Relativitas GPS yang tak terduga masuk ke dalam otak

Bagaimana data baru mengubah pemahaman kita tentang neuron lokasi

Rincian pertama dari "otak GPS bawaan" mulai muncul pada tahun 1970-an. Di laboratorium University College London, John O'Keefe dan muridnya Jonathan Dostrovsky mencatat aktivitas listrik neuron dalam hippocampus tikus yang bergerak bebas. Mereka menemukan sekelompok neuron yang diaktifkan hanya ketika tikus muncul di tempat tertentu [ 1 ]. Mereka menyebut sel-sel ini " tempat neuron ."

Berdasarkan penemuan-penemuan awal ini, O'Keefe dan koleganya Lynn Nadel menyarankan bahwa hippocampus mengandung representasi ruang yang tidak berubah-ubah yang tidak tergantung pada suasana hati atau keinginan. Mereka menyebutnya " peta kognitif " [ 2 ]. Dari sudut pandang mereka, semua neuron tempat di otak mewakili seluruh lingkungan hewan, dan aktivasi sel tertentu menunjukkan lokasi saat ini. Dengan kata lain, hippocampus berfungsi seperti GPS. Dia memberi tahu Anda di mana Anda berada di peta, dan peta ini tidak berubah, tidak masalah apakah Anda lapar dan mencari makanan, atau ingin tidur dan mencari tempat tidur. O'Keefe dan Nadel menyarankan bahwa lokasi absolut, gagasan yang disimpan di neuron tempat itu, menyediakan platform mental yang dapat digunakan hewan untuk bernavigasi dalam situasi apa pun - untuk mencari makanan atau tempat istirahat.



Selama 40 tahun berikutnya, peneliti lain - termasuk Edward dan May-Britt Moser, pasangan yang sudah menikah - mendukung gagasan bahwa sirkuit hippocampus berfungsi sebagai GPS bawaan [ 3 ]. Atas karya perintis mereka, O'Keefe dan Mosers dianugerahi Hadiah Nobel Fisiologi atau Kedokteran 2014. Dapat diputuskan bahwa peran hippocampus dalam mengarahkan hewan di ruang angkasa terurai.

Tetapi studi tentang otak tidak pernah berjalan begitu mudah. Hadiah Nobel 2014, seperti korek api yang membakar sumbu, memicu ledakan eksperimen dan ide, beberapa di antaranya keberatan dengan interpretasi awal O'Keefe dan Nadel. Sebuah karya baru menunjukkan bahwa dalam kasus navigasi spasial, kontur hippocampal tidak mewakili informasi lokasi absolut, tetapi relatif dan dapat dimodifikasi di bawah pengaruh pengalaman. Eksplorasi hippocampus tampaknya telah menemukan perdebatan filosofis lama.

Selama berabad-abad, fisikawan telah bergumul dengan pertanyaan apakah ruang itu absolut atau relatif, sebelum bersandar pada sisi relativitas. Tetapi hanya dalam beberapa tahun terakhir, ketika mempelajari otak, mereka mulai mengajukan pertanyaan serupa. Selama bertahun-tahun, ruang absolut bertanggung jawab atas neurobiologi. Sebagai contoh, telah lama diasumsikan bahwa sistem visual memiliki dua saluran untuk aliran informasi. [ 4 ] Yang pertama adalah saluran “apa”, mentransmisikan informasi tentang identitas objek yang diamati oleh hewan. Yang kedua adalah saluran "di mana", yang berisi informasi tentang lokasi absolut objek. Diyakini bahwa saluran "apa" tidak mengandung informasi posisi apa pun. Namun, karya terbaru menunjukkan bahwa meskipun saluran ini tidak mengandung informasi tentang lokasi absolut dari objek, itu memang berisi informasi tentang lokasi relatif. [ 5, 6 ] Informasi tentang lokasi relatif ini mungkin sangat penting untuk pengenalan objek.

