Fabio Ruini’s blog

Nuova simulazione. Compaiono sullo schermo i soliti insetti, che nel frattempo si sono evoluti in animali un po’ più complessi rispetto a prima. Il nuovo ambiente contiene dei funghi, sparsi un po’ qua e un po’ là, diversi l’uno dall’altro per colore, forma e dimensione. Alcuni di questi funghi sono “buoni” (il mangiarli si traduce in un aumento dell’energia dell’organismo che lo fa), mentre altri sono “cattivi” (il mangiarli fa diminuire l’energia dell’organismo che lo fa, talvolta al punto da mettere a rischio la sua stessa vita). Il problema è che i funghi sono tutti diversi tra loro e certe volte capita che un fungo buono ed uno cattivo siano tra loro confondibili.

La rete neurale degli organismi presenti è dotata di tutte le unità di input sensoriale necessarie per registrare le caratteristiche percettive i funghi che si trova di fronte. Prima di poter decidere il comportamento appropriato (avvicinarsi ad un fungo e mangiarlo, oppure evitarlo ed allontanarsi), l’organismo deve “categorizzare” il fungo che ha davanti, ossia classificarlo nella categoria dei funghi buoni oppure di quelli cattivi.

Osservando la simulazione, si nota che gli insetti si comportano in maniera “corretta”, ossia si avvicinano e mangiano i funghi buoni, mentre fanno il contrario con i funghi cattivi. Chiamiamo “codifica sensoriale” di un fungo il pattern di attivazione delle unità di input sensoriale che osserviamo nella rete quando l’organismo percepisce un fungo. Definiamo invece “codifica interna” di un fungo il pattern di attivazione che osserviamo non nelle unità di input sensoriale, ma nelle unità interne della rete quando l’organismo percepisce il fungo. Analizzando le reti neurali dei singoli individui, si scopre come le connessioni che collegano le unità di input a quelle interne producono codifiche interne molto simili tra loro per tutti i funghi buoni e codifiche interne diverse, ma anch’esse simili tra loro, per i funghi cattivi. Con una ricodificazione interna ben funzionante come questa, la scelta della risposta comportamentale da adottare da parte dell’organismo diviene molto semplice e può essere messa in atto da una piccola porzione della rete neurale.

Gli errori naturalmente sono sempre possibili: la capacità di categorizzare correttamente evolverà nella popolazione tramite i soliti meccanismi dell’evoluzione biologica. Questo ragionamento è valido a patto che non esista l’apprendimento in vita, ma vi sia soltanto una capacità di categorizzare ereditata geneticamente. Nella realtà, la capacità di categorizzare i funghi può essere appresa da un organismo nel corso della sua vita, o “sulla sua pelle”, oppure osservando come si comportano altri individui che già sanno distinguere i fungi buoni da quelli cattivi (apprendimento per imitazione).

[da: Domenico Parisi, “La mente. Nuovi modelli della Vita Artificiale” (Il Mulino, 1999) - rielaborazione mia]

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Torniamo alla simulazione che avevamo abbozzato qualche paragrafo fa, dove gli insetti non si riproducono per clonazione, ma sessualmente. Questo ha chiaramente delle conseguenze per il loro comportamento: per riprodursi non devono più soltanto essere capaci di procurarsi il cibo per sopravvivere, ma devono anche essere in grado di procurarsi un partner con il quale accoppiarsi.

Osservando un insetto, notiamo come certe volte esso sia intento ad avvicinarsi ai moscerini ignorando gli altri insetti, mentre in altri momenti ignori i moscerini cercando di avvicinarsi ad un altro insetto. Com’è fatta la sua rete neurale? La risposta la troviamo nella figura seguente.

Le unità di input sono aumentate: accanto a quelle che, come prima, registrano la posizione del moscerino più vicino (il cibo), ve ne sono altre che registrano la posizione dell’insetto più vicino (potenziale partner sessuale). Alla rete si sono poi aggiunte nuove unità un po’ speciali, che chiameremo “unità motivazionali”, il cui compito è quello di codificare lo stato motivazionale dell’organismo. Esse segnalano la fame (il bisogno di cibo che l’organismo ha in un determinato momento), ma ricevono il loro input non dall’ambiente esterno, bensì da dentro il corpo dell’organismo. Le unità motivazionali hanno due possibili pattern di attivazione, che definiamo rispettivamente “fame” (che si attiva quando il livello di energia dell’organismo è inferiore rispetto ad una certa soglia) e “sazietà” (che si attiva quando il livello di energia dell’organismo è uguale o superiore rispetto alla soglia prefissata). Queste unità funzionano sostanzialmente come dei sensori interni. Con esse, abbiamo un’altra dimostrazione di come non sia sufficiente studiare il sistema nervoso per pensare di poter spiegare il comportamento degli esseri viventi.

