Gelombang otak yang tidak sinkron dapat mendasari defisit pembelajaran yang terkait dengan skizofrenia

Studi mengungkapkan pola gelombang otak tertentu yang mendasari kemampuan untuk menghilangkan asosiasi yang dipelajari yang tidak relevan untuk memberi jalan bagi informasi baru yang diperbarui. Penelitian menunjukkan perilaku tertentu dapat bergantung pada sinkronisasi gelombang otak frekuensi tinggi di berbagai bagian otak.

Sebuah studi UC San Francisco baru menunjukkan dengan tepat pola tertentu dari gelombang otak yang mendasari kemampuan untuk melepaskan asosiasi lama yang tidak relevan untuk memberi jalan bagi pembaruan baru. Penelitian ini adalah yang pertama secara langsung menunjukkan bahwa perilaku tertentu dapat bergantung pada sinkronisasi yang tepat dari gelombang otak frekuensi tinggi di berbagai bagian otak, dan mungkin membuka jalan untuk mengembangkan intervensi untuk gangguan kejiwaan tertentu, termasuk skizofrenia.

Menukar aturan lama dengan yang baru adalah sesuatu yang kami lakukan terus-menerus. Itu terjadi ketika Anda mendapatkan telepon baru, mengganti mobil, atau memperbarui perangkat lunak di laptop Anda - beberapa kali pertama Anda mencoba menyalakan lampu depan di mobil sewaan, Anda mungkin menyalakan wiper kaca depan sebagai gantinya. Tapi akhirnya, Anda mendapatkannya.

Membuat penyesuaian seperti itu sangat penting untuk beradaptasi saat dunia berubah di sekitar kita. Tetapi berjuang untuk melepaskan aturan lama tidak hanya terkadang membuat sulit untuk menyelesaikan tugas sehari-hari. Ini mungkin juga berkontribusi pada bentuk psikosis tertentu, seperti skizofrenia, dengan mengganggu kemampuan orang untuk menilai kembali dan memperbarui keyakinan dan delusi yang menyimpang meskipun bukti dan logika bertentangan.

“Ketekunan adalah istilah yang kami gunakan untuk menggambarkan individu yang berpegang pada sesuatu yang tidak lagi sesuai,” kata Vikaas Sohal, MD, PhD, seorang profesor psikiatri dan anggota UCSF Weill Institute for Neurosciences. “Ini adalah masalah di banyak kondisi neuropsikiatri yang berbeda.”

Dalam studi baru yang diterbitkan di Nature Neuroscience pada 25 Mei 2020, Sohal dan rekannya memberikan gambaran sekilas tentang apa yang mungkin terjadi di otak ketika gangguan dalam perubahan aturan mengarah pada ketekunan. Mereka menemukan bahwa koordinasi yang tepat dari jenis gelombang otak tertentu, yang disebut gelombang gamma, adalah kunci untuk belajar melepaskan aturan lama dan, sebaliknya, memperhatikan isyarat yang sebelumnya tidak relevan.

Karya ini membantu mengklarifikasi debat lama tentang pentingnya gelombang otak. Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah mampu mengukur pola aktivitas saraf ritmis yang terkoordinasi ini, yang dapat mengambil berbagai bentuk. Selama ini, pentingnya gelombang otak telah diperdebatkan dengan hangat. Beberapa peneliti berpendapat bahwa gelombang otak memiliki fungsi penting, dan beberapa gangguan kognitif mungkin terkait dengan gelombang otak tertentu yang menjadi kacau. Gelombang gamma, misalnya, yang muncul dari aktivitas saraf dengan ritme teratur antara 30 dan 120 siklus per detik, telah dihipotesiskan terlibat dalam perhatian dan pikiran sadar. Tetapi ilmuwan lain tidak setuju, mengklaim bahwa gelombang otak adalah produk sampingan yang tidak relevan dari aktivitas saraf.

