29.2 C
Jakarta

Bagaimana Otak Menguasai Kompleksitas Tanpa Terjerumus ke dalam Kekacauan

Published:

Sebuah studi baru-baru ini di saraf merinci bagaimana neuron dengan “selektivitas campuran” memberdayakan otak kita untuk mengelola banyak komputasi secara bersamaan, sehingga meningkatkan fleksibilitas kognitif. Kemampuan ini memungkinkan neuron, khususnya di korteks prefrontal medial, untuk berpartisipasi dalam berbagai tugas mental, sehingga meningkatkan kapasitas kognitif dan kreativitas. Studi ini juga membahas mekanisme seperti osilasi dan neuromodulator yang memfokuskan neuron pada tugas-tugas yang relevan, menggarisbawahi peran penting selektivitas campuran dalam fungsi otak. Kredit: SciTechDaily.com

Para peneliti mengungkapkan bahwa neuron yang menunjukkan “selektivitas campuran” memungkinkan otak kita menangani banyak komputasi secara bersamaan, memberikan fleksibilitas yang diperlukan untuk tugas-tugas kognitif yang kompleks.

Banyak neuron menunjukkan “selektivitas campuran”, yang berarti mereka dapat mengintegrasikan banyak masukan dan berpartisipasi dalam banyak komputasi. Mekanisme seperti osilasi dan neuromodulator merekrut partisipasi mereka dan menyesuaikannya agar fokus pada informasi yang relevan.

Setiap hari otak kita berusaha untuk mengoptimalkan trade-off: Dengan banyaknya hal yang terjadi di sekitar kita meskipun kita juga menyimpan banyak dorongan dan kenangan internal, pikiran kita harus fleksibel namun cukup fokus untuk memandu segala sesuatu yang harus kita lakukan. Dalam makalah baru yang diterbitkan di jurnal saraf, Sebuah tim ahli saraf menjelaskan bagaimana otak mencapai kapasitas kognitif untuk memasukkan semua informasi yang relevan tanpa menjadi kewalahan oleh informasi yang tidak relevan.

Peran Selektivitas Campuran

Para penulis berpendapat bahwa fleksibilitas muncul dari properti utama yang diamati di banyak neuron: “selektivitas campuran.” Meskipun banyak ahli saraf yang mengira setiap sel hanya memiliki satu fungsi khusus, bukti terbaru menunjukkan bahwa banyak neuron dapat berpartisipasi dalam berbagai rangkaian komputasi, yang masing-masing bekerja secara paralel. Dengan kata lain, saat kelinci mempertimbangkan untuk menggigit selada di taman, satu neuron mungkin terlibat tidak hanya dalam menilai seberapa lapar rasanya tetapi juga apakah ia dapat mendengar suara elang di atas atau mencium bau anjing hutan di pepohonan dan seberapa jauh jaraknya. selada itu.

Otak tidak melakukan banyak tugas, kata rekan penulis makalah Earl K. Miller, Profesor Picower di The Picower Institute for Learning and Memory di DENGAN dan pelopor gagasan selektivitas campuran, namun banyak sel yang memiliki kapasitas untuk dihubungkan ke berbagai upaya komputasi (yang pada dasarnya adalah “pikiran”). Dalam makalah barunya, penulis menjelaskan mekanisme spesifik yang digunakan otak untuk merekrut neuron ke dalam komputasi yang berbeda dan untuk memastikan bahwa neuron tersebut mewakili jumlah dimensi yang tepat dari suatu tugas kompleks.

“Neuron-neuron ini mempunyai banyak fungsi,” kata Miller. “Dengan selektivitas campuran, Anda dapat memiliki ruang representasi yang serumit yang diperlukan dan tidak lebih rumit lagi. Itulah arti dari kognisi fleksibel.”

Rekan penulis Kay Tye, Profesor di The Salk Institute dan Universitas California di San Diego, mengatakan selektivitas campuran di antara neuron khususnya di korteks prefrontal medial adalah kunci untuk mengaktifkan banyak kemampuan mental.

“MPFC seperti dengungan bisikan yang mewakili begitu banyak informasi melalui ansambel yang sangat fleksibel dan dinamis,” kata Tye. “Selektivitas campuran adalah properti yang memberi kita fleksibilitas, kapasitas kognitif, dan kemampuan untuk menjadi kreatif. Ini adalah rahasia untuk memaksimalkan kekuatan komputasi yang pada dasarnya merupakan fondasi kecerdasan.”

Asal Usul Sebuah Ide

Gagasan selektivitas campuran muncul pada tahun 2000 ketika Miller dan rekannya John Duncan mempertahankan hasil mengejutkan dari studi kognisi di laboratorium Miller. Saat hewan mengurutkan gambar ke dalam beberapa kategori, sekitar 30 persen neuron di korteks prefrontal otak tampaknya terlibat. Orang-orang skeptis yang percaya bahwa setiap neuron memiliki fungsi khusus mencemooh bahwa otak akan mencurahkan begitu banyak sel hanya untuk satu tugas. Jawaban Miller dan Duncan adalah mungkin sel memiliki fleksibilitas untuk terlibat dalam banyak perhitungan. Kemampuan untuk bertugas di satu gugus tugas otak, seolah-olah, tidak menghalangi mereka untuk dapat melayani banyak gugus tugas lainnya.

