Bandi Tesi di laurea 2023

La necessità di una base fisica dei nostri processi mentali

di Alessandro Rossi
Prof. Ordinario di Neurologia
Direttore Scientifico Fondazione Gianfranco Salvini ETS

Premessa
I sistemi biologici manifestano una dinamicità intrinseca, interagendo in modo continuo con l'ambiente per scambiare energia e materia al fine di mantenere uno stato di non equilibrio, condizione essenziale per la vita. L'evoluzione delle tecniche sperimentali ha consentito un'analisi sempre più approfondita della dinamica biologica, rivelando evidenze di effetti meccanici quantistici in una gamma di processi biologici che sfidano le spiegazioni della fisica classica. La disciplina della biologia quantistica si propone di indagare specificamente tali fenomeni, e in questa sede, offriamo una breve panoramica dello stato attuale di questo campo.
Tutti gli organismi viventi sono costituiti da molecole, le quali sono fondamentalmente regolate dalla meccanica quantistica. Tuttavia, tradizionalmente, la notevole differenza di scala tra i sistemi descritti dalla meccanica quantistica e quelli esaminati in biologia, insieme alle apparenti disparità nelle proprietà tra materia inanimata e animata, hanno contribuito a mantenere una separazione tra questi due ambiti del sapere. Recentemente, grazie all'implementazione di tecniche avanzate su organismi viventi, come la spettroscopia ultra-rapida, la spettroscopia a singola molecola, la microscopia a risoluzione temporale e l'imaging a singola particella, è stato possibile esplorare la dinamica biologica su scale sempre più ridotte. Tali metodologie hanno rivelato una varietà di processi fondamentali per il funzionamento dei sistemi viventi, i quali dipendono da una sottile interazione tra effetti fisici quantistici e classici.
La biologia quantistica si configura pertanto come l'applicazione della teoria quantistica a quegli aspetti della biologia che la fisica classica non riesce a descrivere in modo completo.

