Versi asli dari cerita ini muncul di Majalah Quanta.
György Buzsáki pertama kali mencoba-coba gelombang saat ia masih di sekolah menengah atas. Di rumah masa kecilnya di Hungaria, ia membuat penerima radio, menyetelnya ke berbagai frekuensi elektromagnetik, dan menggunakan pemancar radio untuk mengobrol dengan orang asing dari Kepulauan Faroe hingga Yordania.
Ia mengingat beberapa percakapan ini dari masa-masa “radio amatir”-nya lebih baik daripada yang lain, sama seperti Anda hanya mengingat beberapa pengalaman dari masa lalu Anda. Sekarang, sebagai profesor ilmu saraf di Universitas New York, Buzsáki telah beralih dari gelombang radio ke gelombang otak untuk bertanya: Bagaimana otak memutuskan apa yang harus diingat?
Dengan mempelajari pola listrik di otak, Buzsaki berusaha memahami bagaimana pengalaman kita direpresentasikan dan disimpan sebagai memori. Studi baru dari labnya dan lab lain menunjukkan bahwa otak menandai pengalaman yang layak diingat dengan berulang kali mengirimkan gelombang otak frekuensi tinggi yang tiba-tiba dan kuat. Dikenal sebagai “riak gelombang tajam”, gelombang ini, yang dipicu oleh penembakan ribuan neuron dalam hitungan milidetik satu sama lain, “seperti pertunjukan kembang api di otak,” kata Wannan Yang, seorang mahasiswa doktoral di lab Buzsáki yang memimpin penelitian baru tersebut, yang dipublikasikan di Science pada bulan Maret. Mereka bekerja saat otak mamalia sedang beristirahat, baik saat istirahat di sela-sela tugas atau saat tidur.
Riak gelombang tajam sudah ada diketahui terlibat dalam mengonsolidasikan memori atau menyimpannya. Penelitian baru menunjukkan bahwa mereka juga terlibat dalam pemilihan memori—menunjukkan pentingnya gelombang ini dalam proses pembentukan memori jangka panjang.
Ia juga memberikan alasan neurologis mengapa istirahat dan tidur penting untuk menyimpan informasi. Otak yang sedang istirahat dan terjaga tampaknya menjalankan program yang berbeda: Jika Anda tidur sepanjang waktu, Anda tidak akan membentuk ingatan. Jika Anda terjaga sepanjang waktu, Anda juga tidak akan membentuknya. “Jika Anda hanya menjalankan satu algoritme, Anda tidak akan pernah belajar apa pun,” kata Buzsáki. “Anda harus mengalami interupsi.”
Selama interupsi itulah kembang api meledak.
Latihan Otak
Buzsáki tidak akan pernah melupakan saat pertama kali ia mendengar riak gelombang yang tajam. Saat itu tahun 1981, dan ia adalah seorang postdoc di University of Western Ontario yang mendengarkan aktivitas otak hewan pengerat yang dibius melalui pengeras suara. Setelah sekitar sembilan tahun melakukan penelitian, ia menjadi terbiasa dengan osilasi ritmis dan melodi yang terdengar saat hewan-hewan yang terjaga menjelajahi lingkungan mereka. Ia tidak siap dengan suara “bong” yang tiba-tiba terdengar melalui pengeras suara saat hewan pengerat itu tertidur.
Bagi Buzsáki, suara itu sedalam refrain dramatis dalam simfoni ke-5 Beethoven. “Da da da da,” ia bernyanyi saat mengingat keterkejutannya. Lalu, ia meniup bong lagi: “Da da da da.”
Saat masih kanak-kanak, György Buzsáki mendengarkan gelombang radio. Sekarang, sebagai profesor ilmu saraf, ia mendengarkan gelombang otak untuk mempelajari bagaimana aktivitas listrik dari neuron mengonsolidasikan dan menyimpan memori jangka panjang.
Apa yang terjadi? Otak tikus yang terjaga telah menghasilkan aktivitas listrik yang berosilasi pada tingkat yang konstan. Namun, ketika mereka dibius, otak mereka tampaknya secara tidak teratur melepaskan pola yang jauh lebih cepat.