Il funzionamento di questa rete neurale è concettualmente molto semplice. Quando il pattern di attivazione delle unità motivazionali è quello della “fame”, l’input sensoriale che riguarda i potenziali partner sessuali viene neutralizzato (ignorato) al livello delle unità interne e l’insetto risponde così soltanto all’input sensoriale riguardante il cibo. Il pattern di attivazione della “sazietà” dà origine, invece, al comportamento esattamente opposto. In altre parole, a seconda dello stato motivazionale, l’insetto fa attenzione ad una cosa ed ignora l’altra. La conclusione che possiamo trarre da tutto ciò è che le motivazioni influenzano l’attenzione e sono fenomeni importanti perché rendono l’organismo, in qualche misura, autonomo dall’ambiente.

[da: Domenico Parisi, “La mente. Nuovi modelli della Vita Artificiale” (Il Mulino, 1999) - rielaborazione mia]

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Gli insetti visti finora sono soltanto uno dei possibili tipi di organismi. Variando il tipo di informazione sensoriale che arriva dal mondo esterno o il tipo di movimenti di cui l’organismo è capace si può ottenere un piccolo zoo artificiale che può darci un’idea della varietà di forme e di comportamenti presente in natura. Ad esempio, a differenza dei nostri insetti, un organismo può non ricevere nessuna informazione direzionale dall’ambiente esterno e tuttavia riuscire a muoversi nella direzione giusta.

Lanciamo una simulazione. I nuovi organismi sono privi di sensori direzionali, ma hanno dei sensori, unità di input della loro rete neurale, in grado di rilevare qual è la temperatura del pezzetto di ambiente in cui essi si trovano. Stare all’interno di zone con la temperatura ottimale aumenta le probabilità di sopravvivere e di riprodursi di questi individui (e viceversa per le zone con una temperatura “sbagliata”), ma i loro sensori funzionano solo localmente. Osservando la simulazione, si scopre come gli organismi presenti nell’ambiente tendano ad allontanarsi dalle zone che non hanno la temperatura giusta e a dirigersi verso quelle a temperatura ottimale, restandoci una volta che le hanno raggiunte. Com’è possibile che, con il loro rudimentale sistema sensoriale, essi adottino un comportamento così efficace? Semplicemente, l’evoluzione biologica ha favorito la diffusione di quegli organismi che:

- una volta raggiunta una zona a temperatura ottimale, si muovono in maniera lenta e con un angolo di rotazione molto ampio;
- una volta raggiunta una zona a temperatura “sbagliata”, si muovono velocemente e con un angolo di rotazione molto limitato.

Non si può che rimanere colpiti da come, organismi così semplici, riescano sempre (o quasi) a trovare soluzioni ai loro problemi di sopravvivenza. Si tratta spesso di comportamenti poco sofisticati, “barocchi”, ma il problema non è quello di esibire comportamenti eleganti o “razionali”, ma comportamenti che consentono, nelle condizioni date, di sopravvivere e di preservare i propri geni riproducendosi.

Se i sensori dell’organismo forniscono un’informazione direzionale, il sistema sensoriale può essere anche più complicato. Peschiamo, nel nostro zoo virtuale, un nuovo organismo. Si tratta di un insetto dotato di un solo occhio, con campo visivo di 60 gradi. L’insetto è in grado di vedere un moscerino solo se questo rientra all’interno del suo campo visivo, ma per fortuna è in grado di ruotare il suo occhio. Le unità di output motorio della rete neurale sono dunque divise in due gruppi: uno che codifica i movimenti del corpo necessari per raggiungere il moscerino avvistato; l’altro che codifica i movimenti di rotazione dell’occhio. Il comportamento che la rete neurale deve adottare ora è più complicato. Serve un coordinamento tra i movimenti deambulatori del corpo e quelli rotatori dell’occhio per evitare che il moscerino esca dal campo visivo dell’insetto durante la caccia.

Cambiamo simulazione e vediamo comparire organismi più complicati, ma appartenenti alla stessa famiglia. L’ambiente stesso è più complicato rispetto a quello precedente, in quanto al suo interno esistono due tipi di moscerini: quelli buoni (che contengono l’energia di cui gli insetti hanno bisogno) e quelli cattivi (contenenti una sostanza che fa male agli insetti e ne compromette la sopravvivenza). Il sistema sensoriale di questi insetti comprende due gruppi di unità di input: alcune dicono all’insetto dove si trova il moscerino più vicino, le altre gli comunicano se il moscerino avvistato è buono o cattivo (in maniera tale che l’insetto possa decidere se avvicinarsi o allontanarsi ad esso). Il campo visivo è sempre di 60 gradi, ma questa volta c’è una complicazione in più. Esso è suddiviso in tre parti: una centrale di 40 gradi (la fovea, che è la parte capace di vedere meglio e l’unica in grado di distinguere tra un moscerino buono ed uno cattivo) e due laterali di 10 gradi ciascuna. Il comportamento degli insetti è quindi più complicato. Se il moscerino è nella fovea, possono decidere di avvicinarsi o allontanarsi; se è in una delle due parti periferiche del campo visivo, l’insetto è costretto a compiere movimenti di aggiustamento dell’occhio, ruotandolo di poco fino a far rientrare il moscerino all’interno della fovea.
Ma perché esistono organismi dotati di fovea, visto e considerato che un campo visivo di 360 gradi sarebbe decisamente più efficiente? La risposta è probabilmente da ricercarsi nella limitatezza dimensionale delle unità presenti all’interno del sistema nervoso. Se le risorse neurali sono limitate, esse si specializzano per elaborare in modo più sofisticato l’informazione proveniente da una parte limitata del campo visivo ed in modo meno sofisticato quella proveniente dalle altre parti del campo visivo.

