Eu acho que você está complicando demais as coisas. Tente isto:
fastcgi_no_cache $cookie_PHPSESSID;
fastcgi_cache_bypass $cookie_PHPSESSID;
A propósito, as diretivas proxy_*
são para um caso em que o nginx está agindo como um proxy , por exemplo, em um esquema de nulo de carga. Eu duvido que possa haver uma configuração quando o nginx pode ser tanto fastcgi-backend quanto um proxy para um local.