Peneliti lain juga mengamati gelombang cepat tersebut. Pembimbing pascadoktoral Buzsáki Kornelius Vanderwolf telah menggambarkan pola-pola yang tidak teratur pada tahun 1969, dan ahli saraf pemenang Hadiah Nobel John O’Keefe menciptakan istilah “ripples” untuk menggambarkannya pada tahun 1970-an. Namun, Buzsáki baru terobsesi setelah mendengarnya sendiri.
Ia menghabiskan sebagian besar waktu labnya selama dekade berikutnya untuk mencoba mengkarakterisasikan semburan listrik ini. Pada akhir 1980-an, para peneliti menemukan bahwa semburan listrik dapat mendorong neuron untuk membuat interkoneksi yang lebih kuat, yang terkait dengan pembelajaran dan memori, dengan merangsang neuron secara artifisial untuk menyala dalam semburan cepat. Bagi Buzsáki, semburan itu terdengar sangat mirip dengan gelombangnya. Pada tahun 1989, ia pertama kali berhipotesis bahwa riak gelombang yang tajam mungkin merupakan bagian dari mekanisme otak untuk membentuk dan mengonsolidasikan memori.
“Dia punya ide bahwa ini bukan aktivitas yang berisik, tapi relevan bagi otak,” katanya. Michael Zugaroseorang ahli saraf di Collège de France yang bekerja sebagai postdoc di laboratorium Buzsáki pada tahun 2002. “Itu adalah antisipasi besar terhadap penemuan-penemuan di masa depan karena pada saat itu sangat sedikit yang benar-benar diketahui.”
Pada tahun 1990an dan awal tahun 2000an, para peneliti memanfaatkan peningkatan daya komputasi dan alat-alat baru yang dapat merekam aktivitas listrik dari lebih dari 100 neuron sekaligus untuk mengkarakterisasi lebih baik riak gelombang tajam. Buzsáki dan ilmuwan lain menemukan bahwa riak-riak itu tampaknya memutar ulang aktivitas otak dari pengalaman hewan, seperti berlari melalui labirin—kecuali bahwa riak-riak pemutaran ulang itu berosilasi 10 hingga 20 kali lebih cepat daripada sinyal aslinya. Satu makalah tahun 2002, yang “membuat riak-riak gelombang tajam menjadi sangat terkenal,” mengatakan Hiroaki Norimotoseorang profesor ilmu saraf di Universitas Nagoya di Jepang, menemukan bahwa riak gelombang tajam mengaktifkan kembali urutan aktivitas saraf.
Pada tahun 2009 dan 2010, dua makalah, termasuk satu dipimpin oleh Zugaromenunjukkan bahwa riak gelombang tajam terlibat dalam mengkonsolidasikan kenangan bertahan dalam jangka panjang. Ketika peneliti menekan atau mengganggu riak-riak tersebut, tikus-tikus memiliki kinerja yang lebih buruk dalam tugas-tugas memori. “Ketika Anda menghancurkannya, maka hewan tersebut tidak lagi mengingat,” kata Zugaro. Penelitian-penelitian selanjutnya menunjukkan bahwa memperpanjang atau menciptakan lebih banyak riak-riak meningkatkan daya ingat tikus.
Jelaslah bahwa riak-riak itu dimainkan berulang-ulang untuk memperkuat ingatan. “Otak sedang berlatih,” kata Lila Davachiseorang profesor psikologi di Universitas Columbia. “Bahkan di saat-saat istirahat yang penuh kesadaran ini, otak Anda terus berlatih dan memutar ulang masa lalu.”
Bayangkan sebuah pengalaman sebagai “melodi pada piano,” kata Daniel Bendorseorang ahli saraf di University College London. Urutan neuron tertentu aktif untuk merekam suatu pengalaman, seperti halnya seorang pianis yang memainkan urutan tuts tertentu. Kemudian, selama tidur, hipokampus memutar ulang urutan tersebut—tetapi lebih cepat dan berpotensi ratusan atau ribuan kali. Riak gelombang tajam yang hingar bingar menyebar keluar dari hipokampus, tempat persinggahan di otak untuk “ingatan episodik” dari pengalaman tertentu, menuju korteks, yang terlibat dalam penyimpanan memori jangka panjang.
