Kekuatan selektivitas campuran: Memahami fungsi otak dan kognisi

Setiap hari otak kita berusaha untuk mengoptimalkan trade-off: dengan banyaknya peristiwa yang terjadi di sekitar kita, dan pada saat yang sama banyak dorongan internal dan kenangan, pikiran kita harus fleksibel namun cukup fokus untuk memandu segala sesuatu yang perlu kita lakukan. Dalam makalah baru di jurnal Neuron, tim ilmuwan saraf menjelaskan bagaimana otak mencapai kemampuan kognitif untuk mengintegrasikan semua informasi yang relevan tanpa kewalahan oleh apa yang tidak relevan.

Para penulis berpendapat bahwa fleksibilitas berasal dari properti utama yang diamati di banyak neuron: “selektivitas campuran.” Meskipun banyak ahli saraf sebelumnya mengira bahwa setiap sel hanya memiliki satu fungsi khusus, bukti terbaru menunjukkan bahwa banyak neuron dapat berpartisipasi dalam rangkaian komputasi berbeda yang bekerja secara paralel. Dengan kata lain, ketika seekor kelinci sedang mempertimbangkan untuk memakan selada di kebun, salah satu neuron mungkin terlibat tidak hanya dalam menilai rasa laparnya, namun juga dalam mendengar suara elang di atas atau mencium bau anjing hutan di pepohonan dan menentukan seberapa jauh jarak selada tersebut..

Otak bukanlah orang yang dapat melakukan banyak tugas, kata rekan penulis Earl K. Miller, seorang profesor di Institut Picower untuk Pembelajaran dan Memori di MIT dan salah satu pionir gagasan selektivitas campuran, namun banyak sel yang memiliki kemampuan tersebut untuk terlibat dalam berbagai proses komputasi (pada dasarnya, "pikiran"). Dalam makalah barunya, penulis menjelaskan mekanisme spesifik yang digunakan otak untuk merekrut neuron guna melakukan berbagai komputasi dan untuk memastikan bahwa neuron tersebut mewakili jumlah dimensi yang tepat dari suatu masalah kompleks.

Neuron ini menjalankan banyak fungsi. Dengan selektivitas campuran, dimungkinkan untuk memiliki ruang representatif yang serumit yang diperlukan dan tidak lebih. Di sinilah letak fleksibilitas fungsi kognitifnya."

Earl K. Miller, profesor di Institut Picower untuk Studi Pembelajaran dan Memori di Institut Teknologi Massachusetts

Rekan penulis Kaye Tai, seorang profesor di Salk Institute dan Universitas California, San Diego, mengatakan bahwa selektivitas campuran di antara neuron, terutama di korteks prefrontal medial, adalah kunci untuk mengaktifkan banyak kemampuan mental.

"MPFC seperti bisikan yang mewakili begitu banyak informasi melalui ansambel yang sangat fleksibel dan dinamis," kata Tai. "Selektivitas campuran adalah properti yang memberi kita fleksibilitas, kemampuan kognitif, dan kreativitas. Ini adalah rahasia untuk memaksimalkan kekuatan pemrosesan, yang pada dasarnya merupakan dasar kecerdasan."

Asal usul ide

Ide selektivitas campuran bermula pada tahun 2000, ketika Miller dan rekannya John Duncan mempertahankan hasil mengejutkan dari penelitian fungsi kognitif di laboratorium Miller. Ketika hewan mengurutkan gambar ke dalam beberapa kategori, sekitar 30 persen neuron di korteks prefrontal otak tampaknya diaktifkan. Orang-orang skeptis yang percaya bahwa setiap neuron memiliki fungsi khusus mencemooh gagasan bahwa otak dapat mendedikasikan begitu banyak sel untuk satu tugas saja. Jawaban Miller dan Duncan adalah mungkin sel memiliki fleksibilitas untuk berpartisipasi dalam banyak perhitungan. Kemampuan untuk melayani satu kelompok otak, sebagaimana adanya, tidak menghalangi kemampuan mereka untuk melayani banyak kelompok otak lainnya.

