Otak mempercepat persepsi, menebak apa yang akan terjadi selanjutnya

Harapan Anda membentuk dan mempercepat persepsi Anda. Model baru yang menjelaskan efek ini menyarankan memperbarui teori pemrosesan sinyal.

Jika Anda mengharapkan rasa tertentu, dan lidah Anda terasa berbeda, itu akan terasa tidak menyenangkan bagi Anda. Jika rasanya diharapkan, Anda akan merasakannya lebih cepat.

Bayangkan Anda mengambil gelas dan berpikir bahwa isinya adalah jus apel, dan kemudian, setelah menyesap, Anda menemukan bahwa itu adalah bir jahe. Bahkan jika Anda biasanya menyukai soda, rasanya kali ini terasa menjijikkan bagi Anda. Itu karena konteks dan kondisi internal, termasuk ekspektasi, memengaruhi bagaimana hewan merasakan dan memproses informasi dari indera, jelas Alfredo Fontanini , seorang ilmuwan saraf di Stony Brook University di New York. Dalam hal ini, menunggu stimulus yang salah menyebabkan kejutan dan reaksi negatif.

Namun, pengaruh ini tidak terbatas pada kualitas persepsi. Di antara efek lainnya, menyetel indera untuk menunggu input, baik atau buruk, dapat meningkatkan kecepatan di mana seekor hewan mendeteksi, mengidentifikasi, dan meresponsnya.

Bertahun-tahun yang lalu, Fontanini dan timnya menemukan bukti langsung dari efek percepatan ini di korteks rasa - bagian otak yang bertanggung jawab atas persepsi rasa. Sejak itu, mereka berusaha menemukan struktur di korteks yang memungkinkan efek ini. Maka mereka berhasil. Pada April 2019, mereka menerbitkan penemuan mereka di jurnal Nature Neuroscience: model jaringan dengan arsitektur spesifik yang tidak hanya menawarkan ide-ide baru tentang prinsip-prinsip kerja harapan, tetapi juga masuk ke wilayah pertanyaan yang lebih luas tentang bagaimana ilmuwan saraf harus berhubungan dengan persepsi. Selain itu, kesimpulannya agak bertepatan dengan teori pengambilan keputusan, yang menyatakan bahwa otak tidak membangun keputusan secara bertahap, tetapi mengambilnya dengan tergesa-gesa.

Perasaan dipercepat dan keadaan aktif

Rasa, sensasi yang paling tidak dieksplorasi, adalah titik awal yang ideal. Setelah rasa muncul di lidah, beberapa ratus milidetik berlalu sebelum aktivitas korteks rasa mulai mencerminkan data input. "Dalam hal fungsi otak, ini adalah waktu yang sangat lama," kata Don Katz , seorang ilmuwan saraf di Universitas Brandeis di Massachusetts (yang laboratoriumnya Fontanini menjalani studi pasca-doktoral). "Dalam korteks visual, segala sesuatu terjadi dalam sebagian kecil waktu ini," yang membuat visi menjadi lebih sulit untuk mengenali efek harapan yang ingin dipelajari oleh para ilmuwan.

Pada 2012, Fontanini dan rekannya melakukan percobaan di mana tikus mendengar suara ("petunjuk awal"), dan kemudian menerima dosis kecil makanan melalui tabung di mulut mereka. Seleranya sendiri bisa manis, asin, masam, atau pahit, dan tidak ada informasi dalam keterangan alat mengenai karakternya.

Namun demikian, ditemukan bahwa, secara keseluruhan, harapan rasa membuat neuron dari korteks rasa mengenali stimulus hampir dua kali lebih cepat ketika tikus menerima makanan tanpa mendengar suara pendahuluan. Penundaan turun dari sekitar 200 ms hingga 120 ms.

Fontanini ingin tahu jaringan saraf mana yang secara teoritis memungkinkan akselerasi pengkodean. Dia menarik seorang spesialis yang sebelumnya tidak bekerja di bidang selera: seorang kolega dari Stony Brook, seorang ilmuwan saraf, Giancarlo la Camera , yang sebelumnya bekerja pada pemodelan aktivitas otak spontan yang terjadi bahkan tanpa adanya rangsangan.


