Kenangan Membantu Otak Mengenali Peristiwa Baru yang Layak Diingat | Majalah Quanta

Kenangan adalah bayang-bayang masa lalu tetapi juga senter untuk masa depan.

Ingatan kita membimbing kita melalui dunia, menyelaraskan perhatian kita dan membentuk apa yang kita pelajari di kemudian hari. Penelitian pada manusia dan hewan telah menunjukkan bahwa ingatan dapat mengubah persepsi kita tentang peristiwa masa depan dan perhatian yang kita berikan kepada mereka. “Kami tahu bahwa pengalaman masa lalu mengubah banyak hal,” kata Loren Frank, seorang ahli saraf di University of California, San Francisco. "Bagaimana tepatnya itu terjadi tidak selalu jelas."

Sebuah studi baru diterbitkan di jurnal tersebut Kemajuan ilmu pengetahuan sekarang menawarkan sebagian dari jawabannya. Bekerja dengan siput, para peneliti memeriksa bagaimana ingatan yang mapan membuat hewan lebih mungkin membentuk ingatan jangka panjang baru tentang peristiwa masa depan terkait yang mungkin mereka abaikan. Mekanisme sederhana yang mereka temukan melakukan ini dengan mengubah persepsi siput tentang peristiwa tersebut.

Para peneliti mengambil fenomena bagaimana pembelajaran masa lalu memengaruhi pembelajaran di masa depan "hingga ke satu sel," kata David Glazman, seorang ahli biologi sel di University of California, Los Angeles yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Dia menyebutnya sebagai contoh yang menarik “menggunakan organisme sederhana untuk mencoba mendapatkan pemahaman tentang fenomena perilaku yang cukup kompleks.”

Meskipun siput adalah makhluk yang cukup sederhana, wawasan baru membawa para ilmuwan selangkah lebih dekat untuk memahami dasar saraf memori jangka panjang pada hewan tingkat tinggi seperti manusia.

Meskipun kita sering tidak menyadari tantangan tersebut, pembentukan ingatan jangka panjang adalah "proses yang sangat energik," kata Michael Crossley, seorang peneliti senior di University of Sussex dan penulis utama studi baru ini. Ingatan semacam itu bergantung pada pembentukan koneksi sinaptik yang lebih tahan lama antara neuron, dan sel otak perlu merekrut banyak molekul untuk melakukan itu. Oleh karena itu, untuk menghemat sumber daya, otak harus mampu membedakan kapan biaya yang diperlukan untuk membentuk ingatan dan kapan tidak. Itu benar apakah itu otak manusia atau otak "siput kecil dengan anggaran energik yang ketat," katanya.

Pada panggilan video baru-baru ini, Crossley mengulurkan satu siput, seukuran ibu jari Lymnaea moluska dengan otak yang disebutnya "cantik". Sementara otak manusia memiliki 86 miliar neuron, siput hanya memiliki 20,000 — tetapi masing-masing neuronnya 10 kali lebih besar dari kita dan jauh lebih mudah diakses untuk dipelajari. Neuron raksasa itu dan sirkuit otaknya yang terpetakan dengan baik telah menjadikan siput subjek favorit untuk penelitian neurobiologi.

Pengumpul kecil juga merupakan "pembelajar yang luar biasa" yang dapat mengingat sesuatu setelah satu kali terpapar, kata Crossley. Dalam studi baru, para peneliti mengintip jauh ke dalam otak siput untuk mencari tahu apa yang terjadi pada tingkat neurologis ketika mereka memperoleh ingatan.

Membujuk Kenangan

Dalam percobaan mereka, para peneliti memberi siput dua bentuk latihan: kuat dan lemah. Selama pelatihan yang kuat, mereka pertama-tama menyemprot siput dengan air rasa pisang, yang dianggap netral oleh siput: Mereka akan menelan sebagian tetapi kemudian memuntahkannya. Kemudian tim memberi siput gula, yang mereka makan dengan rakus.

Ketika mereka menguji bekicot sehari kemudian, bekicot menunjukkan bahwa mereka telah belajar mengasosiasikan rasa pisang dengan gula dari pengalaman tunggal itu. Siput tampaknya menganggap rasa itu lebih diinginkan: Mereka jauh lebih rela menelan air.

Sebaliknya, siput tidak mempelajari asosiasi positif ini dari sesi latihan yang lemah, di mana mandi yang dibumbui dengan kelapa diikuti dengan suguhan gula yang lebih encer. Siput terus menelan dan memuntahkan air.

Sejauh ini, eksperimen tersebut pada dasarnya adalah versi siput dari eksperimen pengkondisian Pavlov yang terkenal di mana anjing belajar ngiler ketika mendengar suara bel. Tapi kemudian para ilmuwan melihat apa yang terjadi ketika mereka memberi siput pelatihan yang kuat dengan bumbu pisang diikuti beberapa jam kemudian dengan pelatihan yang lemah dengan bumbu kelapa. Tiba-tiba siput juga belajar dari latihan yang lemah.