La fisica della “mente”
Le funzioni mentali, come la coscienza, l'attenzione, la memoria, il pensiero, la percezione e l'affettività, rientrano nel dominio delle scienze naturali, scontrandosi con approcci basati sul concetto dualistico di separazione tra mente e cervello. Al di là del dualismo cartesiano tra "res cogitans" e "res extensa", Eric Kandel, premio Nobel nel 2000, propone come "primo principio" delle neuroscienze che "tutti i processi mentali derivano da operazioni del cervello". Questo principio trova un notevole supporto empirico, evidente nelle alterazioni del cervello che si riflettono nei cambiamenti delle funzioni mentali. Assumiamo, per semplicità, che lo stato di coscienza sia la condizione che rende possibili sensazioni, pensieri, ricordi, emozioni e intuizioni, eventi che sembrano privi di materia e che un tempo venivano considerati prerogativa della mente. Tuttavia, durante un'anestesia generale, perdiamo coscienza e tutte le funzioni mentali, sfidando la visione cartesiana della "res extensa".
Benché le attività mentali appartengono al regno delle scienze naturali, gli approcci basati sulla fisica classica non sono riusciti a collegare l'attività elettrochimica dei neuroni con la genesi di delle attività enigmatiche che vanno dall'intelligenza al fenomeno dell'anestesia. Ciò non giustifica, comunque, alcuna residua concezione dualistica mente-cervello. Al contrario, sembra pertinente esplorare se il cervello possa utilizzare modalità fisiche diverse da quelle finora esaminate, come i principi della fisica quantistica o della biofisica quantistica.
Le neuroscienze attuali devono considerare la possibilità che il cervello umano non solo superi qualsiasi futuro supercomputer in termini di processi decisionali, gestione di circostanze impreviste, apprendimento e memoria, ma fornisca anche una spiegazione fisica dell'origine delle nostre funzioni mentali.
La fisica quantistica, che tratta il dominio del molto piccolo, a scala atomica e subatomica, spiega perché particelle come fotoni ed elettroni si comportino in modo così diverso da oggetti su scale più grandi, come palloni da basket, farfalle e batteri. Sebbene questa sede non sia adatta per illustrare i principi della fisica quantistica (che sono ampiamente controintuitivi), è importante ricordare il contributo dei padri di questa disciplina, che rimane tra le più importanti scoperte dello scorso secolo: Max Planck (Nobel nel 1918), introduce l'idea che l'emissione di energia elettromagnetica è quantizzata; Albert Einstein (Nobel nel 1921) dimostra che l'energia del campo elettromagnetico è trasportata da quanti di luce (fotoni: particelle prive di massa); Niels Bohr (Nobel nel 1922) dimostra la quantizzazione dei livelli energetici dell'elettrone; Louis de Broglie (Nobel nel 1929) elabora il  dualismo onda-particella (cioè la natura sia corpuscolare che ondulatoria delle particelle); Erwin Schrödinger (Nobel nel 1933) introduce il concetto di entanglement (due o più sistemi fisici rappresentano sottosistemi di un sistema unico e ampio che presentano correlazioni a distanza e, di conseguenza, viene introdotto il carattere non locale della realtà fisica); Werner Heisenberg (Nobel nel 1932) formula il principio di indeterminazione che sancisce la radicale rottura con le leggi della meccanica classica; Paul Dirac (Nobel nel 1933) include nella meccanica quantistica la relatività ristretta; Max Born (Nobel nel 1954) formula l'interpretazione probabilistica della funzione d'onda. Ma la storia della fisica quantistica continua con il contributo di eminenti fisici sino ai giorni nostri (Clauser e Anton Zeilinger, Nobel nel 2022).
Poiché la biologia esplora gli organismi viventi, composti fondamentalmente da atomi che operano secondo le leggi della fisica quantistica, risulta logico ipotizzare che questa branca della fisica possa svolgere un ruolo chiave nella comprensione della vita stessa. In passato, si pensava che i fenomeni quantistici fossero replicabili solo su scala nanometrica, in condizioni di vuoto e a temperature estremamente basse. Tale presupposto faceva supporre che l'ambiente caldo, umido e caotico degli esseri viventi non consentisse di osservare tali fenomeni nei processi vitali. Tuttavia, negli ultimi decenni, una serie di esperimenti condotti su organismi viventi ha contraddetto questa convinzione, rivelando funzioni e meccanismi biologici spiegabili solo attraverso la meccanica quantistica, e non tramite la fisica classica. Da ciò è nato il nuovo ed entusiasmante campo della biologia quantistica.
Tra i processi quantistici riscontrati figurano l'organizzazione delle informazioni nel DNA, la captazione di fotoni durante la fotosintesi e la visione, la catalisi enzimatica, la navigazione e l'orientamento degli uccelli, l'olfatto, la respirazione e persino il trasporto di fotoni lungo le fibre nervose. Le prove sperimentali a sostegno di tali processi all'interno degli organismi viventi sono così solide che stanno già contribuendo a rivoluzionare la concezione scientifica della vita. Questi risultati aprono nuove prospettive sulla comprensione dei fondamenti stessi della biologia, sfidando le concezioni tradizionali e aprendo la strada a una nuova era di scoperte nel connubio tra biologia e fisica quantistica.

(Nota a margine: nel 1932, 10 anni dopo che il fisico quantistico Niels Bohr fu premiato con il Nobel per il suo lavoro sulla struttura atomica, tenne una conferenza intitolata 'Luce e Vita' al Congresso Internazionale sulla Terapia della Luce a Copenaghen. Ciò sollevò la questione se la teoria quantistica potesse contribuire a una comprensione scientifica dei sistemi viventi. Tra il pubblico c'era Max Delbrück, un giovane fisico che vinse il Nobel nel 1969 per le sue scoperte in genetica).