Passiamo ad altri organismi ospiti del nostro zoo. Vedere dove si trova una cosa ed avvicinarsi ad essa è un tipo di capacità. Capacità del tutto diversa è invece quella di vedere una cosa ed usarla come punto di riferimento per orientarsi nella direzione giusta, che non necessariamente è quella necessaria per avvicinarsi alla cosa usata come riferimento. Tale capacità è presente ad esempio negli uccelli, che durante le migrazioni si regolano in base alla loro posizione rispetto al sole.
Immaginiamo che, nel nostro nuovo ambiente virtuale, esistano organismi che devono raggiungere una zona in cui si trova il cibo. Il problema consiste nel fatto che tale zona non è da loro percepibile fino a quando non ci sono dentro. Esiste però nell’ambiente un punto di riferimento, un albero, distante dalla zona del cibo ma visibile a qualunque distanza. Spostandosi nell’ambiente, un individuo modifica la sua posizione rispetto all’albero (e, di conseguenza, la percezione di esso codificata nelle unità di input della sua rete neurale) e, regolandosi su come cambia l’informazione sensoriale proveniente dall’albero, può muoversi nella direzione che lo porta a trovare il cibo.

Gli organismi possono essere tra loro diversi, non soltanto per il tipo di informazioni sensoriali che sono in grado di ricevere dal mondo esterno, ma anche per i tipi di movimento con i quali sono in grado di rispondere a questi input. Ad esempio, certi organismi non solo possono spostarsi nell’ambiente muovendo tutto il corpo, ma sono anche capaci di muovere una qualche parte specifica del corpo, come un braccio o una mano. L’obiettivo rimane comunque quello di raggiungere una cosa desiderata; a cambiare é semplicemente il modo in cui si cerca di realizzarlo.
L’ultimo ospite del nostro zoo è un organismo in grado di spostare sia il proprio corpo, sia il proprio braccio. L’ambiente nel quale vive questo organismo contiene cibo sparso in giro: l’organismo si muove con l’intero corpo per avvicinarsi al nutrimento e, una volta raggiunto, lo raccoglie con l’estremità del braccio. La rete neurale che caratterizza un organismo del genere ha unità di input che codificano la posizione del cibo ed unità motorie suddivise in due gruppi, che si occupano rispettivamente di spostare l’intero corpo e di muovere il braccio.

Tutti gli organismi visti finora hanno in comune il fatto di essere semplici sistemi senso-motori: la loro rete neurale riceve in input un informazione sensoriale sullo stato dell’ambiente e risponde producendo un movimento del corpo o di una parte del corpo dell’organismo. Per poter arrivare a simulare la vita mentale ed i comportamenti specifici degli esseri umani dobbiamo spingerci oltre.

[da: Domenico Parisi, “La mente. Nuovi modelli della Vita Artificiale” (Il Mulino, 1999) - rielaborazione mia]

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Come ogni anno si sono sprecati fiumi di parole, in occasione del 25 aprile, per ricordare gli “eroici” combattenti partigiani caduti per la “libertà”.

Io dedico invece questo post alla memoria di tutti coloro che, il 25 aprile, dall’aldilà dovettero assistere alla macabra parata vittoriosa dei loro spietati aguzzini.

