Rahasia Koneksi Neuron: Bagaimana Otak Mengorganisir Diri
Sebuah riset terkini yang dilakukan oleh fisikawan dan ahli saraf dari Universitas Chicago, Harvard, dan Yale merinci bagaimana konektivitas antar neuron muncul melalui prinsip-prinsip umum jaringan dan pengorganisasian diri, bukan melalui fitur biologis suatu organisme individu.
Penelitian yang dipublikasikan pada 17 Januari 2024 di Nature Physics ini menggambarkan dengan akurat bagaimana konektivitas saraf terbentuk dalam berbagai model organisme dan juga dapat diterapkan pada jaringan non-biologis seperti interaksi sosial.
Stephanie Palmer, PhD, Profesor Madya Fisika dan Biologi Organisme dan Anatomi di UChicago, yang juga merupakan penulis senior studi ini, menyatakan, “Ketika Anda membangun model sederhana untuk menjelaskan data biologis, Anda berharap mendapatkan gambaran kasar yang sesuai dengan beberapa skenario, tetapi tidak semua skenario. Namun, kami melihat bahwa dalam hal ini, model tersebut berhasil menjelaskan semuanya dengan cara yang sangat memuaskan.”
Neuron Terhubung Satu Sama Lain
Pemahaman tentang bagaimana neuron terhubung satu sama lain menjadi kunci dalam riset ini. Meskipun jumlah koneksi antar neuron mungkin terlihat acak, jaringan sel otak cenderung didominasi oleh sejumlah kecil koneksi yang jauh lebih kuat daripada kebanyakan koneksi lainnya.
Distribusi koneksi ini, yang disebut sebagai “berekor berat” karena tampilannya pada grafik, membentuk struktur dasar sirkuit otak yang memungkinkan organisme berpikir, belajar, berkomunikasi, dan bergerak. Meskipun pentingnya koneksi yang kuat ini sudah dikenal, para ilmuwan belum yakin apakah pola ini muncul karena proses biologis spesifik pada berbagai organisme atau karena prinsip dasar pengorganisasian jaringan.
Untuk menjawab pertanyaan ini, Palmer dan rekan penelitinya menganalisis connectomes, atau peta koneksi sel otak, dari berbagai hewan laboratorium klasik. Mereka menggunakan data penghubung dari lalat buah, cacing gelang, cacing laut, dan retina tikus.
Dinamika Hebbian
Dengan mengembangkan model berdasarkan dinamika Hebbian, istilah yang diperkenalkan oleh psikolog Kanada Donald Hebb pada tahun 1949 yang menyatakan, “neuron yang menyatu, menyatu,” para peneliti menemukan bahwa dinamika ini menghasilkan kekuatan koneksi “ekor berat” yang diamati pada berbagai organisme. Hasilnya menunjukkan bahwa organisasi semacam ini muncul dari prinsip-prinsip umum jaringan, bukan sesuatu yang spesifik pada biologi lalat buah, tikus, atau cacing.
Model ini juga memberikan penjelasan yang tak terduga untuk fenomena jaringan lain yang disebut pengelompokan, yang menggambarkan kecenderungan sel untuk terhubung dengan sel lain melalui koneksi yang digunakan bersama. Sebagai contoh, dalam situasi sosial, pengelompokan terjadi ketika seseorang memperkenalkan temannya kepada orang ketiga.
Caroline Holmes, PhD, peneliti pascadoktoral di Universitas Harvard, menyatakan, “Ini adalah mekanisme yang disetujui semua orang yang pada dasarnya akan terjadi dalam ilmu saraf. Tetapi kita melihat di sini bahwa jika Anda memperlakukan data dengan hati-hati dan kuantitatif, hal ini dapat menimbulkan semua efek yang berbeda dalam pengelompokan dan distribusi, dan kemudian Anda melihat hal-hal tersebut di semua organisme yang berbeda.”
Keacakan dan Gangguan dalam Sirkuit Otak
Meskipun demikian, Palmer mencatat bahwa biologi tidak selalu memberikan penjelasan yang teratur, dan masih ada keacakan dan gangguan yang terjadi dalam sirkuit otak. Neuron terkadang terputus dan terhubung kembali satu sama lain, koneksi yang lemah akan dipangkas, dan koneksi yang lebih kuat dapat dibentuk di tempat lain. Untuk mengatasi keacakan ini, para peneliti memodifikasi model mereka, sehingga meningkatkan akurasi.
Christopher Lynn, PhD, Asisten Profesor Fisika di Universitas Yale, menambahkan, “Tanpa aspek kebisingan tersebut, model tersebut akan gagal. Itu tidak akan menghasilkan apa pun yang berhasil, dan ini mengejutkan kami. Ternyata Anda sebenarnya perlu menyeimbangkan efek bola salju Hebbian dengan keacakan agar semuanya terlihat seperti otak sungguhan.”
Karena aturan-aturan ini berasal dari prinsip-prinsip jaringan umum, tim peneliti berharap dapat memperluas penelitian ini ke luar otak. Palmer menyatakan, “Itu adalah aspek keren lainnya dari pekerjaan ini: cara sains dilakukan. Orang-orang di tim ini memiliki pengetahuan yang sangat beragam, mulai dari fisika teoretis dan analisis data besar hingga jaringan biokimia dan evolusi. Kami fokus pada otak di sini, tetapi sekarang kami dapat membicarakan jenis jaringan lain dalam pekerjaan di masa depan.”