Penemuan semacam itu berfungsi sebagai titik tumpu bagi gagasan bahwa informasi relatif penting bagi otak. Sudut pandang ini diperkuat oleh sintesis neurobiologi yang baru dimulai dengan ilmu komputer dan AI. Pekerjaan di persimpangan disiplin ilmu ini menunjukkan bahwa otak menggunakan model dunia yang absolut dan tidak berubah untuk kehidupan dalam lingkungan yang selalu berubah membutuhkan lebih banyak sumber daya komputasi daripada otak yang menggunakan informasi relatif. Memahami di mana dan kapan otak menggunakan informasi absolut dan di mana informasi relatif dapat menjelaskan pekerjaan, fleksibilitas dan kecepatan subsistemnya dan perilaku kita. Secara khusus, hippocampus mungkin menjadi salah satu tonggak pertama dalam penyelidikan ini.

Keberatan utama terhadap interpretasi representasi absolut lokasi dari O'Keefe dan Nadel datang dari sebuah karya tahun lalu, disponsori oleh Kimberly Stachenfeld, Matthew Botvinnik dan Samuel Gershman. [ 7 ] Para peneliti ini, yang terkait dengan Google DeepMind, Universitas Princeton, University College London dan Universitas Harvard, menyarankan bahwa hippocampus bukanlah lokasi absolut hewan itu, tetapi di mana kemungkinan besar hewan itu akan pergi dalam waktu dekat. Pandangan ini memperhitungkan gerakan yang disukai dan kebiasaan yang dipelajari. Dari sudut pandang ini, hippocampus adalah prediksi, bukan peta absolut.

Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa aktivitas neuron suatu tempat terus menurun ketika seekor hewan menjauh dari pusat tempat yang menarik itu. O'Keefe dan Nadel memutuskan bahwa ini adalah tanda bahwa neuron situs mewakili lokasi hewan saat ini. Tetapi dalam kerangka platform yang diusulkan oleh Stachenfeld dan rekan-rekannya, tingkat aktivitas neuronal diusulkan untuk dianggap sebagai presentasi tentang seberapa besar kemungkinan hewan tersebut akan berada di pusat tempat menarik pada saat berikutnya. Jika sudah ada di tengah, maka kemungkinan itu akan ada di saat berikutnya cukup tinggi, sehingga aktivitas sel juga tinggi. Jika sudah jauh dari pusat sehingga tidak bisa kembali ke sana pada saat berikutnya, maka neuron tempat tidak aktif.

Teori-teori O'Keefe dan Stachenfeld mungkin tampak serupa, dan keduanya tampaknya menjelaskan sifat-sifat dasar aktivitas neuron suatu tempat. Namun, mereka membuat asumsi yang berbeda tentang sifat dari peta spasial di hippocampus, dan hanya eksperimen dan tes yang cerdik pada model komputasi yang akan membantu memisahkan satu dari yang lain. Stachenfeld, Botvinnik, dan Gershman mencapai ini dengan menganalisis kembali data dari karya-karya yang diterbitkan sebelumnya, dan menemukan bahwa beberapa dari mereka dapat menjelaskan model kerja hippocampus mereka, tetapi model tradisional tidak bisa. Contoh paling mencolok dari ini adalah data dari studi yang dilakukan oleh Ellis Alverne dan rekan-rekannya dari Marseille, Prancis. [ 8 ] Para peneliti ini menggunakan "Labirin Cabang Tolman", di mana tikus harus berlari di sepanjang satu-satunya jalan dari awal hingga akhir. Dalam beberapa situasi, jalan ditutup, memaksa hewan untuk melewati rintangan di salah satu dari dua koridor berbentuk C.