Don Giuseppe Amateis. Parroco di Coassolo (Torino), ucciso a colpi di ascia dai partigiani comunisti il 15 marzo 1944, perché aveva deplorato gli eccessi dei guerriglieri rossi.
Don Gennaro Amato. Parroco di Locri (Reggio Calabria), ucciso nell’ottobre 1943 dai capi della repubblica comunista di Caulonia.
Don Ernesto Bandelli. Parroco di Bria, ucciso dai partigiani slavi a Bria, il 30 aprile 1945.
Don Vittorio Barel. Economo del seminario di Vittorio Veneto, ucciso il 26 ottobre 1944 dai partigiani comunisti.
Don Stanislao Barthus. Della Congregazione di Cristo Re (Imperia), ucciso il 17 agosto 1944 dai partigiani perchè in una predica aveva deplorato le “violenze indisciminate dei partigiani”.
Don Duilio Bastreghi. Parroco di Cigliano e Capannone Pienza, ucciso la notte del 3 luglio 1944 dai partigiani comunisti che lo avevano chiamato con un pretesto.
Don Carlo Beghè. Parroco di Novegigola (Apuania), sottoposto il 2 marzo 1945 a finta fucilazione che gli produsse una ferita mortale.
Don Sperindio Bolognesi. Parroco di Nismozza (Reggio Emilia), ucciso dai partigiani comunisti il 25 ottobre 1944.
Don Corrado Bortolini. Parroco di Santa Maria in Duno (Bologna), prelevato dai partigiani il 1° marzo 1945 e fatto sparire.
Don Luigi Bovo. Parroco di Bertipaglia (Padova), ucciso il 25 settembre 1944 da un partigiano comunista poi giustiziato.
Padre Crisostomo Ceragiolo o.f.m.. Cappellano militare decorato al valor militare, prelevato il 19 maggio 1944 da partigiani comunisti nel convento di Montefollonico e trovato cadavere in una buca con le mani legate dietro la schiena.
Don Aldemiro Corsi. Parroco di Grassano (Reggio Emilia), assassinato nella sua canonica, con la domestica Zeffirina Corbelli, da partigiani comunisti, la notte del 21 settembre 1944.
Don Ferruccio Crecchi. Parroco di Levigliani (Lucca), fucilato all’arrivo delle truppe di colore nella zona su false accuse dei comunisti del luogo.
Don Antonio Curcio. Cappellano dell’11° Btg. Bersaglieri, ucciso il 7 agosto 1941 a Dugaresa da comunisti croati.
Padre Sigismondo Damiani o.f.m.. Ex-cappellano militare, ucciso dai comunisti slavi a San Genesio di Macerata l’11 marzo 1944.
Don Edmondo De Amicis. Cappellano pluridecorato della prima guerra mondiale, venne colpito a morte dai “gappisti”, a Torino, sulla soglia della sua abitazione, nel tardo pomeriggio del 24 aprile 1945, e spirò dopo 48 ore di atroce agonia.
Don Aurelio Diaz. Cappellano della Sezione Sanità della divisione “Ferrara”, fucilato nelle carceri di Belgrado nel gennaio del ’45 da partigiani “titini”.
Don Giuseppe Donini. Parroco di Castagneto (Modena). Trovato ucciso sulla soglia della sua casa la mattina del 20 aprile 1945. La colpa dell’uccisione fu attribuita in un primo momento ai tedeschi, ma alcune circostanze, emerse in seguito, stabilirono che gli autori del sacrilego delitto furono i partigiani comunisti.
Don Vincenzo D’Ovidio. Parroco di Poggio Umbricchio (Teramo), ucciso nel maggio ’44 sotto accusa di filo-fascismo.
Don Giovanni Errani. Cappellano militare della G.N.R., decorato al valor militare, condannato a morte dal Comitato di Liberazione Nazionale di Forlì, risparmiato dagli alleati e deceduto in seguito a causa delle sofferenze subite.
Padre Fernando Ferrarotti o.f.m.. Cappellano militare reduce dalla Russia, ucciso nel giugno 1944 a Champorcher (Aosta) dai partigiani comunisti.
Don Gregorio Ferretti. Parroco di Castelvecchio (Teramo), ucciso dai partigiani slavi ed italiani nel maggio 1944.
Don Giovanni Ferruzzi. Arciprete di Campanile (Imola), ucciso dai partigani il 3 aprile 1945.
Don Sante Fontana. Parroco di Comano (Pontremoli), ucciso dai partigiani il 16 gennaio 1945.
Don Giuseppe Gabana. Della diocesi di Brescia, cappellano della VI Legione della Guardia di Finanza, ucciso il 3 marzo 1944 da un partigiano comunista.
Don Domenico Gianni. Cappellano militare in Jugoslavia, prelevato la sera del 21 aprile 1945 e ucciso dopo tre giorni.
Don Virginio Icardi. Parroco di Squaneto (Aqui), ucciso il 4 luglio 1944, a Preto, da partigiani comunisti.
Don Luigi Ilarducci. Parroco di Garfagnolo (Reggio Emilia), ucciso il 19 agosto 1944 da partigiani comunisti.
Don Giuseppe Jemmi. Cappellano di Felina (Reggio Emilia), ucciso il 19 aprile 1945 perché aveva deplorato gli “eccessi inumani” del movimento partigiano.
Don Serafino Lavezzari. Seminarista di Robbio (Piacenza), ucciso il 25 febbraio 1945 dai partigiani, insieme alla mamma e a due fratelli.
Don Giuseppe Lorenzelli. Priore di Corvarola di Bagnone (Pontremoli), ucciso dai partigiani il 27 febbraio 1945, dopo essere stato obbligato a scavarsi la fossa.