Namun, tidak seorang pun dapat menjelaskan mengapa riak-riak itu menyebar saat hewan sedang terjaga dan beristirahat.[They] “harus melayani tujuan lain,” Bendor mengingat pemikirannya. Para ilmuwan punya banyak ide. Beberapa mengusulkan bahwa riak-riak yang terjaga membantu perencanaan atau pengambilan keputusan. Yang lain menyarankan bahwa riak-riak itu memodifikasi atau mengalokasikan kembali memori dengan cara tertentu.
Gagasan lain yang diajukan oleh beberapa kelompok adalah bahwa pemutaran ulang saat hewan terjaga dan pemutaran ulang saat tidur saling terkait erat—dan keduanya bisa jadi merupakan mekanisme yang digunakan otak untuk memilih pengalaman mana yang akan diingat.
Uji Memori
Di NYU, kotak-kotak berisi tikus yang sedang beristirahat dan tidur diletakkan di ruangan berlampu inframerah. Di ruangan sebelah terdapat labirin buatan tangan, yang terbuat dari plastik dan selotip. Satu per satu, tikus-tikus itu ditempatkan di labirin. Mereka berlarian, mengenakan elektroda yang merekam aktivitas sekitar 500 neuron hipokampus, dan mempelajari bahwa rute tertentu akan memberi mereka hadiah berupa air. Saat mereka menjelajahi labirin, tikus-tikus itu beristirahat sejenak untuk beristirahat atau merapikan diri. Dan setelah percobaan mereka selesai, mereka dikembalikan ke kandang asal mereka untuk tidur siang. Para peneliti terus merekam aktivitas otak mereka saat mereka tidur.
Yang menganalisis data dengan memetakan neuron mana yang aktif selama berbagai percobaan. Ia melihat banyak variasi—beberapa neuron aktif selama percobaan awal, dan yang lainnya aktif selama percobaan berikutnya. Terkadang mereka aktif pada tingkat yang berbeda. Hal itu memberitahunya bahwa otak merekam pengalaman hewan dalam setiap percobaan secara berbeda. Khususnya, beberapa percobaan diikuti oleh semburan riak gelombang tajam, sementara yang lainnya tidak.
Wannan Yang menganalisis semburan aktivitas otak yang dikenal sebagai riak gelombang tajam yang terjadi saat tikus beristirahat dan saat mereka tertidur. Saat hewan beristirahat, riak tersebut memutar ulang urutan neuron yang terjadi di labirin. Kemudian, saat tidur, urutan tersebut diputar ulang lagi untuk membentuk memori jangka panjang.
Kemudian dia membandingkan aktivitas otak yang terekam selama pengalaman tikus di labirin dengan riak-riak terkait yang muncul kemudian. Percobaan yang diputar ulang lebih sering saat tikus beristirahat adalah percobaan yang sama yang diputar ulang saat mereka tidur. Dan percobaan yang tidak diputar ulang saat tikus terjaga juga tidak diputar ulang saat tidur.
Tim menyimpulkan bahwa riak-riak saat istirahat mungkin merupakan mekanisme yang digunakan otak untuk memprioritaskan pengalaman-pengalaman yang perlu diingat. “Mungkin riak-riak saat terjaga adalah label-label memori” yang mengonsolidasikan pengalaman-pengalaman tertentu untuk penyimpanan jangka panjang, kata Yang. “Sebaliknya, riak-riak yang tidak ditandai tidak diputar ulang selama tidur, dan akan dilupakan.”
“Harus ada semacam penyortiran untuk mengingat apa yang relevan dan melupakan sisanya,” kata Zugaro. “Masih kurang memahami bagaimana memori tertentu dipilih untuk disimpan… Sekarang kita punya petunjuk yang bagus.”