Alfredo Fontanini dan Giancarlo la Camera

Selama beberapa dekade terakhir, ada kepercayaan yang berkembang bahwa sebagian besar aktivitas jaringan sensor dihasilkan secara internal dan bukan disebabkan oleh rangsangan eksternal. Jika kita membandingkan aktivitas korteks visual hewan dalam kegelapan total dengan aktivitasnya, ketika hewan itu diperiksa, akan sulit untuk menemukan perbedaan di dalamnya. Bahkan tanpa adanya cahaya, set neuron dalam korteks visual mulai aktif bersama, secara bersamaan atau pada frekuensi yang dapat diprediksi. Respons yang saling berhubungan ini terletak dalam apa yang disebut keadaan metastabil dari beberapa ratus milidetik hingga beberapa detik, dan kemudian konfigurasi aktivitas berubah menjadi yang lain. Metastabilitas, atau kecenderungan untuk melompat dari satu keadaan cepat ke yang lain, berlanjut setelah munculnya stimulus, namun, beberapa negara seringkali lebih sering muncul sehubungan dengan stimulus tertentu, dan, oleh karena itu, dianggap sebagai “negara pengkodean”.

La Camera dan lainnya (termasuk Katz) telah memodelkan metastabilitas, menciptakan apa yang disebut jaringan berkerumun. Di dalamnya, kelompok neuron yang menggairahkan berhubungan erat satu sama lain, dan neuron penghambat secara acak terhubung dengan yang menggairahkan, yang memiliki efek meredam lebar pada seluruh sistem. "Arsitektur berkerumun seperti itu pada dasarnya penting untuk menciptakan metastabilitas," kata Fontanini.

Fontanini, La Camera dan kolega mereka, seorang postdoc, Luca Mazzukato (sekarang bekerja di University of Oregon) menemukan bahwa struktur jaringan yang sama diperlukan untuk menciptakan kembali efek menunggu. Dalam model arsitektur clustered metastable, peneliti mensimulasikan petunjuk peringatan, diikuti oleh stimulus rasa khusus. Hasilnya, mereka berhasil mereproduksi skema pengkodean dipercepat yang diamati oleh Fontanini pada tikus pada tahun 2012: transisi dari satu kondisi metastabil ke yang lain dipercepat, yang memungkinkan sistem untuk dengan cepat beralih ke status pengkodean. Hasil karya menunjukkan bahwa hanya dengan menciptakan jaringan untuk menunjukkan pola aktivitas yang mudah menyebar, "Anda dapat menangkap banyak respons neurologis sambil merangsang rasa," kata Fontanini.

Ketika para peneliti mencoba untuk mensimulasikan dorongan peringatan dan rangsangan dalam jaringan yang tidak memiliki neuron yang terkelompok, mereka tidak dapat mengulangi hasil tahun 2012. Oleh karena itu, "efek ini hanya mungkin terjadi pada jaringan dari jenis tertentu," kata Katz.

Jalan kaki kurang stres

Penemuan itu tampak luar biasa, pertama, karena memberi gambaran tentang jenis arsitektur apa yang harus dicari di korteks rasa nyata - dan mungkin di bagian lain korteks yang bertanggung jawab atas organ sensorik. Sejauh ini, para ilmuwan saraf berdebat tentang bagaimana rasa diproses: beberapa mengatakan bahwa neuron tertentu dapat mengkodekan "manis" dan yang lain "asin", menciptakan respons neurologis yang khas untuk selera tertentu. Yang lain mengaitkannya dengan pola aktivitas yang lebih luas; kebanyakan neuron merespons sebagian besar selera, dan skema neurologis yang dihasilkan kira-kira sesuai dengan satu atau lain rasa. Karya Fontanini dan rekannya mendukung teori terbaru, memprediksi dengan tepat bagaimana seharusnya struktur ini. Sudah hanya cluster "garis besar banyak sifat dari rasa kulit," kata Fontanini, "aktivitas spontan, urutan umpan balik pada rasa, efek dari harapan." Dia berharap untuk terus menggali sejarah pembentukan kelompok-kelompok ini, dan apa jenis aktivitas saraf lainnya yang mereka pengaruhi.

Ini juga menguraikan dasar saraf untuk harapan di otak. Ujung peringatan tidak hanya merangsang neuron tertentu atau menyebabkan serangkaian kondisi tertentu, yang kemudian mengkodekan stimulus. Sebaliknya, menunggu mengubah dinamika - khususnya, kecepatan switching - dari keseluruhan sistem.

Fontanini dan la Camara membandingkan dinamika ini dengan bola yang bergerak melintasi lanskap yang dipenuhi parit. Relung-relung ini menunjukkan keadaan reaksi, dan harapan memiringkan medan sehingga bola jatuh lebih cepat ke parit pertama. Ini juga menghaluskan medan berbukit di mana bola harus bergerak dari satu kondisi ke kondisi lainnya, memfasilitasi transisi ini dan terjebak.

