Sel-sel yang terletak di lapisan terluar otak manusia menghasilkan sejenis sinyal listrik khusus yang mungkin memberi mereka dorongan ekstra daya komputasi, kata penelitian baru. Terlebih lagi, sinyal ini mungkin unik bagi manusia - dan mungkin menjelaskan kecerdasan unik kita, menurut penulis penelitian.
Sel-sel otak, atau neuron, terhubung melalui kabel yang panjang dan bercabang dan pesan antar-jemput di sepanjang kabel ini untuk berkomunikasi satu sama lain. Setiap neuron memiliki kabel keluar, yang disebut akson, dan kabel yang menerima pesan masuk, yang dikenal sebagai dendrit. Dendrit meneruskan informasi ke seluruh neuron melalui ledakan aktivitas listrik. Bergantung pada bagaimana otak dihubungkan, setiap dendrit dapat menerima ratusan ribu sinyal dari neuron lain sepanjang itu. Sementara para ilmuwan percaya lonjakan listrik ini membantu kawat otak dan dapat mendasari kemampuan seperti belajar dan memori, peran tepat dendrit dalam kognisi manusia tetap menjadi misteri.
Sekarang, para peneliti telah menemukan rasa baru dari lonjakan listrik pada dendrit manusia - yang menurut mereka memungkinkan sel untuk melakukan perhitungan yang sebelumnya dianggap terlalu rumit untuk ditangani oleh satu neuron. Studi yang diterbitkan 3 Januari dalam jurnal Science, mencatat bahwa properti listrik yang baru ditemukan tidak pernah diamati di jaringan hewan selain manusia, menimbulkan pertanyaan apakah sinyal secara unik berkontribusi pada kecerdasan manusia, atau primata, yang dimiliki manusia. sepupu evolusi.
Sinyal yang aneh
Sampai sekarang, sebagian besar studi dendrit telah dilakukan di jaringan hewan pengerat, yang berbagi sifat dasar dengan sel-sel otak manusia, kata rekan penulis studi Matthew Larkum, seorang profesor di departemen biologi di Universitas Humboldt di Berlin. Namun, neuron manusia mengukur sekitar dua kali lebih lama dari yang ditemukan pada tikus, katanya.
"Itu berarti sinyal listrik harus menempuh jarak dua kali lebih jauh," kata Larkum kepada Live Science. "Jika tidak ada perubahan pada sifat kelistrikan, maka itu berarti bahwa pada manusia, input sinaptik yang sama akan sedikit lebih kuat." Dengan kata lain, lonjakan listrik yang diterima oleh dendrit akan melemah secara signifikan pada saat mereka mencapai tubuh sel neuron.
Jadi Larkum dan rekan-rekannya berusaha mengungkap sifat listrik dari neuron manusia untuk melihat bagaimana dendrit yang lebih panjang ini benar-benar dapat mengirim sinyal secara efektif.
Ini bukan tugas yang mudah.
Pertama, para peneliti harus mengambil sampel jaringan otak manusia, sumber daya yang terkenal langka. Tim akhirnya menggunakan neuron yang telah diiris dari otak pasien epilepsi dan tumor sebagai bagian dari perawatan medis mereka. Tim fokus pada neuron yang direseksi dari korteks serebral, bagian luar keriput otak yang berisi beberapa lapisan berbeda. Pada manusia, lapisan-lapisan ini memiliki jaringan padat dendrit dan tumbuh menjadi sangat tebal, atribut yang mungkin "mendasar bagi apa yang membuat kita manusia," menurut pernyataan dari Science.
"Jarang sekali jaringannya, jadi kamu harus mengerjakan apa yang ada di depanmu," kata Larkum. Dan Anda harus bekerja cepat, tambahnya. Di luar tubuh manusia, sel-sel otak yang kekurangan oksigen hanya bertahan selama sekitar dua hari. Untuk memanfaatkan sepenuhnya jendela waktu terbatas ini, Larkum dan timnya akan mengumpulkan pengukuran dari sampel yang diberikan selama mungkin, kadang-kadang bekerja selama 24 jam berturut-turut.
Selama maraton eksperimental ini, tim memotong jaringan otak menjadi irisan dan melubangi lubang dendrit yang terkandung di dalamnya. Dengan menempelkan pipet kaca tipis melalui lubang-lubang ini, para peneliti dapat menyuntikkan ion, atau partikel bermuatan, ke dalam dendrit dan mengamati bagaimana mereka berubah dalam aktivitas listrik. Seperti yang diharapkan, dendrit yang distimulasi menghasilkan lonjakan aktivitas listrik, tetapi sinyal ini tampak sangat berbeda dari yang terlihat sebelumnya.
Setiap lonjakan dinyalakan hanya untuk jangka waktu singkat - sekitar satu milidetik. Dalam jaringan hewan pengerat, lonjakan supershort jenis ini terjadi ketika banjir natrium memasuki dendrit, yang dipicu oleh akumulasi aktivitas listrik tertentu. Kalsium juga dapat memicu lonjakan dendrit hewan pengerat, tetapi sinyal ini cenderung bertahan 50 hingga 100 kali lebih lama daripada paku natrium, kata Larkum. Apa yang tim lihat di jaringan manusia, tampaknya merupakan hibrida aneh dari keduanya.
