Bagaimana Otak Menghubungkan Peristiwa untuk Membentuk Memori?

Laporan ini disampaikan oleh psikiater klinis dan rekan penulis studi baru Mohsin Ahmed, MD, PhD, mengatakan sebagai contoh kuat kemampuan otak untuk mengingat dan menghubungkan berbagai peristiwa yang dipisahkan dalam waktu. Dan sekarang, dalam studi baru pada tikus yang diterbitkan hari ini di jurnal Neuron, para ilmuwan di Zuckerman Institute Columbia telah menjelaskan bagaimana otak dapat membentuk hubungan abadi menjadi memori.

Para ilmuwan menemukan mekanisme mengejutkan dimana hippocampus, wilayah otak yang penting untuk daya ingat, membangun jembatan lintas waktu: dengan melepaskan semburan aktivitas yang tampak acak, tetapi sebenarnya membentuk pola rumit yang seiring waktu membantu otak belajar asosiasi.

Dengan mengungkapkan sirkuit yang mendasari di belakang pembelajaran asosiatif, temuan meletakkan dasar untuk pemahaman yang lebih baik tentang kecemasan dan gangguan terkait trauma dan stres, seperti gangguan stres panik dan pasca-trauma, di mana peristiwa yang tampaknya netral dapat menimbulkan respons negatif.

“Kami tahu bahwa hippocampus penting dalam bentuk pembelajaran yang melibatkan menghubungkan dua peristiwa yang terjadi bahkan hingga 10 hingga 30 detik,” kata Attila Losonczy, MD, PhD, peneliti utama di Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute di Columbia. dan co-senior penulis makalah ini.

Kemampuan ini adalah kunci untuk bertahan hidup, tetapi mekanisme di belakangnya telah terbukti sulit dipahami. Dengan penelitian hari ini pada tikus, kami telah memetakan perhitungan rumit yang dilakukan otak untuk menghubungkan berbagai peristiwa berbeda yang terpisah dalam waktu.

Hippocampus – wilayah kecil berbentuk kuda yang terkubur dalam di otak – adalah markas besar penting untuk pembelajaran dan memori. Percobaan sebelumnya pada tikus menunjukkan bahwa gangguan pada hippocampus membuat hewan-hewan tersebut kesulitan belajar mengasosiasikan dua peristiwa yang dipisahkan oleh puluhan detik.

Pandangan yang berlaku adalah bahwa sel-sel dalam hippocampus mempertahankan tingkat aktivitas yang persisten untuk mengaitkan peristiwa-peristiwa seperti itu,” kata Dr. Ahmed, asisten profesor psikiatri klinis di Sekolah Tinggi Dokter dan Ahli Bedah Vagelos Columbia, dan penulis pendamping pertama dari studi ini.

“Mematikan sel-sel ini akan mengganggu pembelajaran.” Untuk menguji pandangan tradisional ini, para peneliti mencitrakan bagian hippocampus tikus ketika hewan-hewan itu terpapar oleh dua rangsangan yang berbeda: suara netral diikuti oleh embusan kecil udara yang tidak menyenangkan. Penundaan lima belas detik memisahkan kedua peristiwa itu. Para ilmuwan mengulangi percobaan ini melalui beberapa percobaan. Seiring waktu, tikus belajar mengaitkan nada dengan embusan udara yang segera akan menyusul. Dengan menggunakan mikroskop dua foton canggih dan pencitraan kalsium fungsional, mereka merekam aktivitas ribuan neuron, sejenis sel otak, dalam hippocampus hewan secara bersamaan selama masing-masing percobaan selama beberapa hari.

Dengan pendekatan ini, kita dapat meniru, meskipun dengan cara yang lebih sederhana, proses yang dialami otak kita sendiri ketika kita belajar menghubungkan dua peristiwa, “kata Dr. Losonczy, yang juga seorang profesor ilmu saraf di Kolumbia Dokter dan Ahli Bedah Vagelos di Columbia. Untuk memahami informasi yang mereka kumpulkan, para peneliti bekerja sama dengan ahli saraf komputasi yang mengembangkan alat matematika yang kuat untuk menganalisis sejumlah besar data eksperimen.

“Kami berharap melihat aktivitas saraf berulang yang terus-menerus yang berlangsung selama jeda lima belas detik, sebuah indikasi hippocampus yang bekerja menghubungkan nada pendengaran dan embusan udara,” kata ilmuwan neurologi komputasi Stefano Fusi, PhD, seorang peneliti utama di Zuckerman Columbia Institut dan co-senior penulis makalah ini.

“Tetapi ketika kami mulai menganalisis data, kami tidak melihat aktivitas seperti itu.” Sebagai gantinya, aktivitas saraf yang direkam selama jeda waktu lima belas detik jarang. Hanya sejumlah kecil neuron yang ditembakkan, dan mereka melakukannya secara acak. Aktivitas sporadis ini tampak sangat berbeda dari aktivitas berkelanjutan yang ditampilkan otak selama tugas belajar dan memori lainnya, seperti menghafal nomor telepon.

“Kegiatan itu tampaknya datang dan meledak pada periode waktu yang terputus-putus dan acak di seluruh tugas,” kata James Priestley, seorang kandidat doktor yang dibimbing oleh Drs. Losonczy dan Fusi di Zuckerman Institute di Columbia dan penulis utama makalah ini. “

Untuk memahami aktivitas ini, kami harus mengubah cara kami menganalisis data dan menggunakan alat yang dirancang untuk memahami proses acak.” Pada akhirnya, para peneliti menemukan pola dalam keacakan: gaya komputasi mental yang tampaknya menjadi cara yang sangat efisien untuk neuron menyimpan informasi. Alih-alih berkomunikasi satu sama lain secara konstan, neuron menghemat energi – mungkin dengan menyandikan informasi dalam koneksi antar sel, yang disebut sinapsis, daripada melalui aktivitas listrik sel.

Kami senang melihat bahwa otak tidak mempertahankan aktivitas yang sedang berlangsung selama beberapa detik ini karena, secara metabolik, itu bukan cara paling efisien untuk menyimpan informasi, “kata Dr. Fusi, yang juga seorang profesor ilmu saraf di Columbia’s Vagelos College of Columbia, AS. Dokter dan Ahli Bedah.

“Otak tampaknya memiliki cara yang lebih efisien untuk membangun jembatan ini, yang kami duga mungkin melibatkan perubahan kekuatan sinapsis.” Selain membantu memetakan sirkuit yang terlibat dalam pembelajaran asosiatif, temuan ini juga memberikan titik awal untuk lebih mengeksplorasi gangguan yang melibatkan disfungsi dalam memori asosiatif, seperti panik dan gangguan stres postratraatic.

“Walaupun penelitian kami tidak secara eksplisit memodelkan sindrom klinis dari salah satu gangguan ini, ini bisa sangat informatif,” kata Dr. Ahmed, yang juga anggota lab Losonczy di Zuckerman Institute di Columbia. “Sebagai contoh, ini dapat membantu kita untuk memodelkan beberapa aspek dari apa yang mungkin terjadi di otak ketika pasien mengalami hubungan yang menakutkan antara dua peristiwa yang, bagi orang lain, tidak menimbulkan ketakutan atau panik.”

Jurnal Refrensi:

• Mohsin S. Ahmed, Angel Castro, Fabio Stefanini, James B. Priestley, Elizabeth M. Balough, Luca Mazzucato, Erin Lavoie Stefano Fusi, Attila Losonczy. 2020. Hippocampal network reorganization underlies the formation of a temporal association memory. Neuron.