Namun manfaat apa yang didapat dari selektivitas campuran? Pada tahun 2013 Miller bekerja sama dengan dua penulis makalah baru, Mattia Rigotti dari IBM Research dan Stefano Fusi dari Universitas Columbiauntuk menunjukkan bagaimana selektivitas campuran memberi otak fleksibilitas komputasi yang kuat. Pada dasarnya, kumpulan neuron dengan selektivitas campuran dapat menampung lebih banyak dimensi informasi tentang suatu tugas dibandingkan populasi neuron dengan fungsi invarian.

“Sejak karya awal kami, kami telah mencapai kemajuan dalam memahami teori selektivitas campuran melalui lensa klasik pembelajaran mesin ide,” kata Rigotti. “Di sisi lain, pertanyaan-pertanyaan yang menarik bagi para peneliti tentang mekanisme penerapannya pada tingkat sel masih kurang dieksplorasi. Kolaborasi dan makalah baru ini bertujuan untuk mengisi kesenjangan tersebut.”

Dalam makalah baru ini, penulis membayangkan seekor tikus yang sedang mempertimbangkan apakah akan memakan buah beri. Mungkin baunya enak (itu satu dimensi). Mungkin beracun (itu hal lain). Satu atau dua dimensi lain dari permasalahan ini bisa saja muncul dalam bentuk isyarat sosial. Jika tikus mencium aroma buah beri dari napas sesama tikus, maka buah beri tersebut mungkin boleh dimakan (tergantung pada kesehatan tikus tersebut). Ansambel saraf dengan selektivitas campuran akan mampu mengintegrasikan semua itu.

Merekrut Neuron

Meskipun selektivitas campuran didukung oleh banyak bukti—hal ini telah diamati di seluruh korteks dan area otak lain seperti hipokampus dan amigdala—masih ada pertanyaan terbuka. Misalnya, bagaimana neuron direkrut untuk melakukan tugas-tugas dan bagaimana neuron yang “berpikiran terbuka” tetap hanya fokus pada hal-hal yang benar-benar penting bagi misinya?

Dalam studi baru tersebut, para peneliti yang juga termasuk Marcus Benna dari UC San Diego dan Felix Taschbach dari The Salk Institute, mendefinisikan bentuk selektivitas campuran yang telah diamati oleh para peneliti, dan berpendapat bahwa ketika terjadi osilasi (juga dikenal sebagai “gelombang otak”) dan neuromodulator (bahan kimia seperti serotonin atau dopamin yang memengaruhi fungsi saraf) merekrut neuron ke dalam rangkaian komputasi, dan juga membantu neuron “menerbangkan” apa yang penting untuk tujuan tersebut.

Yang pasti, beberapa neuron didedikasikan untuk masukan tertentu, namun penulis mencatat bahwa ini adalah pengecualian dan bukan aturan. Para penulis mengatakan sel-sel ini memiliki “selektivitas murni.” Mereka hanya peduli jika kelinci melihat selada. Beberapa neuron menunjukkan “selektivitas campuran linier”, yang berarti respons mereka dapat diprediksi bergantung pada beberapa masukan yang ditambahkan (kelinci melihat selada dan merasa lapar). Neuron yang menambahkan fleksibilitas dimensi paling banyak adalah “selektivitas campuran nonlinier” yang dapat menjelaskan beberapa variabel independen tanpa harus menjumlahkannya. Sebaliknya mereka mungkin menimbang serangkaian kondisi yang independen (misalnya ada selada, saya lapar, saya tidak mendengar suara elang, saya tidak mencium bau coyote, namun selada itu jauh dan saya melihat pagar yang cukup kokoh).

Jadi apa yang membuat neuron fokus pada faktor-faktor penting, betapapun banyaknya? Salah satu mekanismenya adalah osilasi, yang terjadi di otak ketika banyak neuron mempertahankan aktivitas listriknya pada ritme yang sama. Aktivitas terkoordinasi ini memungkinkan pertukaran informasi, yang pada dasarnya menyelaraskannya seperti sekelompok mobil yang semuanya memutar stasiun radio yang sama (mungkin siarannya tentang seekor elang yang berputar-putar di atas kepala). Mekanisme lain yang penulis soroti adalah neuromodulator. Ini adalah bahan kimia yang ketika mencapai reseptor di dalam sel dapat mempengaruhi aktivitasnya juga. Semburan asetilkolin, misalnya, mungkin juga menyelaraskan neuron dengan reseptor yang tepat terhadap aktivitas atau informasi tertentu (seperti rasa lapar).

“Kedua mekanisme ini kemungkinan besar bekerja sama untuk membentuk jaringan fungsional secara dinamis,” tulis para penulis.

Memahami selektivitas campuran, lanjut mereka, sangat penting untuk memahami kognisi.

“Selektivitas campuran ada di mana-mana,” simpul mereka. “Itu ada di seberang jenis dan lintas fungsi mulai dari kognisi tingkat tinggi hingga proses sensorimotor ‘otomatis’ seperti pengenalan objek. Meluasnya kehadiran selektivitas campuran menggarisbawahi peran mendasarnya dalam menyediakan otak dengan kekuatan pemrosesan terukur yang diperlukan untuk pemikiran dan tindakan yang kompleks.”

Referensi: “Selektivitas Campuran: Komputasi Seluler untuk Kompleksitas” oleh Kay M. Tye, Earl K. Miller, Felix H. Taschbach, Marcus K. Benna, Mattia Rigotti dan Stefano Fusi, 9 Mei 2024, saraf.
DOI: 10.1016/j.neuron.2024.04.017

Related articles

Recent articles

spot_img