Don Luigi Manfredi. Parroco di Budrio (Reggio Emilia), ucciso il 14 dicembre 1944 perché aveva deplorato gli “eccessi partigiani”.
Don Dante Mattioli. Parroco di Coruzzo (Reggio Emilia), prelevato dai partigiani rossi la notte dell’11 aprile 1945.
Don Fernando Merli. Mensionario della Cattedrale di Foligno, ucciso il 21 febbraio 1944, presso Assisi, da jugoslavi istigati dai comunisti italiani.
Don Angelo Merlini. Parroco di Fiamenga (Foligno), ucciso il medesimo giorno dagli stessi, presso Foligno.
Don Armando Messuri. Cappellano delle Suore della Sacra Famiglia in Marino, ferito a morte dai partigiani comunisti e deceduto il 18 giugno 1944.
Don Giacomo Moro. Cappellano militare in Jugoslavia, fucilato dai comunisti “titini” a Micca di Montenegro.
Don Adolfo Nannini. Parroco di Cercina (Firenze), ucciso il 30 maggio 1944 da partigiani comunisti.
Padre Simone Nardin o.s.b.. Dei benedettini olivetani, tenente capellano dell’ospedale militare “Belvedere” in Abbazia di Fiume, prelevato dai partigiani jugoslavi nell’aprile 1945 e fatto morire tra sevizie orrende.
Don Luigi Obid. Economo di Podsabotino e San Mauro (Gorizia), prelevato da partigiani e ucciso a San Mauro il 15 gennaio 1945.
Don Antonio Padoan. Parroco di Castel Vittorio (Imperia), ucciso da partigiani l’8 maggio 1944 con un colpo di pistola in bocca ed uno al cuore.
Don Attilio Pavese. Parroco di Alpe Gorreto (Tortona), ucciso il 6 dicembre 1944 da partigiani dei quali era cappellano, perché confortava alcuni prigionieri tedeschi condannati a morte.
Don Pombeo Perai. Parroco dei SS. Pietro e Paolo di città della Pieve, ucciso per rappresaglia partigiana il 16 giugno 1944.
Don Enrico Percivalle. Parroco di Varriana (Tortona), prelevato da partigiani e ucciso a colpi di pugnale il 14 febbraio 1944.
Don Aladino Petri. Parroco di Pievano di Caprona (Pisa), ucciso il 2 giugno 1944 perché ritenuto filo-fascista.
Don Nazzareno Pettinelli. Parroco di Santa Lucia di Ostra di Snigallia, fucilato per rappresaglia partigiana l’1 luglio 1944.
Seminarista Giuseppe Pierani. Studente di teologia della diocesi di Apuania, ucciso il 2 novembre 1944, sulla Linea Gotica, da partigiani comunisti.
Don Ladisalo Pisacane. Vicario di Circhina (Gorizia), ucciso da partigiani slavi il 5 febbraio 1945 con altre dodici persone.
Don Antonio Pisk. Curato di Canale d’Isonzo (Gorizia), prelevato da partigiani slavi il 28 ottobre 1944 e fatto sparire per sempre.
Don Nicola Polidori. Della diocesi di Nocera e Gualdo, fucilato il 9 giugno 1944 a Sefro da partigiani comunisti.
Seminarista Rolando Rivi. Di San Valentino (Reggio Emilia), di 16 anni, ucciso il 10 aprile 1945 da partigiani comunisti, solo perché indossava la veste talare.
Don Alessandro Sanguanini. Della Congregazione della Missione, fucilato a Ranziano (Gorizia) il 12 ottobre 1944 da partigiani slavi per i suoi sentimenti di italianità.
Don Lodovico Sluga. Vicario di Circhina (Gorizia), ucciso insieme al confratello.
Don Luigi Solaro. Di Torino, ucciso il 4 aprile 1945 perché congiunto del federale di Torino Giuseppe Solaro anch’egli trucidato.
Don Emilio Spinelli. Parroco di Campogialli (Arezzo), fucilato il 6 maggio 1944 dai partigiani sotto accusa di filo-fascismo.
Padre Eugenio Squizzato o.f.m.. Cappellano partigiano ucciso dai suoi il 16 aprile 1944 fra Corio e Lanzo Torinese perché impressionato dalle crudeltà che essi commettevano, voleva abbandonare la formazione.
Don Ernesto Talè. Parroco di Castelluccio Formiche (Modena), ucciso insieme alla sorella l’11 dicembre 1944.
Don Angelo Taticchi. Parroco di Villa di Rovigno (Pola), ucciso dai partigiani jugoslavi nell’ottobre 1943 perchè aiutava gli italiani.
Don Alberto Terilli. Arciprete di Esperia (Frosinone), morto in seguito a sevizie inflittegli dai marocchini, eccitati da partigiani, nel maggio 1944.
Don Andrea Testa. Parroco di Diano Borello (Savona), ucciso il 16 luglio 1944 da una banda partigiana perché osteggiava il comunismo.
Mons. Eugenio Corradino Torricella. Della diocesi di Bergamo, ucciso il 7 gennaio ’44 ad Agen (Francia) da partigiani comunisti per i suoi sentimenti d’italianità.
Don Redolfo Trcek. Diacono della diocesi di Gorizia, ucciso il 1 settembre 1944 a Montenero d’Idria da partigiani comunisti.
Don Gildo Vian. Parroco di Bastia (Perugia), ucciso dai partigiani comunisti il 14 luglio 1944.
Don Antonio Zoli. Parroco di Morra del Villar (Cuneo), ucciso dai partigiani comunisti perché, durante la predica del Corpus Domini del 1944, aveva deplorato l’odio tra fratelli come una maledizione di Dio.

