioni accurate anche se contraddette da input sensoriali. Al contrario, errori di previsione accurati causeranno aggiornamenti più grandi.

Questa precisione è modulata in modo vitale dal cervello in base al nostro ambiente: quando camminiamo al buio, le informazioni visive sono codificate con poca precisione, mentre aumenta la precisione delle informazioni tattili e propriocettive.

Questo processo impedisce alla tigre di peluche di cui percepiamo i contorni di generare la convinzione che una tigre in carne e ossa sia pronta a saltarci addosso per divorarci. Al contrario, gli stessi stimoli visivi in una giungla tropicale avranno un alto grado di accuratezza e genereranno più facilmente la convinzione che dobbiamo fuggire il più rapidamente possibile.

Rivalità in vista

Diversi studi hanno anche dimostrato che la nostra percezione visiva è prodotta da un equilibrio tra le previsioni su ciò che il cervello si aspetta di percepire e una combinazione di informazioni sensoriali dalle nostre due retine. Uno degli esempi più eclatanti di questo fenomeno è la rivalità binoculare: si verifica quando due forme diverse si presentano contemporaneamente davanti a ciascun occhio. Così, quando l’immagine di una tigre è presentata all’occhio destro e quella di un elefante all’occhio sinistro, vediamo alternativamente una tigre e un elefante, piuttosto che una combinazione dei due animali: c’è rivalità.

In realtà, i nostri neuroni cercano costantemente di combinare le informazioni di ciascuna delle retine per unificare la percezione visiva. Tuttavia, ad eccezione delle chimere e degli animali di fantascienza, non siamo abituati a vedere una tigre e un elefante fusi insieme. Questa visione innesca una serie di errori di predizione (previsione di una tigre e avvistamento di un elefante; quindi previsione di un elefante e avvistamento di una tigre) e ripetuti aggiornamenti di credenze: l’ipotesi. La visuale più probabile si sposta successivamente dalla tigre all’elefante per gli errori di predizione nella gerarchia delle credenze.

Allo stesso modo, la teoria bayesiana spiega come il cervello riesca a mantenere un’immagine stabile del mondo nonostante il movimento degli occhi e del corpo. Prevedendo in anticipo le informazioni sensoriali più probabili dopo l’esecuzione di un’azione, il cervello può anticipare come si evolveranno le forme che percepisce mentre gli occhi si muovono e, in cambio, correggere queste previsioni in base all’input sensoriale. Questo sistema di anticipazione consente di mantenere percezioni unificate nonostante i movimenti del corpo e di percepire correttamente il nostro ambiente quando eseguiamo le azioni quotidiane. Tuttavia, viene disturbato quando lo mettiamo alla prova, ad esempio quando si cade da un bungee jump o si fa il giro delle montagne russe.

Emozione, un errore di previsione

Queste previsioni non si limitano alla vista: il nostro cervello predice costantemente il ritmo del nostro battito cardiaco, il grado di contrazione dei nostri visceri intestinali, il calore della nostra pelle o la dilatazione della nostra vescica. Queste predizioni sono alla base dell’interocezione, denotando la percezione dei segnali provenienti dall’interno del corpo, e potrebbero essere cruciali per un gran numero di processi cognitivi e affettivi, inclusa l’emozione!

In realtà, le previsioni interocettive sono costantemente accoppiate con l’attività motoria, cioè quando l’organismo esegue un movimento programmato, le previsioni interocettive si adattano automaticamente all’azione e non generano errori di previsione. Ad esempio, se iniziamo a fare jogging, le previsioni sulla nostra frequenza cardiaca si adatteranno gradualmente all’aumento dei nostri battiti cardiaci e il nostro cervello non sarà sorpreso da questi cambiamenti: cervello e corpo si armonizzano.

Al contrario, stimoli imprevisti causano cambiamenti interocettivi non programmati nel corpo. Quindi, se scopriamo un cobra nel nostro appartamento, il nostro battito cardiaco accelera improvvisamente quando il nostro cervello non lo aveva previsto. L’inaspettata tachicardia genera errori di previsione sulla frequenza cardiaca, che vengono elaborati automaticamente dal cervello come segnale di avvertimento: questi segnali sono oggi considerati nella teoria bayesiana del cervello come la base elementare dell’emozione e dell’umore.

Prospettive per il futuro

In medicina, questa teoria permette anche di comprendere meglio i disturbi psichiatrici e neurologici, come le allucinazioni nella psicosi, l’umore triste nella depressione, l’esaltazione nella bipolarità o il desiderio nella tossicodipendenza. Nuove ipotesi stanno iniziando a essere testate sui disturbi dello spettro autistico o persino sull’anoressia nervosa e potrebbero anche sconvolgere la comprensione di questi disturbi.

Anche la comprensione del legame tra interocezione e disturbi psichiatrici è in prima linea, in particolare nei disturbi dell’umore o nella psicopatologia perinatale. La gravidanza, ad esempio, è un periodo di grandi sconvolgimenti nell’interocezione e questi cambiamenti potrebbero essere coinvolti in fenomeni patologici come la depressione postpartum. Infine, queste ipotesi offrono un nuovo sguardo sull’associazione tra sintomi depressivi e patologie intestinali croniche come la sindrome dell’intestino irritabile.

Nonostante queste prospettive promettenti ispirate alla nostra fantastica architettura cerebrale, resta da definire con precisione come le credenze probabilistiche siano codificate dal cervello e modificate dalle nostre esperienze. Una migliore comprensione di questi fenomeni ci consentirebbe di sviluppare trattamenti più efficaci contro i disturbi neuropsichiatrici e di aprire nuove ipotesi sulla genesi delle credenze sociali, politiche o religiose.