Kekuatan selektivitas campuran: memahami fungsi otak dan kognisi

Setiap hari, otak kita berusaha mengoptimalkan keseimbangan: dengan begitu banyak kejadian yang terjadi di sekitar kita, dan pada saat yang sama begitu banyak dorongan dan ingatan internal, pikiran kita harus fleksibel tetapi cukup fokus untuk memandu semua yang perlu kita lakukan. Dalam sebuah makalah baru di jurnal Neuron, sekelompok ahli saraf menjelaskan bagaimana otak mencapai kemampuan kognitif untuk mengintegrasikan semua informasi yang relevan tanpa kewalahan oleh hal-hal yang tidak penting.

Para penulis berpendapat bahwa fleksibilitas ini berasal dari sifat utama yang diamati pada banyak neuron: "selektivitas campuran." Sementara banyak ahli saraf sebelumnya mengira bahwa setiap sel hanya memiliki satu fungsi khusus, bukti yang lebih baru menunjukkan bahwa banyak neuron dapat berpartisipasi dalam berbagai kelompok komputasi yang bekerja secara paralel. Dengan kata lain, ketika seekor kelinci mempertimbangkan untuk menggigit selada di kebun, satu neuron mungkin terlibat tidak hanya dalam menilai rasa laparnya, tetapi juga dalam mendengar suara elang di atas kepala atau mencium bau anjing hutan di pepohonan dan menilai seberapa jauh selada itu berada.

Otak tidak melakukan banyak tugas, kata rekan penulis makalah Earl K. Miller, seorang profesor di Picower Institute for the Study of Learning and Memory di MIT dan salah satu pelopor gagasan selektivitas campuran, tetapi banyak sel memiliki kemampuan untuk terlibat dalam beberapa perhitungan (pada dasarnya, "pikiran"). Dalam makalah baru tersebut, penulis menjelaskan mekanisme khusus yang digunakan otak untuk merekrut neuron ke berbagai perhitungan dan untuk memastikan bahwa neuron tersebut mewakili jumlah dimensi yang tepat dari tugas yang kompleks.

Neuron-neuron ini menjalankan banyak fungsi. Dengan selektivitas campuran, Anda dapat memiliki ruang representasi yang serumit yang Anda butuhkan, dan tidak lebih. Di situlah letak fleksibilitas fungsi kognitif."

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

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

"MPFC bagaikan 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. Itulah rahasia untuk memaksimalkan daya komputasi, yang pada dasarnya merupakan dasar kecerdasan."

Asal usul ide

Gagasan selektivitas campuran bermula pada tahun 2000, ketika Miller dan rekannya John Duncan membela hasil mengejutkan dari sebuah studi fungsi kognitif di laboratorium Miller. Ketika hewan memilah gambar ke dalam kategori, sekitar 30 persen neuron di korteks prefrontal otak tampaknya ikut terlibat. Para skeptis yang percaya bahwa setiap neuron memiliki fungsi khusus mencemooh gagasan bahwa otak dapat mendedikasikan begitu banyak sel hanya untuk satu tugas. Jawaban Miller dan Duncan adalah bahwa mungkin sel-sel tersebut memiliki fleksibilitas untuk berpartisipasi dalam banyak perhitungan. Kemampuan untuk melayani satu kelompok otak, seperti yang terjadi, tidak menghalangi kemampuan mereka untuk melayani banyak kelompok otak lainnya.

Namun, manfaat apa yang dibawa oleh selektivitas campuran? Pada tahun 2013, Miller bekerja sama dengan dua 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, sekumpulan neuron dengan selektivitas campuran dapat menampung lebih banyak dimensi informasi tentang suatu tugas daripada populasi neuron dengan fungsi tetap.

"Sejak karya awal kami, kami telah membuat kemajuan dalam memahami teori selektivitas campuran melalui sudut pandang ide pembelajaran mesin klasik," kata Rigotti. "Di sisi lain, pertanyaan penting bagi para eksperimentalis tentang mekanisme yang menerapkan hal ini pada tingkat seluler masih relatif kurang dipelajari. Kolaborasi ini dan makalah baru ini bertujuan untuk mengisi kesenjangan tersebut."