La riduzione oggettiva orchestrata della coscienza
Sir Roger Penrose, fisico britannico e Stuart Hameroff, medico anestesista, hanno prodotto una vasta quantità di letteratura negli ultimi due decenni sul tema della coscienza, sviluppando una teoria Orch OR (Orchestrated Objective Reduction o Riduzione Oggettiva Orchestrata) (cf. Hameroff S, Penrose R. A review of the ‘Orch OR’ theory. Phys Life Rev 2014;11(1):39–78). La teoria Orch OR propone una spiegazione della coscienza umana che fonde concetti della fisica quantistica con la neurobiologia. La postulazione centrale della teoria comprende due elementi fondamentali: il "collasso quantico obiettivo" proposto da Penrose e l'idea di Hameroff sull'orchestrazione delle attività neurali. L'ipotesi è che il collasso quantico avvenga a livello microscopico nei microtubuli, strutture presenti nelle cellule cerebrali. Secondo Penrose, le vibrazioni quantistiche nei microtubuli, causate dai collassi quantici obiettivi, che operano all'interfaccia tra la neurofisiologia classica e le forze gravitazionali quantistiche, possano influenzare sinapsi e reti neurali, contribuendo alla manifestazione della coscienza, uno dei fenomeni più enigmatici dell'esperienza umana. Benché si tratti di una teoria molto audace, la sua perdurante forza attrattiva è una testimonianza dell'influenza creativa di questo lavoro. Tuttavia, la validazione o falsificazione di Orch OR, secondo i principi del metodo scientifico, deve derivare dagli esperimenti. Ciò è molto impegnativo, poiché il " gold standard" attuale in neuroscienze è la Risonanza Magnetica Funzionale la cui risoluzione spaziale è ancora su scala micrometrica e quella temporale è su scala di millisecondi. Questi ordini di grandezza sono, per ora, troppo superiori alle dimensioni/tempo di nanometri e nanosecondi richiesti dalla fisica quantistica. Orch OR che si verificherebbero sulla scala di Planck della geometria spazio-temporale (10^-35 m; 10⁻⁴⁴ s). Questa enorme discrepanza tra le attuali capacità sperimentali e i presupposti di Orch OR rappresenta la sfida più grande per l'accettazione dei principi di questa teoria. Comunque, molti di noi sono convinti che lo studio dei fenomeni neurali a livello nanometrico porterà a progressi monumentali nella scienza e nella medicina.

La luce nel cervello
Nel 2016, Kumar et al., basandosi sull’evidenza che i neuroni emettono fotoni, hanno elaborato un dettagliato modello teorico sull’esistenza di canali di comunicazione ottica nel cervello, esplorando l'idea che i neuroni potrebbero utilizzare fotoni, o biofotoni, come mezzo di comunicazione oltre ai noti segnali elettrochimici (Kumar S, Boone C, Tuszyński J, Barclay P, Simon C. Scientific Reports, 2016. 6:365-8). Il concetto chiave coinvolge la potenziale utilizzazione degli assoni mielinizzati come guide ottiche, consentendo ai fotoni di viaggiare lungo di essi, creando collegamenti di comunicazione quantistica e consentendo la creazione di entanglement tra molti spin distanti. (entanglement o correlazione quantistica descrive le proprietà delle particelle come appartenenti ad un unico oggetto, anche se le particelle si trovano ad enorme distanza. Questa correlazione permette alla prima particella di influenzare la seconda istantaneamente, e viceversa. Lo “spin" è una proprietà intrinseca fondamentale delle particelle subatomiche, come gli elettroni. Esso può essere pensato come una "rotazione interna" o "momento angolare intrinseco" della particella, anche se questa analogia è approssimativa). L’entanglement quantistico, dove il tutto è più della somma delle sue parti in un senso fisico e matematico, potrebbe essere la risposta alla domanda su come un'esperienza integrata, come le nostre attività mentali, possa derivare dalle attività di molecole individuali in miliardi di neuroni. Come accennato sopra, la principale sfida è la decoerenza ambientale, che annulla molto rapidamente gli effetti quantistici a temperatura ambiente per la maggior parte dei gradi di libertà fisici. Tuttavia, l'entanglement di spin nucleare a lunga durata è stato dimostrato recentemente a temperatura ambiente. La "cognizione quantistica" basata su spin nucleari, dipende dalla velocità di trasporto delle informazioni. Mentre il trasporto fisico delle informazioni da parte delle molecole è troppo lento, i fotoni sono adatti per trasmettere informazioni quantistiche rapide su lunghe distanze. Per questo motivo le attuali reti quantistiche artificiali prevedono canali di comunicazione ottica tra gli spin. Rimane da chiarire se le regioni cerebrali implicate nell’elaborazione dei processi cognitivi e più in generale in quelli mentali, possiedono connessioni mielinizzate con un diametro sufficiente per consentire la guida della luce. Dal punto di vista medico, un ruolo attivo della guaina mielinica come guida ottica, oltre al ruolo convenzionale di strato isolante, potrebbe anche consentire di comprendere meglio le cause delle malattie ad essa associate (ad esempio, la sclerosi multipla) e aiutare a concepire e progettare trattamenti.

