Bagaimana Otak Membedakan Sensasi Penting dan Tidak Penting

0



Bayangkan Anda sedang bermain gitar. Anda duduk, menopang berat instrumen di pangkuan Anda. Satu tangan memetik; yang lain menekan senar ke leher gitar untuk memainkan akord. Penglihatan Anda melacak lembaran musik di halaman, dan pendengaran Anda memungkinkan Anda mendengarkan suaranya. Selain itu, dua indera lain memungkinkan memainkan alat musik ini. Salah satunya, sentuh, memberitahu Anda tentang interaksi Anda dengan gitar. Lain, proprioception, memberitahu Anda tentang posisi dan gerakan lengan dan tangan Anda saat Anda bermain. Bersama-sama, kedua kapasitas ini bergabung menjadi apa yang oleh para ilmuwan disebut somatosensasi, atau persepsi tubuh.

Kulit dan otot kita memiliki jutaan sensor yang berkontribusi terhadap somatosensasi. Namun otak kita tidak menjadi kewalahan oleh rentetan input ini—atau dari indera kita yang lain, dalam hal ini. Anda tidak terganggu oleh sejumput sepatu Anda atau tarikan tali gitar saat Anda bermain; Anda hanya fokus pada input sensorik yang penting. Otak dengan ahli meningkatkan beberapa sinyal dan menyaring yang lain sehingga kita dapat mengabaikan gangguan dan fokus pada detail yang paling penting.

Bagaimana otak mencapai prestasi fokus ini? Dalam penelitian terbaru di Northwestern University, University of Chicago dan Salk Institute for Biological Studies di La Jolla, California, kami telah menemukan jawaban baru untuk pertanyaan ini. Melalui beberapa penelitian, kami telah menemukan bahwa struktur kecil yang sebagian besar diabaikan di bagian paling bawah batang otak memainkan peran penting dalam pemilihan sinyal sensorik otak. Area tersebut disebut nukleus cuneate, atau CN. Penelitian kami tentang CN tidak hanya mengubah pemahaman ilmiah tentang pemrosesan sensorik, tetapi mungkin juga meletakkan dasar bagi intervensi medis untuk memulihkan sensasi pada pasien dengan cedera atau penyakit.

Untuk memahami apa yang baru, kita harus meninjau beberapa dasar tentang cara kerja somatosensasi. Setiap kali kita bergerak atau menyentuh sesuatu, sel-sel khusus di dalam kulit dan otot kita merespons. Sinyal elektrokimia mereka berjalan di sepanjang serabut saraf ke sumsum tulang belakang dan otak. Otak menggunakan pesan-pesan ini untuk melacak postur dan gerakan tubuh serta lokasi, waktu, dan kekuatan saat kita berinteraksi dengan objek. Eksperimen telah memperjelas bahwa pengalaman sadar tubuh kita dan interaksinya dengan objek bergantung pada sinyal yang mencapai korteks serebral, lapisan terluar otak. Para ilmuwan telah lama berasumsi bahwa area otak ini adalah salah satu pemain utama yang terlibat dalam meningkatkan atau menyaring sinyal sensorik secara selektif. Mereka percaya bahwa CN, di sisi lain, hanyalah stasiun relai pasif, yang memindahkan sinyal dari tubuh ke korteks.

Tapi kami skeptis. Mengapa CN ada jika tidak mengubah sinyal dalam beberapa cara? Kami memutuskan untuk menonton neuron cuneate beraksi untuk mencari tahu. Tantangannya secara historis adalah bahwa CN kecil dan sangat sulit diakses. Itu terletak di persimpangan kepala dan leher yang sangat fleksibel, yang berarti gerakan hewan dapat membuatnya sulit dijangkau. Lebih buruk lagi, nukleus cuneate terletak di batang otak, dikelilingi oleh daerah otak vital yang, jika rusak, dapat menyebabkan kematian.

Untungnya, alat ilmu saraf modern memungkinkan kita mengamati CN secara stabil pada hewan yang terjaga tanpa merusak area terdekat. Pada monyet, kami menanamkan rangkaian kecil elektroda yang kami gunakan untuk memantau neuron inti cuneate individu. Untuk pertama kalinya, kami dapat mempelajari bagaimana sel-sel otak tunggal di area ini merespons ketika seekor monyet bergerak dan menyentuh sesuatu. Metode ini memungkinkan kami untuk menjawab beberapa pertanyaan tentang apa yang dilakukan CN. Pertama, kami mempelajari bagaimana neuron ini merespons sinyal sentuhan dengan memaparkan kulit monyet ke berbagai jenis rangsangan, termasuk getaran dan pola titik timbul seperti braille. Kami kemudian membandingkan respons di CN dengan aktivitas di serabut saraf yang masuk ke dalam struktur otak ini. Jika area tersebut baru saja menyampaikan informasi yang dikumpulkan oleh sel-sel sensorik kulit, aktivitas saraf di CN pada dasarnya akan menggemakan aktivitas di serabut saraf. Sebagai gantinya, kami menemukan bahwa neuron CN tidak hanya meneruskan inputnya tapi ubah mereka. Faktanya, neuron cuneate menunjukkan pola aktivitas yang lebih mirip dengan yang ada di neuron korteks serebral otak daripada pola di serabut saraf.

