Medan listrik: konduktor tak terlihat yang mengatur simfoni otak kita

ringkasan: Medan listrik yang dihasilkan oleh aktivitas saraf memainkan peran penting dalam mengoordinasikan fungsi otak, seperti konduktor yang memimpin orkestra.

Ketika hewan berpartisipasi dalam permainan memori kerja, para peneliti mengamati bahwa informasi di dua wilayah otak vital dikoordinasikan oleh medan listrik yang muncul. Bidang ini telah terlihat untuk mengarahkan aktivitas saraf, mempengaruhi fluktuasi tegangan melintasi membran sel saraf.

Temuan ini menyoroti pemahaman penting tentang cara kerja otak, yang berpotensi meningkatkan desain prostesis yang dikendalikan otak.

Fakta-fakta kunci:

1. Penelitian menunjukkan bahwa medan listrik yang timbul dari aktivitas listrik neuron mengoordinasikan informasi di berbagai wilayah otak selama tugas kognitif.
2. Para peneliti menggunakan model matematika canggih untuk membuktikan bahwa medan listrik memiliki efek kausal yang kuat pada aktivitas saraf.
3. Hasil ini dapat sangat meningkatkan desain perangkat antarmuka otak-komputer (BCI) dan meningkatkan pemahaman tentang fungsi otak.

sumber: Institut Teknologi Massachusetts

Metafora “sirkuit” otak tidak terbantahkan seperti yang sudah dikenal: neuron membentuk koneksi fisik langsung untuk membuat jaringan fungsional, misalnya untuk menyimpan ingatan atau menghasilkan ide. Tapi metaforanya juga tidak lengkap.

Apa yang mendorong lingkaran dan jaringan ini untuk bertemu? Bukti baru menunjukkan bahwa setidaknya sebagian dari koordinasi ini berasal dari medan listrik.

Studi akses terbuka baru di korteks serebral Dia menunjukkan bahwa saat hewan memainkan permainan memori kerja, informasi tentang apa yang mereka ingat dikoordinasikan di dua wilayah otak utama oleh medan listrik yang muncul dari aktivitas listrik dasar dari semua neuron yang berpartisipasi.

Medan, pada gilirannya, tampaknya mendorong aktivitas saraf, atau fluktuasi tegangan yang terlihat jelas di seluruh membran sel.

Jika neuron adalah musisi dalam sebuah orkestra, daerah otak adalah bagiannya, dan ingatan adalah musik yang mereka hasilkan, medan listrik adalah konduktornya, kata penulis penelitian tersebut.

Mekanisme fisik dimana medan listrik yang berlaku mempengaruhi potensi membran neuron konstituen disebut kopling perekat.

Tegangan membran ini sangat penting untuk aktivitas otak. Ketika melewati ambang batas, neuron “naik”, mengirimkan sinyal listrik yang mengirimkan sinyal ke neuron lain melalui koneksi yang disebut sinapsis.

Tetapi sejumlah aktivitas listrik apa pun dapat berkontribusi pada medan listrik yang berlaku yang juga memengaruhi lonjakan tersebut, kata penulis studi senior Earl K. Miller, Profesor Picower di Departemen Ilmu Otak dan Kognitif di MIT.

“Banyak neuron kortikal menghabiskan banyak waktu dengan ragu-ragu di tepi lonjakan,” kata Miller. Perubahan medan listrik di sekitar mereka dapat mendorong mereka dengan satu atau lain cara. Sulit membayangkan evolusi tidak memanfaatkan itu.”

Secara khusus, studi baru menunjukkan bahwa medan listrik mendorong aktivitas listrik jaringan neuron untuk menghasilkan representasi bersama dari informasi yang disimpan dalam memori kerja, kata penulis utama Dimitris Pinoutsis, seorang profesor di City University London dan seorang peneliti di Bequewer Institute for Learning and Memory.

Dia mencatat bahwa temuan tersebut dapat meningkatkan kemampuan para ilmuwan dan insinyur untuk membaca informasi dari otak, yang dapat membantu merancang prostesis yang dikendalikan otak untuk orang dengan kelumpuhan.

“Dengan menggunakan teori sistem kompleks dan perhitungan matematis pena dan kertas, kami memperkirakan bahwa medan listrik otak mengarahkan neuron untuk menghasilkan ingatan,” kata Benoutsis.

Data eksperimen dan analisis statistik kami mendukung prediksi ini. Ini adalah contoh bagaimana matematika dan fisika menjelaskan area otak dan bagaimana hal itu dapat menghasilkan wawasan untuk membangun perangkat antarmuka otak-komputer (BCI). “

Bidang menang

Dalam studi tahun 2022, Miller dan Pinotsis mengembangkan model biofisik medan listrik yang dihasilkan oleh aktivitas listrik saraf. Mereka menunjukkan bahwa bidang agregat yang berasal dari kelompok neuron di wilayah otak merupakan representasi yang lebih andal dan stabil dari hewan informasi yang digunakan dalam bermain permainan memori kerja daripada aktivitas listrik neuron individu.

Neuron adalah perangkat yang agak berubah-ubah yang fluktuasinya menghasilkan informasi asimetri yang disebut “penyimpangan representasional”. Dalam sebuah opini awal tahun ini, para ilmuwan juga berhipotesis bahwa selain neuron, medan listrik memengaruhi infrastruktur molekuler otak dan menyetelnya sehingga otak memproses informasi secara efisien.