"Meskipun itu tampak seperti peristiwa natrium, itu sebenarnya peristiwa kalsium," kata Larkum. Anggota tim menguji apa yang akan terjadi jika mereka mencegah natrium memasuki dendrit sampel mereka dan menemukan bahwa paku terus menyala tanpa henti. Terlebih lagi, paku supershort ditembakkan secara berurutan, satu demi satu. Tetapi ketika para peneliti memblokir kalsium dari memasuki neuron, paku berhenti pendek. Para ilmuwan menyimpulkan bahwa mereka telah menemukan kelas baru lonjakan, satu sama lamanya dengan natrium tetapi dikendalikan oleh kalsium.
"Ini terlihat berbeda dari apa pun yang kita ketahui sejauh ini dari mamalia lain," kata Mayank Mehta, seorang profesor di departemen neurologi, fisika neurobiologi dan astronomi di University of California, Los Angeles, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Pertanyaan besarnya adalah, bagaimana paku-paku ini berhubungan dengan fungsi otak yang sebenarnya, katanya.
Pembangkit tenaga listrik komputasi
Larkum dan rekan-rekannya tidak dapat menguji bagaimana sampel yang diiris mungkin berperilaku dalam otak manusia yang utuh, sehingga mereka merekayasa model komputer berdasarkan hasil mereka. Di otak, dendrit menerima sinyal sepanjang dari neuron di dekatnya yang dapat mendorong mereka untuk menghasilkan lonjakan atau mencegah mereka melakukannya. Demikian pula, tim merancang dendrit digital yang dapat distimulasi atau dihambat dari ribuan titik yang berbeda sepanjang mereka. Secara historis, penelitian menunjukkan bahwa dendrit menghitung sinyal-sinyal yang berlawanan dari waktu ke waktu dan menembakkan lonjakan ketika jumlah sinyal rangsang melebihi jumlah yang dihambat.
Tetapi dendrit digital tidak berperilaku sama sekali.
"Ketika kita melihat dari dekat, kita bisa melihat bahwa ada fenomena aneh ini," kata Larkum. Semakin banyak sinyal rangsang yang diterima dendrit, semakin kecil kemungkinannya untuk menghasilkan lonjakan. Sebaliknya, masing-masing daerah dalam dendrit tertentu tampak "disetel" untuk merespons pada tingkat stimulasi tertentu - tidak lebih, tidak kurang.
Tapi apa artinya ini dalam hal fungsi otak yang sebenarnya? Ini berarti bahwa dendrit dapat memproses informasi pada setiap titik di sepanjang jalurnya, bekerja sebagai jaringan terpadu untuk memutuskan informasi yang akan dikirim, yang akan dibuang dan yang akan ditangani sendiri, kata Larkum.
"Itu tidak terlihat bahwa sel hanya menambahkan sesuatu - itu juga membuang banyak hal," kata Mehta kepada Live Science. (Dalam hal ini, sinyal "buang" akan menjadi sinyal rangsang yang tidak disetel dengan benar ke "sweet spot" dendritik.) Negara adidaya komputasi ini dapat memungkinkan dendrit untuk menjalankan fungsi yang sebelumnya dianggap sebagai pekerjaan seluruh jaringan saraf ; misalnya, Mehta berteori bahwa dendrit individual bahkan dapat menyandikan ingatan.
Suatu ketika, ahli saraf berpikir bahwa seluruh jaringan neuron bekerja bersama untuk melakukan perhitungan yang rumit ini dan memutuskan bagaimana merespons sebagai kelompok. Sekarang, sepertinya dendrit individual melakukan semua jenis perhitungan ini dengan sendirinya.
Mungkin hanya otak manusia yang memiliki kekuatan komputasi yang mengesankan ini, tetapi Larkum mengatakan bahwa terlalu dini untuk mengatakannya dengan pasti. Dia dan rekan-rekannya ingin mencari lonjakan kalsium misterius ini pada tikus, kalau-kalau itu telah diabaikan dalam penelitian sebelumnya. Dia juga berharap untuk berkolaborasi pada studi serupa pada primata untuk melihat apakah sifat kelistrikan dendrit manusia serupa dengan sifat kerabat evolusi kita.
Sangat tidak mungkin paku-paku ini membuat manusia istimewa atau lebih pintar dari mamalia lain, kata Mehta. Mungkin properti listrik yang baru ditemukan itu unik untuk neuron L2 / 3 di korteks serebral manusia, karena otak tikus juga menghasilkan lonjakan spesifik di wilayah otak tertentu, tambahnya.
Dalam penelitian sebelumnya, Mehta menemukan bahwa dendrit hewan pengerat juga menghasilkan berbagai paku yang fungsinya belum diketahui. Yang menarik adalah bahwa hanya sebagian kecil dari paku-paku ini yang benar-benar memicu reaksi dalam tubuh sel yang mereka tancapkan, katanya. Dalam neuron hewan pengerat, sekitar 90 persen lonjakan dendritik tidak memicu sinyal listrik dari tubuh sel, menunjukkan bahwa dendrit pada hewan pengerat dan manusia dapat memproses informasi secara mandiri, dengan cara yang belum kita pahami.
Sebagian besar pemahaman kita tentang pembelajaran dan memori berasal dari penelitian tentang aktivitas listrik yang dihasilkan dalam tubuh sel neuron dan kabel outputnya, akson. Tetapi temuan ini menunjukkan bahwa "mungkin sebagian besar paku di otak mungkin terjadi di dendrit," kata Mehta. "Paku itu bisa mengubah aturan belajar."
Catatan Editor: Kisah ini diperbarui pada 9 Januari untuk memperjelas pernyataan dari Dr. Mayank Mehta tentang apakah sinyal listrik yang baru ditemukan mungkin unik bagi manusia.