Dalla simulazione all’evidenza di fenomeni quantistici nel cervello
Più recentemente è stato dimostrato sperimentalmente entanglement quantistico (vedi sopra) nel cervello umano, (Kerskens CM and Pérez DL. 2022 J. Phys. Commun. 6 105001). L’evidenza sperimentale di entanglement, che sfida il principio di località della fisica classica, come parte dei processi fisiologici è sufficiente per provare che il cervello opera non solo secondo le leggi della fisica classica (e.g. trasmissione elettrochimica) ma anche secondo le leggi della meccanica quantistica. Inoltre, l’evidenza che segnali quantistici, quali l’interazione di spin dei nuclei atomici, non solo coesistono in combinazione con segnali cerebrali classici, ma avvengono solo nella condizione di coscienza del soggetto, aggiungono uno speciale valore a questi risultati: essi suggeriscono che i ricercatori hanno assistito a un entanglement mediato dalle funzioni cerebrali legate alla coscienza. Tali funzioni cerebrali devono quindi operare in modo non classico, il che confermerebbe che le funzioni mentali non emergono dalla fisica classica.

Conclusioni
Oltre l’evidenza che meccanismi quantistici sono operativi nei sistemi sensoriali che trasferiscono informazioni al cervello, dove verosimilmente coppie di radicali elettronici entangled siano coinvolte, anche funzioni cerebrali più complesse sembrano dipendere dalla presenza di specifici spin nucleari. Ad esempio, isotopi di litio-6 con spin nucleare 1 aumentano l'attività di comportamenti complessi, a differenza degli isotopi di litio-7 con spin 3/2, che li riducono. Inoltre, gli isotopi di xeno con spin 1/2 sono efficaci anestetici a differenza degli isotopi di xeno con spin 0. Così gli spins nucleari possono, come gli spins elettronici, influenzare le reazioni chimiche, che portano poi a risultati macroscopici comunemente osservati in fisiologia.
Se la natura ha davvero risolto il codice su come utilizzare la meccanica quantistica nell'ambiente caotico e caldo di un organismo vivente, capire come ciò sia possibile ha enormi implicazioni compreso quello di aprire una nuova era nella medicina clinica. Se una moltitudine di processi fondamentali nel corpo umano sta effettivamente utilizzando in modo significativo la meccanica quantistica, allora si apre un nuovo scenario di approcci innovativi alla diagnosi e alla gestione di una serie di malattie, comprese le sfide alle patologie attualmente insormontabili. (cf. Goh BH, Tong ES, and Pusparajah P. Prog Drug Discov Biomed Sci 2020; 3(1): 1-22). 