Menurut interpretasi aktivitas neuron menurut O'Keefe dengan peta kognitifnya, neuron yang aktif ketika tikus berada di persimpangan antara jalur langsung dan bypass harus diaktifkan secara merata, terlepas dari apakah jalur ini diblokir atau tidak. Tetapi dalam percobaan gambar yang berbeda diamati. Sel ini berperilaku berbeda, tergantung pada keberadaan jalur yang diblokir. Tingkat aktivitas neuron dipengaruhi oleh pengalaman tikus sebelumnya. Kartu absolut seharusnya tidak berfungsi seperti itu. Selain itu, Stachenfeld dan rekan melakukan simulasi komputer untuk menunjukkan bahwa aktivitas neuron situs yang diamati oleh Alvernet dan rekannya dalam pengalaman mereka bertepatan dengan hipotesis peta prediksi mereka jauh lebih baik daripada hipotesis peta kognitif O'Keeffe.

Argumen Stachenfeld terhadap interpretasi O'Keefe-Nadel adalah bahwa neuron tempat tidak mengkodekan posisi absolut, tetapi hanya lokasi relatif terhadap sejarah gerakan, pengalaman, dan preferensi perilaku. Hanya beberapa bulan kemudian, serangkaian penelitian lain menunjukkan bahwa lokasi hewan lain dari spesies yang sama juga memengaruhi aktivitas neuron di lokasi tersebut. [ 9, 10, 11 ] Dalam karya-karya yang diterbitkan tahun ini, Necam Ulanowski dari Weismann Institute di Israel dan Shigeioshi Fujisawa dari RIKEN Brain Research Institute di Jepang melatih hewan untuk bergerak di sekitar area tertentu dengan menunjukkan kepada mereka berjalan yang dilakukan individu lain dari jenisnya. . Pada saat yang sama, Ulanovsky menggunakan kelelawar, dan Fujisawa menggunakan tikus. Ketika hewan mengikuti jalur yang ditentukan, neuron tempat mereka diharapkan diaktifkan. Tapi itu mengejutkan bahwa subset dari neuron-neuron di situs ini juga diaktifkan ketika hewan menyaksikan ras orang lain. Para peneliti menyebut neuron ini "neuron tempat sosial".

Hasil lagi berbeda dari interpretasi awal aktivasi neuron tempat itu, menghubungkan mereka dengan lokasi absolut di ruang angkasa. Representasi suatu tempat di hippocampus tidak hanya berbeda dari absolut - tampaknya bahwa pengamatan orang lain dapat memengaruhinya.

Aktivitas neuron situs jauh lebih kompleks daripada yang diperkirakan sebelumnya. Pandangan klasik tentang peran kontur hippocampal dalam navigasi spasial, yang dianugerahi Hadiah Nobel, bukanlah deskripsi lengkap tentang apa yang terjadi, dan hippocampus melakukan lebih banyak fungsi daripada representasi invarian sederhana dari lokasi subjek dalam ruang.

Gagasan tentang kemungkinan tempat neuron dan dampaknya pada pembelajaran dan perilaku hewan lain dapat memfasilitasi konstruksi konsep yang dapat menggambarkan peran hippocampus dalam orientasi spasial dan peran yang diterima secara umum dalam pembelajaran dan pembentukan memori. Sejak penemuan bahwa penghilangan hippocampus dapat menyebabkan ketidakmampuan untuk membentuk ingatan baru, telah dipelajari sebagai salah satu daerah paling penting dari otak yang bertanggung jawab untuk memori. [ 12 ] Dan meskipun diketahui dari percobaan pertama O'Keefe dan Dostrovsky bahwa hippocampus memainkan peran utama dalam navigasi spasial, bagaimana dan mengapa bagian kecil otak ini mampu menyimpan peta spasial dan ingatan kompleks masih kurang dipahami. . Pemahaman yang muncul tentang relativitas peta spasial kita dan efek dari memori dan perilaku pada mereka membuatnya lebih mudah untuk memahami fungsi ganda dari hippocampus. Lima puluh tahun setelah pengamatan pertama oleh O'Keefe dan Dostrovsky, kita mulai memahami lebih jelas bagaimana area kunci otak ini membentuk kepribadian kita.