Artinya, menunggu membuat jaringan kurang lengket. Ini memungkinkan Anda untuk berjalan lebih mudah menuju keadaan yang benar-benar menyandikan rasa, tetapi tidak memberikan stabilitas sedemikian rupa sehingga sistem macet dalam satu keadaan. Masalah ini sering mengganggu jaringan yang dikelompokkan seperti itu: karena pengelompokan ini, beberapa "parit" ternyata terlalu dalam, dan sistem memperkuat informasi yang salah. Tetapi penemuan ini mengatakan bahwa untuk menyelesaikan masalah ini "Anda tidak memerlukan sistem yang rumit," kata Georg Keller, seorang ilmuwan saraf yang mempelajari kerja penglihatan di Institute of Biomedical Research. Friedrich Miescher di Swiss.

Fontanini dan la Camera berharap bahwa mekanisme yang sama dapat menjelaskan pekerjaan proses lain yang mengambil konteks di luar harapan, seperti perhatian dan pembelajaran. Tapi, mungkin, "konsekuensi paling penting dari pekerjaan kami adalah pergeseran perhatian dari reaksi statis neuron yang mengkode reaksi tertentu ke perilaku dinamis mereka," kata la Camera.

Meskipun pendekatan untuk studi neurobiologi melalui sistem dinamis tidak dapat disebut baru, sulit untuk menguji dan membuat model. Para ahli biasanya cenderung pada struktur hierarki representasi persepsi indera: korteks membangun dan mengintegrasikan fitur untuk pembentukan persepsi, mengirimkan sinyal ke lapisan lain dari jaringan yang mengintegrasikan lebih banyak informasi hingga otak mengambil keputusan atau memilih perilaku.

Namun tidak demikian halnya dalam tulisan ini. Hasil tim berbicara mendukung gagasan pemrosesan sinyal lain di mana "semuanya terjadi pada saat yang sama, sebelum sinyal stimulus tiba," kata Leslie Kay, seorang ahli saraf di University of Chicago yang bekerja pada penciuman. "Informasi yang dipelajari ada di korteks, membentuk sistem kelompok neuron yang saling berhubungan yang menunjukkan informasi ini, dan kemudian Anda mempengaruhinya dengan bantuan harapan, yang menghasilkan manifestasi dari apa yang diketahui sistem ini."

Tiba-tiba terburu-buru

Ini mengikuti dari model bahwa proses pengambilan keputusan bukanlah konstruksi yang mulus berdasarkan informasi yang diterima, melainkan sesuatu seperti urutan wawasan, lompatan fluktuasi saraf. Katz menggunakan model yang sama dengan Fontanini dengan la Camera untuk mendukung gagasan bahwa pengambilan keputusan "terjadi secara tiba-tiba."

Hubungan antara "sudut-sudut rasa yang sangat berbeda" ini - karya Fontanini tentang pemrosesan sensasi dari indera dan penelitiannya tentang pemrosesan lebih lanjut - membuat Katz dalam keadaan "antisipasi penuh kegembiraan."

Dia juga menekankan perlunya untuk menjauh dari konsentrasi pada neuron individu yang menanggapi dorongan tertentu, dan bergerak menuju keadaan internal dan dinamika untuk lebih memahami fungsi jaringan sensor - bahkan dalam kasus rangsangan sensorik paling dasar. "Jauh lebih mudah untuk mengatakan bahwa neuron meningkatkan jumlah aktivasi," kata Anan Moran, seorang ilmuwan saraf di Universitas Tel Aviv di Israel. Tetapi untuk memahami cara kerja organisme, "Anda tidak bisa hanya memperhitungkan stimulus, Anda harus memperhitungkan keadaan internal," tambahnya. "Dan ini berarti bahwa gagasan kita sebelumnya tentang mekanisme yang digunakan oleh otak untuk mengimplementasikan sensasi, tindakan, dan sebagainya, perlu ditinjau."

"Sebagian besar dari apa yang terjadi di korteks rasa sebelum stimulus mencapainya, dikaitkan dengan prosesnya pada saat kedatangan," kata Katz. Dalam hal ini, sebuah studi tentang bagaimana keadaan internal ini berubah di bawah pengaruh pengalaman atau petunjuk telah mengungkapkan informasi baru tentang konektivitas jaringan.

Sekarang, kata Moran, ketergantungan kontekstual seperti itu harus menjalani studi lain tentang persepsi dan pemikiran. “Batas terakhir adalah sistem visual. Pekerjaan seperti itu dapat memberi tahu kita sesuatu yang menarik tentang pemrosesan informasi visual. "

“Kami belum memiliki model yang baik dan terpadu yang menggabungkan semua kegiatan ini,” tambahnya. Tetapi ini adalah "titik awal yang baik."