Dalam makalah baru tersebut, penulis membayangkan seekor tikus memutuskan apakah akan memakan buah beri. Buah beri itu mungkin berbau lezat (itu satu dimensi). Buah beri itu mungkin beracun (itu dimensi yang lain). Satu atau dua dimensi lain dari masalah itu mungkin muncul dalam bentuk isyarat sosial. Jika seekor tikus mencium bau buah beri pada napas tikus lain, buah beri itu mungkin dapat dimakan (tergantung pada kesehatan tikus lain yang tampak). Suatu kelompok saraf dengan selektivitas campuran dapat mengintegrasikan semua ini.

Menarik neuron

Meskipun selektivitas campuran didukung oleh banyak bukti—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 tugas, dan bagaimana neuron yang berpikiran terbuka tetap fokus pada apa yang benar-benar penting?

Dalam studi baru, para peneliti termasuk Marcus Benna dari UC San Diego dan Felix Taschbach dari Institut Salk mengidentifikasi bentuk-bentuk selektivitas campuran yang diamati para peneliti dan berpendapat bahwa ketika osilasi (juga dikenal sebagai "gelombang otak") dan neuromodulator (zat kimia seperti serotonin atau dopamin yang memengaruhi fungsi saraf) merekrut neuron ke dalam kelompok komputasi, mereka juga membantu neuron "menyaring" apa yang penting untuk tujuan tersebut.

Tentu saja, beberapa neuron mengkhususkan diri pada masukan tertentu, tetapi penulis menunjukkan bahwa mereka adalah pengecualian, bukan aturan. Sel-sel ini, kata penulis, memiliki "selektivitas murni." Mereka hanya peduli jika kelinci melihat selada. Beberapa neuron menunjukkan "selektivitas campuran linier," yang berarti bahwa respons mereka bergantung pada jumlah beberapa masukan (kelinci melihat selada dan merasa lapar). Neuron yang menambahkan fleksibilitas pengukuran paling banyak adalah neuron dengan "selektivitas campuran nonlinier," yang dapat memperhitungkan beberapa variabel independen tanpa harus menjumlahkannya. Sebaliknya, mereka dapat memperhitungkan serangkaian kondisi independen (misalnya, ada selada, saya lapar, saya tidak dapat mendengar elang, saya tidak dapat mencium bau anjing hutan, tetapi selada itu jauh, dan saya dapat melihat pagar yang cukup kokoh).

Jadi, apa yang menarik neuron untuk fokus pada faktor-faktor yang bermakna, tidak peduli berapa banyak jumlahnya? Salah satu mekanismenya adalah osilasi, yang terjadi di otak ketika banyak neuron mempertahankan aktivitas listriknya pada ritme yang sama. Aktivitas terkoordinasi ini memungkinkan informasi untuk dibagikan, pada dasarnya menyelaraskannya bersama-sama, seperti sekelompok mobil yang semuanya memutar stasiun radio yang sama (siaran elang yang berputar-putar di atas kepala, mungkin). Mekanisme lain yang disoroti oleh para penulis adalah neuromodulator. Ini adalah zat kimia yang, ketika mencapai reseptor di dalam sel, juga dapat memengaruhi aktivitasnya. Misalnya, lonjakan asetilkolin juga dapat menyelaraskan neuron dengan reseptor yang sesuai dengan aktivitas atau informasi tertentu (mungkin sensasi 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. "Selektivitas campuran hadir di berbagai spesies dan memiliki fungsi mulai dari kognisi tingkat tinggi hingga proses sensorimotor 'otomatis' seperti pengenalan objek. Terjadinya selektivitas campuran secara luas menyoroti peran fundamentalnya dalam menyediakan otak dengan daya pemrosesan yang dapat diskalakan yang diperlukan untuk pemikiran dan tindakan yang kompleks."

Rincian penelitian tersedia di halaman jurnal CELL