Bau, suara, dan kelangsungan hidup: bagaimana otak dengan cepat beradaptasi dengan perubahan

Jalur saraf sensorik penciuman untuk deteksi bau. (Jitendrajadhav/Shutterstock)

Model tikus mengungkapkan apa yang memicu respons saraf cepat

Cold Spring Harbor, NY – Kemampuan otak untuk secara cepat beradaptasi dengan perubahan aturan sangat penting untuk bertahan hidup, namun para ilmuwan telah berjuang untuk memahami dengan tepat bagaimana ini bekerja. Sebuah studi sekarang telah mengidentifikasi loop umpan balik saraf yang bertindak seperti sistem pembaruan berkecepatan tinggi, yang memungkinkan hewan untuk dengan cepat menyesuaikan perilaku mereka ketika pola yang akrab berubah. Temuan ini dapat membantu menjelaskan bagaimana otak manusia tetap fleksibel di lingkungan yang berubah.

Studi yang diterbitkan di Komunikasi Alamdilakukan oleh para ilmuwan di Laboratorium Cold Spring Harbor dan Institut Neurosains Transylvanian. Mereka telah menemukan sistem umpan balik di otak yang membantu tikus dengan cepat belajar dan beradaptasi ketika aturan hadiah berubah. Sistem ini berfungsi seperti jaringan komunikasi berkecepatan tinggi antara dua wilayah otak. Satu wilayah memproses bau, dan yang lain menangani informasi sensorik awal.

“Di alam, hewan dihadapkan dengan aturan keterlibatan yang berbeda,” jelas Profesor Laboratorium Cold Spring Harbor Florin Albeanu, dalam sebuah pernyataan. “Terkadang, rangsangan yang sama berarti hal yang berbeda tergantung pada konteks. Oleh karena itu, tidak biasa bahwa Anda harus bertindak berdasarkan aturan yang berbeda ini dan menilai tindakan apa yang harus Anda lakukan. “

Tim peneliti melatih tikus untuk menanggapi isyarat sederhana, baik bau tertentu atau suara tertentu, untuk menerima hadiah air. Terkadang bau berarti “pergi mendapatkan air” sementara suara berarti “tunggu,” tetapi aturan ini akan beralih tanpa peringatan. Tikus harus mencari tahu kapan aturan telah berubah dan menyesuaikan perilaku mereka.

Kemampuan untuk beradaptasi dengan aturan yang berubah sangat penting untuk bertahan hidup di dunia alami. Hewan perlu terus memperbarui pemahaman mereka tentang lingkungan mereka; Sumber makanan yang aman kemarin mungkin berbahaya hari ini, atau suara yang pernah menandai bahaya sekarang mungkin menunjukkan hadiah.

Menggunakan mikroskop khusus, para peneliti menyaksikan sirkuit otak beraksi saat tikus melakukan tugas -tugas ini. Mereka fokus pada hubungan antara dua wilayah otak: korteks piriformproses mana yang berbau, dan bohlam penciumanyang menerima informasi bau awal. Koneksi ini memungkinkan daerah otak untuk berkomunikasi satu sama lain tentang informasi sensorik yang masuk.

Sebelum penelitian ini, para ilmuwan berpikir daerah otak ini hanya berurusan dengan pemrosesan bau. Temuan yang paling mengejutkan adalah bahwa daerah pemrosesan bau ini juga menangani informasi tentang suara dan penghargaan.

“Hewan itu dapat mengekstraksi perubahan ini. Dalam beberapa detik, itu akan bertindak dengan cara yang konsisten dengan pemahaman, ”kata Albeanu. “Menariknya, kami mengamati bahwa sinyal top-down, yang berasal dari korteks penciuman, menyampaikan informasi tentang nilai hadiah dari stimulus ke bohlam penciuman-membuat mereka tidak masuk akal.”

Tikus menjadi cukup baik dalam tantangan ini. Setelah mempelajari tugas itu, mereka dapat mengubah perilaku mereka dalam waktu sekitar tujuh percobaan ketika aturan beralih. Sirkuit otak mereka menunjukkan perubahan yang sama cepatnya, menunjukkan bahwa koneksi ini membantu hewan beradaptasi dengan situasi baru.

Adaptasi cepat ini luar biasa mengingat betapa rumit tugas otak. Otak perlu mengenali bahwa aturan telah berubah, menekan pola perilaku lama, dan mengimplementasikan yang baru, semua sambil terus memproses informasi sensorik yang masuk dan membuat keputusan tentang bagaimana merespons.

Untuk menguji pentingnya sirkuit otak ini, para peneliti untuk sementara mematikannya menggunakan protein yang peka terhadap cahaya. Ketika mereka melakukan ini, tikus memiliki lebih banyak kesulitan melakukan tugas dengan benar, menunjukkan bahwa sirkuit ini memainkan peran kunci dalam membantu hewan beradaptasi dengan aturan yang berubah.

Studi ini juga menantang asumsi sebelumnya tentang bagaimana informasi sensorik diproses di otak. Daripada memiliki sirkuit yang dipisahkan secara ketat untuk indera yang berbeda, otak tampaknya menggunakan sirkuit bersama yang dapat memproses berbagai jenis informasi berdasarkan kebutuhan dan tujuan saat ini.

Tim peneliti menggunakan beberapa teknik inovatif untuk melakukan studi mereka. Mereka merekayasa sel otak tikus untuk menghasilkan protein neon yang mengubah kecerahan saat neuron aktif. Dengan menanamkan jendela kecil di tengkorak, mereka dapat menyaksikan neuron -neuron ini beraksi melalui mikroskop sementara tikus melakukan tugas mereka. Ini memungkinkan mereka untuk melihat dengan tepat bagaimana sirkuit otak mengubah pola aktivitas mereka ketika aturan beralih.

Ke depan, para peneliti sedang menyelidiki apakah ada fleksibilitas serupa dalam sistem sensorik lainnya. Mereka ingin tahu apakah otak menggunakan loop umpan balik yang sebanding untuk memproses informasi visual atau sensasi sentuh. Memahami mekanisme ini dapat membantu mengembangkan perawatan yang lebih baik untuk kondisi di mana fleksibilitas perilaku terganggu.

Penemuan ini membuka pertanyaan baru tentang bagaimana otak kita memproses berbagai jenis informasi. Para peneliti sekarang sedang menyelidiki apakah sirkuit yang sama ini mungkin juga menangani indera lain seperti penglihatan dan sentuhan, apa yang Albeanu sebut sebagai “alam semesta kemungkinan” untuk memahami bagaimana otak memahami dunia.