Ketika para peneliti mengganti urutan dan melakukan latihan yang lemah terlebih dahulu, lagi-lagi gagal memberikan ingatan. Siput masih membentuk ingatan akan latihan yang kuat, tapi itu tidak memiliki efek penguatan retroaktif pada pengalaman sebelumnya. Menukar rasa yang digunakan dalam latihan kuat dan lemah juga tidak berpengaruh.

Para ilmuwan menyimpulkan bahwa pelatihan yang kuat mendorong siput ke periode "kaya belajar" di mana ambang pembentukan memori lebih rendah, memungkinkan mereka mempelajari hal-hal yang tidak akan mereka miliki (seperti hubungan pelatihan yang lemah antara rasa dan gula encer). Mekanisme seperti itu dapat membantu otak mengarahkan sumber daya untuk belajar pada waktu yang tepat. Makanan bisa membuat siput lebih waspada terhadap sumber makanan potensial di sekitarnya; sikat dengan bahaya bisa mempertajam kepekaan mereka terhadap ancaman.

Namun, efek pada siput itu cepat berlalu. Periode kaya pembelajaran hanya bertahan selama 30 menit hingga empat jam setelah pelatihan yang kuat. Setelah itu, siput berhenti membentuk ingatan jangka panjang selama sesi latihan yang lemah, dan itu bukan karena mereka telah melupakan latihan keras mereka — ingatan itu bertahan selama berbulan-bulan.

Memiliki jendela kritis untuk peningkatan pembelajaran masuk akal karena jika prosesnya tidak dimatikan, “itu bisa merugikan hewan itu,” kata Crossley. Tidak hanya hewan kemudian menginvestasikan terlalu banyak sumber daya untuk belajar, tetapi ia juga dapat mempelajari asosiasi yang berbahaya bagi kelangsungan hidupnya.

Persepsi yang Diubah

Dengan menyelidiki menggunakan elektroda, para peneliti menemukan apa yang terjadi di dalam otak siput saat membentuk ingatan jangka panjang dari pelatihan. Dua tweak paralel dalam aktivitas otak terjadi. Yang pertama mengkodekan memori itu sendiri. Yang kedua adalah "murni terlibat dalam mengubah persepsi hewan tentang peristiwa lain," kata Crossley. Itu "mengubah cara memandang dunia berdasarkan pengalaman masa lalunya."

Mereka juga menemukan bahwa mereka dapat menginduksi perubahan yang sama dalam persepsi siput dengan memblokir efek dopamin, zat kimia otak yang diproduksi oleh neuron yang mengaktifkan perilaku meludah. Akibatnya, itu membuat neuron untuk meludah dan membiarkan neuron untuk menelan terus-menerus. Pengalaman tersebut memiliki efek terbawa yang sama seperti yang dilakukan oleh latihan yang kuat dalam eksperimen sebelumnya: Beberapa jam kemudian, siput membentuk ingatan jangka panjang tentang latihan yang lemah.

Para peneliti secara menyeluruh dan elegan memetakan proses dari "perilaku hingga dasar elektrofisiologi dari interaksi antara ingatan masa lalu dan baru ini," kata Pedro Yakub, postdoctoral fellow di University of Oxford yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Memiliki pengetahuan tentang bagaimana hal ini terjadi secara mekanis sangat menarik karena mungkin dilestarikan di seluruh spesies.”

Frank, bagaimanapun, tidak sepenuhnya yakin bahwa kegagalan siput untuk menelan air berasa setelah pelatihan yang lemah berarti mereka tidak mengingatnya. Anda dapat memiliki ingatan tetapi tidak menindaklanjutinya, katanya, sehingga membuat perbedaan itu mungkin memerlukan eksperimen lanjutan.

Mekanisme di balik pembelajaran dan ingatan secara mengejutkan serupa pada moluska dan mamalia seperti manusia, kata Glanzman. Sejauh yang penulis ketahui, mekanisme pasti ini belum diperlihatkan pada manusia, kata Crossley. “Ini mungkin merupakan fitur yang dilestarikan secara luas dan oleh karena itu salah satu yang patut mendapat perhatian lebih lanjut,” katanya.

Akan menarik untuk mempelajari apakah pergeseran persepsi bisa dibuat lebih permanen, kata Glanzman. Dia menduga bahwa ini mungkin terjadi jika siput diberi stimulus yang tidak menyenangkan, sesuatu yang membuat mereka sakit, bukan sesuatu yang mereka sukai.

Untuk saat ini, Crossley dan timnya ingin tahu tentang apa yang terjadi di otak siput ini saat mereka melakukan berbagai perilaku, tidak hanya membuka atau menutup mulut. “Ini adalah makhluk yang cukup menarik,” kata Crossley. “Anda tidak benar-benar berharap hewan-hewan ini dapat melakukan proses rumit semacam ini.”

Catatan editor: Loren Frank adalah penyelidik di Simons Foundation's Autism Research Initiative (SFARI). Yayasan Simons juga mendanai Quanta sebagai majalah editorial independen. Keputusan pendanaan tidak berpengaruh pada pertanggungan kami.