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Un organismo, durante la vita, non si limita ad apprendere, ma si sviluppa. Lo sviluppo di un individuo, cioé i cambiamenti che avvengono nell’individuo mentre attraversa le diverse età della vita, dal concepimento alla morte, sono dovuti sia al patrimonio genetico ereditato, che detta le grandi linee dello sviluppo, sia alle esperienze ed all’ambiente.

Il DNA non contiene soltanto istruzioni che vengono eseguite alla nascita, ma anche istruzioni la cui esecuzione è prevista per fasi diverse nel corso della vita di un individuo. Vi è dunque un intreccio tra i geni e l’ambiente. Lo sviluppo di un organismo, infatti, è funzione sia del suo “programma di sviluppo” codificato nel DNA, sia dell’ambiente all’interno del quale questo sviluppo ha luogo, in quanto capace di favorire od inibire alcune particolari istruzioni genetiche.

[da: Domenico Parisi, “La mente. Nuovi modelli della Vita Artificiale” (Il Mulino, 1999) - rielaborazione mia]

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Al contrario di quanto accade nelle simulazioni viste finora, negli organismi reali l’evoluzione biologica e l’apprendimento non si escludono a vicenda e non funzionano in modo separato. Esse sono entrambe presenti: vi è sempre la trasmissione genetica ed esiste sempre una componente di apprendimento durante la vita (con ruolo marginale nelle specie più semplici, importante in quelle più complesse come gli esseri umani). Evoluzione biologica ed apprendimento collaborano tra loro nello sforzo di dotare l’individuo delle caratteristiche più adatte all’ambiente.

Quando una rete neurale impara, i pesi iniziali con i quali l’apprendimento inizia condizionano i risultati finali. Nella simulazione che abbiamo osservato nel paragrafo precedente, chi ha in sorte pesi iniziali buoni impara meglio a procurarsi il cibo rispetto a chi ha in sorte pesi iniziali “cattivi”. Modifichiamo però la simulazione, ipotizzando che gli insetti ricevano in eredità dai genitori i pesi iniziali della loro rete neurale. Questa implementazione è in accordo con la biologia, la quale ci dice che non esiste eredità genetica di caratteristiche che sono state acquisiti durante la vita. Sui pesi iniziali ereditati da un individuo poi opera l’apprendimento, che li modifica nel modo appropriato. Il comportamento che otteniamo del sistema è che, con il passare delle generazioni, gli insetti imparano più rapidamente a procurarsi il cibo. Questo perché vengono selezionati pesi iniziali sempre migliori, che l’apprendimento sfrutta per creare il comportamento richiesto.

L’apprendimento, inoltre, non dipende soltanto dai pesi iniziali della rete neurale, ma anche dalla sua architettura, intesa come numero di totale di unità che la compongono e schema delle loro connessioni. L’idea di fondo è che una certa architettura neurale possa essere migliore di un’altra come base per l’apprendimento e che anch’essa possa essere codificata all’interno del DNA di un individuo. Questo rende possibile, da un lato, che si riproducano in misura maggiore quegli individui che imparano di più durante la vita avendo ereditato una architettura neurale “buona”; dall’altro che, con il passare del tempo, l’evoluzione tenda a produrre architetture sempre migliori.

L’evoluzione della architetture neurali rende possibile che, ad un certo punto, appaiano strutture nervose corrispondenti a quelle osservate nei sistemi nervosi reali. Gli esseri umani, ad esempio, quando vedono una cosa sono interessati a due tipi di informazioni: “che cos’è” e “dove si trova”. Sembra che il sistema nervoso umano estragga i due tipi di informazione dall’input visivo, servendosi di altrettanti circuiti nervosi distinti, uno che estrae l’informazione sul “che cosa” ed un altro che estrae l’informazione sul “dove”.

Lanciamo una simulazione nella quale, per sopravvivere e riprodursi, gli organismi debbono estrarre dall’input sensoriale sia l’informazione su che tipo di cose incontrano di volta in volta nell’ambiente per decidere il comportamento appropriato, sia l’informazione su dove esattamente stanno tali cose, per decidere gli specifici movimenti che debbono compiere. Il DNA di questi individui codifica una varietà di architetture neurali aventi uno schema semi-fisso: ogni rete neurale ha tre strati (uno di unità di input, uno di unità interne ed uno di unità di output); le unità di input codificano l’input visivo registrato da una specie di retina bidimensionale (carpiscono informazioni sia sulle caratteristiche dell’oggetto, sia sulla sua posizione) e lo inviano a tutte le unità dello strato interno; le unità di output sono divise in due gruppi (il primo codifica di che oggetto si tratta, il secondo di dove esso è posizionato). La differenza tra gli individui sta nel modo in cui le unità interne sono collegate con le unità di output. Quello che si osserva, con il passare delle generazioni, è l’emergere di una architettura “vincente”.

Si tratta di una architettura modulare, con un modulo che estrae l’informazione sul “che cos’è” ed un modulo separato (leggermente più piccolo rispetto all’altro) che estrae l’informazione sul “dove sta”. Ora, forse abbiamo la possibilità di comprendere perché un sistema nervoso non è una grande rete omogenea ed indifferenziata di cellule nervose collegate tra loro, ma è organizzato in parti anatomicamente e funzionalmente distinte.