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

"Sejak pekerjaan awal kami, kami telah mencapai kemajuan dalam memahami teori selektivitas campuran melalui lensa ide pembelajaran mesin klasik," kata Rigotti. "Di sisi lain, pertanyaan penting bagi para peneliti mengenai mekanisme yang melakukan hal ini pada tingkat sel relatif sedikit dieksplorasi. Kolaborasi dan makalah baru ini bertujuan untuk mengisi kesenjangan ini."

Dalam makalah baru, penulis menyajikan seekor tikus yang sedang memutuskan apakah akan memakan buah beri. Dia mungkin berbau harum (itu satu dimensi). Itu bisa beracun (itu hal lain). Satu atau dua dimensi lain dari masalah tersebut mungkin muncul dalam bentuk sinyal sosial. Jika seekor tikus mencium bau buah beri dari napas tikus lain, maka buah tersebut mungkin dapat dimakan (tergantung pada kesehatan tikus lain tersebut). Ansambel saraf dengan selektivitas campuran akan mampu mengintegrasikan semua ini.

Menarik neuron

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

Dalam sebuah studi baru, para peneliti termasuk Marcus Benna dari UC San Diego dan Felix Taschbach dari Salk Institute mengidentifikasi bentuk selektivitas campuran yang diamati dan diperdebatkan oleh para peneliti ketika osilasi (juga dikenal sebagai "gelombang otak") dan neuromodulator ( zat kimia seperti serotonin atau dopamin yang memengaruhi fungsi saraf) menarik neuron ke dalam rangkaian komputasi, dan juga membantu neuron “menyaring” apa yang penting untuk tujuan ini.

Tentu saja, beberapa neuron dikhususkan untuk masukan tertentu, namun penulis mencatat bahwa ini adalah pengecualian, bukan aturan. Para penulis mengatakan sel-sel ini memiliki “selektivitas murni.” Mereka hanya peduli jika kelinci melihat selada tersebut. Beberapa neuron menunjukkan "selektivitas campuran linier", yang berarti bahwa respons mereka dapat diprediksi bergantung pada jumlah masukan ganda (kelinci melihat selada dan merasa lapar). Neuron yang paling banyak memberikan fleksibilitas pengukuran adalah neuron dengan “selektivitas campuran nonlinier”, yang dapat menjelaskan beberapa variabel independen tanpa perlu menjumlahkannya. Sebaliknya, mereka dapat mempertimbangkan serangkaian kondisi independen (misalnya, ada selada, saya lapar, saya tidak mendengar suara elang, saya tidak mencium bau anjing hutan, tetapi selada itu jauh dan saya bisa lihat pagar yang cukup kuat).

Jadi, apa yang menarik neuron untuk fokus pada faktor-faktor penting, tidak peduli berapa pun jumlahnya? Salah satu mekanismenya adalah osilasi, yang terjadi di otak ketika banyak neuron mempertahankan aktivitas listriknya dalam ritme yang sama. Aktivitas terkoordinasi ini memungkinkan informasi untuk dibagikan, yang pada dasarnya menyelaraskannya seperti sekelompok mobil yang semuanya memutar stasiun radio yang sama (mungkin siaran elang yang berputar-putar di atas kepala). Mekanisme lain yang disoroti penulis adalah neuromodulator. Ini adalah bahan kimia yang, ketika mencapai reseptor di dalam sel, juga dapat mempengaruhi aktivitasnya. Misalnya, lonjakan asetilkolin juga dapat merangsang neuron dengan reseptor yang sesuai untuk aktivitas atau informasi tertentu (mungkin rasa lapar).

“Kedua mekanisme ini kemungkinan 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. “Hal ini terdapat pada semua spesies dan memiliki berbagai fungsi mulai dari kognisi tingkat tinggi hingga proses sensorimotor 'otomatis' seperti pengenalan objek. Meluasnya selektivitas campuran menyoroti peran mendasarnya dalam menyediakan otak dengan kekuatan pemrosesan terukur yang dibutuhkan untuk melakukan hal-hal kompleks. Pikiran dan tindakan." p>

Baca selengkapnya tentang studi ini di majalah CELL