Dalam studi baru, Benoutsis dan Miller memperluas penyelidikan untuk menanyakan apakah kopling perekat menyebarkan medan listrik yang berkuasa di beberapa daerah otak untuk membentuk jaringan memori, atau “engram.”

Jadi mereka memperluas analisis mereka untuk melihat dua wilayah otak: bidang mata anterior (FEF) dan bidang mata tambahan (SEF). Kedua wilayah ini, yang mengatur pergerakan mata secara sukarela, terkait dengan permainan memori kerja yang dimainkan hewan karena di setiap putaran hewan akan melihat gambar di layar yang diposisikan pada sudut tertentu di sekitar pusat (seperti angka pada jam). Setelah jeda singkat, mereka harus melihat ke arah yang sama dengan objek yang baru saja masuk.

Saat hewan bermain, para ilmuwan mencatat potensi medan lokal (LFP, ukuran aktivitas listrik lokal) yang dihasilkan oleh puluhan neuron di setiap area. Para ilmuwan memasukkan data LFP yang direkam ini ke dalam model matematika yang memprediksi aktivitas saraf individu dan keseluruhan medan listrik.

Model tersebut memungkinkan Pinotsis dan Miller untuk menghitung apakah perubahan di medan memprediksi perubahan potensial membran, atau apakah perubahan dalam aktivitas ini memprediksi perubahan di medan.

Untuk melakukan analisis ini, mereka menggunakan metode matematis yang disebut kausalitas Granger. Analisis ini menunjukkan dengan tegas bahwa, di setiap wilayah, domain memiliki efek kausal yang kuat pada aktivitas saraf dan bukan sebaliknya.

Konsisten dengan studi tahun lalu, analisis juga menunjukkan bahwa ukuran kekuatan benturan tetap lebih stabil untuk medan daripada aktivitas saraf, menunjukkan bahwa medan lebih dapat diandalkan.

Para peneliti kemudian memeriksa hubungan kausal antara dua wilayah otak dan menemukan bahwa medan listrik, bukan aktivitas saraf, bertanggung jawab atas transmisi informasi antara FEF dan SEF.

Lebih khusus lagi, mereka menemukan bahwa transportasi biasanya mengalir dari FEF ke SEF, yang konsisten dengan penelitian sebelumnya tentang bagaimana kedua wilayah berinteraksi. FEF cenderung memimpin dalam inisiasi gerakan mata.

Terakhir, Pinotsis dan Miller menggunakan teknik matematis lain yang disebut analisis kesamaan representasional untuk menentukan apakah kedua wilayah tersebut sebenarnya memproses memori yang sama. Mereka menemukan bahwa medan listrik, bukan aktivitas saraf LFP, mewakili informasi yang sama di kedua wilayah, menyatukannya ke dalam jaringan memori engram.

Lebih banyak implikasi klinis

Mengingat bukti bahwa medan listrik muncul dari aktivitas listrik saraf tetapi kemudian datang untuk menggerakkan aktivitas saraf untuk mewakili informasi, Miller berspekulasi bahwa mungkin salah satu fungsi aktivitas listrik pada neuron individu adalah menghasilkan medan yang kemudian mengaturnya.

“Ini jalan dua arah,” kata Miller. “Elevasi dan kisi-kisi sangat penting. Itu dasarnya. Tapi kemudian medannya berbalik dan mempengaruhi elevasi.”

Ini dapat memiliki implikasi penting untuk perawatan kesehatan mental, katanya, karena apakah lonjakan neuron memengaruhi kekuatan koneksi mereka, dan dengan demikian fungsi sirkuit yang mereka bentuk, sebuah fenomena yang disebut plastisitas sinaptik.

Miller mencatat bahwa teknik klinis seperti stimulasi listrik transkranial (TES) mengubah medan listrik otak. Jika medan listrik tidak hanya mencerminkan aktivitas saraf tetapi secara efektif memodulasinya, teknik TES dapat digunakan untuk mengubah sirkuit. Dia mengatakan manipulasi medan listrik yang dirancang dengan baik suatu hari nanti dapat membantu pasien menghubungkan kembali sirkuit yang rusak.

Pendanaan: Pendanaan untuk penelitian ini berasal dari Riset dan Inovasi Inggris, Kantor Riset Angkatan Laut AS, Yayasan JPB, dan Institut Picower.

Tentang Berita Penelitian Ilmu Saraf ini

pengarang: David Orenstein
sumber: Institut Teknologi Massachusetts
komunikasi: David Orenstein – Institut Teknologi Massachusetts
gambar: Gambar dikreditkan ke Neuroscience News

Pencarian asli: akses terbuka.
“Kopling ephaptic in vivo memungkinkan pembentukan jaringan memoriOleh Earl Miller et al. korteks serebral

ringkasan

Kopling ephaptic in vivo memungkinkan pembentukan jaringan memori

Semakin jelas bahwa ingatan didistribusikan ke berbagai wilayah otak. Kompleks Engram adalah fitur penting dari pembentukan dan konsolidasi memori.

Di sini, kami menguji hipotesis bahwa kompleks engram dibentuk sebagian oleh bidang bioelektrik yang memahat dan mengarahkan aktivitas saraf dan menghubungkan daerah yang berpartisipasi dalam kompleks engram. Seperti konduktor orkestra, medan memengaruhi setiap musisi atau neuron dan mengatur keluarannya, simfoni.

Hasil kami menggunakan teori sinergi, pembelajaran mesin, dan data dari tugas saccade penundaan spasial dan memberikan bukti untuk penggabungan in vivo dalam representasi memori.