Desember lalu, tim peneliti yang dipimpin oleh Bendor di University College London menerbitkan hasil terkait di Nature Communications yang mengantisipasi hasil dari Yang dan Buzsáki. Mereka juga menemukan bahwa riak gelombang tajam yang ditembakkan ketika tikus terjaga dan tertidur tampaknya menandai pengalaman sebagai memori. Akan tetapi, analisis mereka merata-ratakan sejumlah percobaan yang berbeda secara bersamaan—suatu pendekatan yang kurang tepat dibandingkan dengan apa yang dicapai Yang dan Buzsáki.
Inovasi utama tim NYU adalah memasukkan unsur waktu, yang membedakan memori serupa satu sama lain, ke dalam analisis mereka. Tikus-tikus itu berlarian dalam pola labirin yang sama, namun para peneliti ini dapat membedakan antara blok-blok percobaan di tingkat neuronal—sebuah penyelesaian yang belum pernah dicapai sebelumnya.
Pola otak menandai “sesuatu yang sedikit lebih dekat dengan suatu peristiwa, dan sedikit kurang seperti pengetahuan umum,” kata Loren Frankseorang ahli saraf di UC San Francisco yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut. “Menurut saya, itu adalah temuan yang sangat menarik.”
“Mereka menunjukkan bahwa otak mungkin menciptakan semacam kode temporal untuk membedakan antara memori berbeda yang terjadi di tempat yang sama,” kata Freyja Ólafsdóttirseorang ahli saraf di Universitas Radboud yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut.
Shantanu Jadhavseorang ahli saraf di Universitas Brandeis, memuji penelitian tersebut. “Ini adalah awal yang baik,” katanya. Namun, ia berharap untuk melihat eksperimen lanjutan yang mencakup uji perilaku. Mendemonstrasikan bahwa seekor hewan lupa atau mengingat blok percobaan tertentu akan menjadi “bukti nyata bahwa ini adalah mekanisme penandaan.”
Penelitian ini menyisakan pertanyaan yang belum terjawab: Mengapa satu pengalaman lebih dipilih daripada yang lain? Penelitian baru ini menunjukkan bagaimana otak menandai pengalaman tertentu untuk diingat. Namun, penelitian ini tidak dapat memberi tahu kita bagaimana otak memutuskan apa yang layak diingat.
Terkadang hal-hal yang kita ingat tampak acak atau tidak relevan, dan tentunya berbeda dari apa yang akan kita pilih jika diberi pilihan. “Ada perasaan bahwa otak memprioritaskan berdasarkan ‘kepentingan’,” kata Frank. Karena penelitian telah menunjukkan bahwa pengalaman emosional atau baru cenderung diingat lebih baik, mungkin saja fluktuasi internal dalam gairah atau tingkat neuromodulator seperti dopamin atau adrenalin dan zat kimia lain yang memengaruhi neuron akhirnya memilih pengalaman, sarannya.
Jadhav menggemakan pemikiran itu, dengan mengatakan, “Keadaan internal organisme dapat membiaskan pengalaman untuk dikodekan dan disimpan dengan lebih efektif.” Namun tidak diketahui apa yang membuat satu pengalaman lebih rentan disimpan daripada yang lain, imbuhnya. Dan dalam kasus penelitian Yang dan Buzsáki, tidak jelas mengapa seekor tikus akan mengingat menganggap satu percobaan lebih baik dari yang lain.
Buzsáki tetap berkomitmen untuk mengeksplorasi peran riak gelombang tajam di hipokampus, meskipun ia dan timnya juga tertarik pada aplikasi potensial yang mungkin muncul dari pengamatan ini. Misalnya, ada kemungkinan para ilmuwan dapat mengganggu riak sebagai bagian dari perawatan untuk kondisi seperti gangguan stres pascatrauma, di mana orang mengingat pengalaman tertentu dengan sangat jelas, katanya. “Hal yang paling mudah di sini adalah menghapus gelombang tajam dan melupakan apa yang Anda alami.”
Namun untuk saat ini, Buzsáki akan terus mengamati gelombang otak yang kuat ini untuk mengungkap lebih banyak tentang mengapa kita mengingat apa yang kita lakukan.
Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Majalah Quantasebuah publikasi independen yang diterbitkan oleh Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman publik tentang sains dengan meliput perkembangan penelitian dan tren dalam matematika serta ilmu fisika dan ilmu hayati.