Presentazione

del Dr. Massimo Nibi
Presidente Fondazione Gianfranco Salvini ETS

“L’insegnante il quale suggerisse al giovane scienziato desideroso di fare scoperte: “Va’ in giro e osserva”, darebbe un cattivo consiglio; mentre lo guiderebbe correttamente se gli dicesse: “Cerca di imparare quali sono i temi dibattuti oggi dalla scienza e di scoprire dove insorgano delle difficoltà e interessati delle divergenze di opinione. Sono questi i problemi che devi affrontare”. In altri termini, si dovrebbe studiare l’attuale assetto dei problemi. Il che significa che si adotta, e si cerca di continuare, una linea di ricerca che ha dietro di sé, come presupposto, tutto il precedente sviluppo della scienza”
Karl Popper, “Congetture e confutazioni”

In linea con l’insegnamento di Karl Popper, la presente iniziativa – volta a premiare le Tesi di Laurea, del corrente anno, recanti contenuti innovativi nel campo della Neuro-Riabilitazione, le Tesi di Specializzazione in Medicina Fisica e Riabilitativa, nonché le Tesi di Laurea triennali, SNT2 Classe delle Lauree in Professioni Sanitarie della Riabilitazione – si pone come obiettivo quello di valorizzare e diffondere i migliori lavori che giovani neolaureati hanno prodotto, al termine del loro ciclo di studi, nel campo della Riabilitazione.

Oggetto di pubblicazione sono sia i lavori che la Commissione giudicatrice ha deciso di premiare, sia quelli comunque menzionati come meritevoli.

Si tratta di un’iniziativa che si pone in continuità con il cuore dell’attività della Fondazione Gianfranco Savini – che di recente si è trasformata in Ente del Terzo Settore (E.T.S.) – considerato che, fin dalla sua costituzione, la Fondazione ha avuto lo scopo, in particolare, di favorire la ricerca in campo medico riabilitativo: a tal riguardo, basti ricordare il finanziamento di progetti specifici realizzati da importanti Strutture sanitarie, e la partecipazione, come capo-fila, a progetti innovativi in campo riabilitativo, oltre al recentissimo investimento di quanto ricevuto dalle donazioni cinque per mille in un progetto di formazione per caregiver su pazienti affetti da afasia.

Ogni attività della Fondazione è resa possibile grazie al contributo volontario e gratuito delle innumerevoli persone, socie e non, che operano per il bene della ricerca scientifica e che vedono nella Fondazione un valido strumento per la promozione della stessa.

È anche a loro che va il nostro più sentito ringraziamento, con l’auspicio di poter continuare a lavorare proficuamente insieme.

Gli elaborati che presentiamo in questa seconda edizione del Premio Tesi di Laurea sono il frutto di due bandi che la Fondazione Gianfranco Salvini ETS ha emanato nell’estate del 2023, rivolti a specializzati e laureati in ambito neuro-riabilitativo, di tutte le università del territorio nazionale. In particolare:

1. Premio tesi di laurea per Specialisti in Medicina Fisica e Riabilitativa dai contenuti innovativi inerenti la neuro-riabilitazione. La Fondazione ha messo a disposizione n° 1 premio per la migliore Tesi.
2. Premio tesi di laurea per Laureati triennali nella Classe SNT2 – delle lauree in professioni sanitarie della riabilitazione (Fisioterapista, Logopedista, Terapista Occupazionale e Terapista della Neuro e Piscomotricità dell’età evolutiva) dai contenuti innovativi inerenti la Neuro-riabilitazione. La Fondazione ha messo a disposizione n° 4 premi per le migliori tesi.

Le Tesi inviate sono state valutate da una Commissione Giudicatrice costituita dai componenti del Comitato Scientifico della Fondazione (Prof. Alessandro Rossi, Dr.  Chiechi Filippo, Dr. Bonifazi Marco) e dal Presidente della Fondazione e dalla Consigliera Dr.ssa Nada Corti, tenendo conto dei seguenti criteri:

• Tema originale e innovativo nell'ambito della neuro-riabilitazione
• Qualità e quantità delle informazioni riportate;
• Capacità espositiva e coerenza nello sviluppo testuale.

Sulla Base dei criteri sopra indicati la commissione Giudicatrice ha ritenuto, per entrambi i bandi, di indicare anche delle Tesi meritevoli di segnalazione, presentate in questo volume in una sezione dedicata.

RISULTATO

Tesi di laurea di Specialisti in Medicina Fisica e Riabilitativa

Tesi di Laureati Triennali nelle Professioni Sanitarie della Riabilitazione