[da: Domenico Parisi, “La mente. Nuovi modelli della Vita Artificiale” (Il Mulino, 1999) - rielaborazione mia]

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L’evoluzione biologica, che agisce a livello di intere popolazioni, è solo una delle fonti da cui origina il comportamento. Un’altra fonte, che opera però a livello del singolo individuo nel corso della sua vita, è l’apprendimento.

Un modo di simulare l’apprendimento nelle reti neurali consiste nel modificare i pesi delle connessioni di una rete in maniera tale che le modificazioni progressivamente producano comportamenti migliori nel corso della vita dell’organismo. Le modifiche dei pesi dipendono dall’esperienza: essa insegna all’individuo a comportarsi meglio.

Torniamo alla nostra simulazione, senza considerare i tratti morfologici degli insetti e la presenza di eventuali animali loro predatori. Osserviamo che gli insetti si muovono casualmente all’interno dell’ambiente: la ragione è che i pesi delle connessioni delle loro reti neurali non sono ereditati dai genitori, ma scelti casualmente al momento della nascita. Ogni volta che l’insetto si muove, però, dall’esterno gli arriva una valutazione del movimento compiuto, ossia un’informazione che gli dice quanto quel movimento é stato giusto o sbagliato. La rete neurale dell’insetto incorpora un meccanismo di apprendimento, che usa questa valutazione per modificare i pesi della rete.

Questo algoritmo di apprendimento, che in pratica funziona dando premi e punizioni, si chiama “rinforzo”. Le modifiche dei pesi sono fatte in modo tale che il comportamento dell’insetto migliori progressivamente. Col passare del tempo e sfruttando l’esperienza, l’insetto impara il comportamento “corretto” nel corso della sua vita.

[da: Domenico Parisi, “La mente. Nuovi modelli della Vita Artificiale” (Il Mulino, 1999) - rielaborazione mia]

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Modifichiamo la simulazione precedente introducendo, per ogni insetto, una caratteristica genetica che determina il colore del suo corpo, ereditata insieme ai pesi delle connessioni della rete neurale e sulla quale può operare la mutazione genetica. Nell’ambiente di questa nuova simulazione, ogni tanto il sistema è attraversato da un uccello predatore, che si ciba degli insetti ed è in grado di catturarli, a patto che il loro colore non si confonda troppo con l’ambiente circostante.

Se l’ambiente è di colore verde chiaro, quello che succede è prevedibile. Dopo poche generazioni, tutti gli insetti tenderanno ad avere un colore non molto diverso dal verdino: questa caratteristiche evolve perché gli individui di quel colore (a parità di capacità di procurarsi il cibo) hanno più probabilità di sfuggire al predatore e quindi di sopravvivere e di fare figli di un colore più o meno simile.

Ipotizziamo ora che l’ambiente cambi e diventi di colore rosso scuro. Il colore verde chiaro, che pure è il colore del corpo della maggioranza degli insetti, non è più adatto all’ambiente. Il processo di adattamento evolutivo si rimette in moto e cominciano a riprodursi di più quegli individui a cui capita di avere, a causa delle mutazioni genetiche, un colore del corpo in qualche modo vicino al rosso scuro. Passano un po’ di generazioni e ci accorgiamo che tutta la popolazione tende ad avere un colore del corpo rosso scuro.

I cambiamenti ambientali mettono in moto i processi di adattamento evolutivo. Se l’ambiente muta in maniera rapida e radicale, una popolazione di organismi può anche estinguersi, perché non fa in tempo a cambiare per sopravvivere nel nuovo ambiente. E’ quanto successo, secondo una delle teorie oggi più accreditate, ai dinosauri.

Nella nostra simulazione, ciò che si adatta nel tempo è un tratto morfologico e non un comportamento. Ma anche per il comportamento succede qualcosa di simile: un cambiamento ambientale può rendere comportamenti già ben adattati all’ambiente precedente non più adatti al nuovo ambiente, rimettendo in moto un nuovo processo di adattamento. Un fenomeno di questo tipo è molto interessante se contestualizzato agli esseri umani, che sono gli artefici del continuo cambiamento dell’ambiente in cui vivono. Molti dei loro comportamenti, ereditati biologicamente o culturalmente, potrebbero esseri adatti ad ambienti che oggi non esistono più.

[da: Domenico Parisi, “La mente. Nuovi modelli della Vita Artificiale” (Il Mulino, 1999) - rielaborazione mia]

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L’evoluzione biologica ha la tendenza a rendere le caratteristiche di un organismo più adatte all’ambiente all’interno del quale l’organismo vive. L’adattamento riguarda tutte le caratteristiche di un organismo, dalla forma, dimensioni e colore del corpo, agli organi e sistemi interni, incluso il sistema nervoso, dalle molecole, cellule e tessuti fino al comportamento e alle interazioni con l’ambiente.