Tetapi hubungan antara CN dan korteks bukanlah jalan satu arah. Selain saraf sensorik naik, ada jalur dari area sensorik dan motorik korteks serebral turun ke nukleus kuneat. Kami bertanya-tanya apakah CN berkontribusi pada beberapa bentuk penyaringan sensorik berdasarkan gerakan sukarela yang direncanakan hewan. Untuk itu, kami mengamati aktivitas CN ketika monyet mencapai target dan membandingkan sinyal tersebut dengan sinyal CN yang dihasilkan ketika robot menggerakkan lengan monyet dengan cara yang sama. Kami menemukan bahwa aktivitas di neuron runcing memang berubah, tergantung pada apa yang dilakukan hewan dan apakah gerakan itu disengaja atau tidak disengaja. Sebagai salah satu contoh, kita tahu bahwa sinyal dari otot lengan dapat membantu hewan menentukan bahwa suatu gerakan berjalan sesuai rencana. Sejalan dengan ide ini, kami menemukan bahwa banyak sinyal dari otot lengan yang ditingkatkan di CN ketika seekor monyet menggerakkan lengannya secara sukarela, dibandingkan dengan ketika robot menggerakkannya.

Studi-studi ini menetapkan bahwa pemrosesan sinyal yang datang dari tubuh kita telah dimulai ketika sinyal mencapai nukleus cuneate. Tetapi apakah sel-sel otak dan jalur-jalur yang memungkinkan peningkatan selektif CN terhadap sinyal-sinyal yang penting dan menekan sinyal-sinyal yang tidak penting? Dalam studi ketiga, kami memanfaatkan teknik genetik dan virus untuk menyelidiki sistem saraf tikus. Dengan alat ini, kita dapat memanipulasi jenis sel tertentu, menyalakan atau mematikannya dengan menyinarinya dengan laser. Kami memasangkan teknik ini dengan tugas perilaku: Dengan melatih tikus untuk menarik tali atau bereaksi terhadap berbagai tekstur untuk mendapatkan hadiah, kami menguji bagaimana aktivasi atau inaktivasi neuron tertentu dapat memengaruhi kemampuan tikus untuk melakukan tugas yang tangkas. Pendekatan ini memungkinkan kami untuk pertama-tama mengeksplorasi fungsi sel-sel di dalam CN, mengungkapkan satu set neuron tertentu di sekitarnya yang dapat menekan atau meningkatkan jalannya sinyal sentuhan saat mereka memasuki otak. Kemudian kami menerapkan teknik serupa untuk memeriksa bagaimana daerah otak lain yang lebih tinggi dapat mempengaruhi aktivitas CN. Kami menemukan dua jalur yang berbeda dari korteks sampai ke CN yang mengatur seberapa banyak informasi yang diizinkan oleh cuneate. Dengan kata lain, CN menerima tidak hanya informasi dari tubuh tetapi juga bimbingan dari korteks untuk membantu menentukan sinyal apa yang paling relevan atau penting bagi seorang individu pada saat tertentu.

Jelas, nukleus runcing adalah wilayah otak yang jauh lebih menarik daripada yang telah diberikan penghargaan. Pekerjaan kami membantu memperjelas fungsinya: untuk menyoroti sinyal tertentu dan menekan yang lain sebelum meneruskannya ke daerah otak yang bertanggung jawab atas persepsi, kontrol motorik, dan fungsi kognitif yang lebih tinggi. Peran penting itu mungkin membantu menjelaskan mengapa CN muncul di berbagai mamalia termasuk tikus dan primata.

Meskipun pekerjaan kami masih jauh dari selesai, hasil kami sudah memiliki implikasi penting untuk rehabilitasi. Di luar sinyal taktil dan otot aktif yang dapat kami pelajari, bukti menunjukkan bahwa CN menerima lebih banyak input “tidak aktif” yang mungkin penting dalam pemulihan dari cedera neurologis. Jutaan orang di seluruh dunia menderita beberapa bentuk disfungsi anggota tubuh, seperti kelumpuhan atau kehilangan perasaan. Dengan pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana sinyal sensorik dan motorik mendukung gerakan, dokter pada akhirnya dapat meningkatkan diagnosis dan pengobatan kondisi ini. Misalnya, elektroda yang ditanamkan suatu hari nanti dapat mengaktifkan nukleus cuneate secara elektrik pada orang-orang yang kehilangan sensasi pada anggota badan mereka, yang berpotensi memulihkan kemampuan untuk memahami tubuh mereka.

Apakah Anda seorang ilmuwan yang mengkhususkan diri dalam ilmu saraf, ilmu kognitif atau psikologi? Dan apakah Anda sudah membaca makalah peer-review terbaru yang ingin Anda tulis untuk Mind Matters? Silakan kirim saran ke editor Scientific American’s Mind Matters Daisy Yuhas di pitchmindmatters@gmail.com.

Leave A Reply

Your email address will not be published.