Non bisogna però incappare nell’errore di credere che le caratteristiche che si osservano negli organismi siano necessariamente le migliori per l’ambiente in cui essi vivono. Come abbiamo visto nella nostra simulazione, si riproduce chi è più bravo, ma anche chi è più fortunato. La fortuna, nel nostro mondo così semplice, si presenta come un meschino che non vola via nel momento in cui sta per essere catturato e viceversa per quanto riguarda la sfortuna. In questo modo, la fortuna/sfortuna può far sì che non si riproducano individui con un buon DNA ed un comportamento efficiente e che si riproducano invece individui che semplicemente sono stati fortunati nella loro vita.
Certe caratteristiche, inoltre, possono emergere soltanto a patto che esistano alcune pre-condizioni favorevoli all’interno dell’organismo in esame. Se non ci sono le pre-condizioni, una caratteristica che pure sarebbe adatta non evolve.

Per questi motivi, non dobbiamo pensare che tutte le caratteristiche che osserviamo in un organismo siano state selezionate. Gli organismi possono avere caratteristiche che non sono state selezionate appositamente, ma che per qualche ragione viaggiano insieme o sono un sottoprodotto di altre caratteristiche che invece sono state selezionate appositamente.

Si consideri infine che una caratteristica può essere adatta finché l’ambiente di riferimento rimane stabile. Se l’ambiente cambia, i comportamenti che prima erano adatti possono non esserlo più e si rimette in moto un processo di cambiamento evolutivo.

[da: Domenico Parisi, “La mente. Nuovi modelli della Vita Artificiale” (Il Mulino, 1999) - rielaborazione mia]

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Ogni insetto ha all’interno del suo corpo un po’ di materiale genetico, che possiamo rappresentare come un sequenza di bit. Questa sequenza è diversa da quella di ogni altro individuo e ciò determina il fatto che ogni individuo si comporti in maniera diversa rispetto agli altri. Il DNA di un individuo, attraverso particolari rappresentazioni numeriche, codifica infatti i pesi delle connessioni della sua rete neurale.

Quando un genitore genera un figlio, trasmette ad esso una copia del suo DNA. La copia tuttavia non è perfetta, perché durante la fase di copiatura avvengono degli errori casuali, delle mutazioni genetiche che modificano a caso il valore di qualcuno dei bit del DNA. Un figlio avrà quindi un DNA estremamente simile a quello del genitore, ma non identico. Di riflesso, il suo comportamento di caccia non sarà esattamente identico a quello del genitore.

Quali possono essere gli effetti di una mutazione genetica sul comportamento dell’individuo che ne è affetto? Non è possibile determinarlo a priori, in quanto il comportamento della rete neurale (ossia dell’organismo) è una proprietà globale della rete che emerge dalle interazioni locali tra le sue unità, cioè dall’influenza che ciascuna unità ha sulle unità con cui è collegata. La rete neurale è un sistema complesso: la mutazione può produrre un figlio più bravo del genitore (mutazione favorevole) o può distruggere completamente nel figlio la capacità di cacciare posseduta dal genitore (mutazione sfavorevole o deleteria). Oppure la mutazione può anche essere neutra, ossia può essere riassorbita dalla rete neurale senza nessun cambiamento dell’abilità di caccia.

Ogni generazione tenderà ad essere composta dai figli dei migliori individui della generazione precedente. Le mutazioni genetiche, essendo completamente casuali, nella maggior parte dei casi saranno “sfavorevoli”, ma qualche rara volta saranno invece “favorevoli”, facendo così nascere un individuo migliore rispetto al genitore. Saranno poi questi mutanti fortunati che verranno selezionati per la riproduzione invece dei mutanti sfortunati. Risultato di questo processo è l’evoluzione biologica, un cambiamento che si verifica nel succedersi delle generazioni in una popolazione di organismi e che complessivamente conduce ad individui più “adatti” all’ambiente, cioè individui capaci di comportamenti che garantiscono meglio la sopravvivenza e la riproduzione.

E’ esattamente questo il meccanismo che ha portato, nella nostra simulazione, ad avere insetti con pesi e connessioni “giuste”, cioè tali da permettere loro di rispondere agli stimoli ambientali con i movimenti appropriati. Pesi e connessioni sono stati progressivamente selezionati ne corso dell’evoluzione con la riproduzione selettiva dei migliori insetti e con le mutazioni genetiche.
Nella nostra simulazione le mutazioni genetiche compaiono come il solo meccanismo che aggiunge variabilità ad una popolazione di organismi. In molti organismi, in realtà, c’è un secondo meccanismo che aumenta la variabilità genetica: la riproduzione sessuale. Tale fenomeno è agevolmente simulabile mediante la tecnica del “crossover”: partendo dal presupposto che, per riprodursi, gli insetti debbano incontrare un partner del sesso opposto e convincerlo a procedere all’accoppiamento, il DNA ereditato dal figlio sarà una combinazione di quello dei due genitori. Tale combinazione può essere ottenuta ad esempio “tagliando” il genoma dei genitori nel punto centrale della sequenza ed incollando nel figlio la metà di un genitore e la metà dell’altro.

[da: Domenico Parisi, “La mente. Nuovi modelli della Vita Artificiale” (Il Mulino, 1999) - rielaborazione mia]

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