Mencoba mencari tahu pertanyaan ini telah menjadi sesuatu seperti yang mungkin dialami alien jika mereka mendarat di luar stadion sepak bola, kata Sohal. “Bayangkan Anda berada di luar stadion mencoba mencari tahu apa yang terjadi hanya dengan suaranya,” katanya. “Biasanya, Anda hanya mendengar suara acak. Tapi sesekali, Anda mendengar suara itu selaras dengan sorakan atau nyanyian, dan Anda bertanya-tanya, 'Hei - apakah itu berarti?' ”

Alih-alih kebisingan penggemar olahraga yang keluar dari stadion, tim Sohal merekam aktivitas neuron di berbagai bagian otak. Banyak studi gelombang otak sebelumnya mengandalkan sinyal listrik samar yang dapat dideteksi dalam rekaman elektroensefalogram (EEG) yang dibuat dari permukaan tengkorak, tetapi dalam studi baru, para peneliti menempatkan probe di dalam otak untuk melihat lebih tepat fungsi dari osilasi ini. Para peneliti juga menggunakan rekayasa genetika untuk menyematkan indikator aktivitas fluoresen ke neuron sejenis yang ideal untuk menangkap aktivitas gelombang gamma yang bergerak cepat di area otak yang penting untuk kognisi. Kilatan cahaya dari tanda fluoresen ini diindikasikan ketika voltase neuron ini berubah, memungkinkan tim untuk melacak komunikasi antar sel secara visual.

Untuk melihat apakah gelombang gamma terkait dengan perilaku gigih, para peneliti merancang "versi mouse" dari Wisconsin Card Sorting Task, alat penilaian standar yang mengukur bagaimana partisipan manusia mempelajari aturan baru dengan cepat, yang cenderung menantang bagi orang-orang dengan skizofrenia. Dalam tugas tikus, peneliti menyembunyikan hadiah di bawah pasir halus atau kotoran kucing kasar di salah satu dari dua mangkuk, dan memberi masing-masing bau yang khas, dan membiarkan tikus mencari tahu bau mana yang menandai hadiah itu. Setelah tikus mempelajari tugas tersebut, para peneliti mengubah aturan pada mereka dengan membuat isyarat bau menjadi tidak relevan, sekarang memberikan imbalan hanya dengan apakah tikus tersebut harus menggali pasir atau kotoran kucing untuk mencapainya.

Saat tikus belajar untuk membuat tombol, tim mengamati peningkatan gelombang gamma yang disinkronkan di kedua sisi otak. Ketika para peneliti membuat gelombang tersebut tidak sinkron dengan menggunakan stimulasi cahaya pada tikus dengan neuron yang direkayasa secara genetik untuk meresponsnya, tikus tersebut tiba-tiba menjadi sangat buruk dalam pembelajaran semacam ini. Kesalahan perseveratif melonjak dan tikus membutuhkan sebanyak dua kali upaya untuk mencari tahu isyarat baru untuk hadiah.

“Sepertinya sinkronisasi gamma penting untuk mengatasi ketekunan aturan,” kata Sohal. "Ini sesuai dengan pandangan yang muncul bahwa mungkin komunikasi antar wilayah otak terganggu pada skizofrenia dan gangguan terkait, yang mungkin menimbulkan gejala tertentu."

Anehnya, mengganggu sinkronisasi gamma tidak menghilangkan kemampuan tikus untuk mempelajari asosiasi baru atau membalik aturan yang telah mereka pelajari sebelumnya. Ketika aroma bawang putih berhenti menandakan hadiah, misalnya, mereka masih bisa berbalik arah dan mengetahui bahwa bau ketumbar - yang sebelumnya menandai jejak dingin - kini dikodekan sebagai harta karun. Hanya ketika mereka harus beralih dari satu jenis isyarat sensorik ke yang lain (misalnya, dari isyarat aroma ke isyarat sentuhan) barulah sinkronisasi gamma benar-benar ikut bermain, mungkin karena belajar untuk melepaskan ketekunan semacam itu sebenarnya jauh lebih sulit.

“Ini memberi tahu kita bahwa ada sesuatu yang istimewa tentang jenis pembelajaran yang mengharuskan Anda memperhatikan sesuatu yang sebelumnya Anda abaikan,” kata Sohal.

Penelitian sebelumnya, termasuk di lab Sohal, telah menyarankan bahwa defisit dalam sinkronisasi gamma dan neuron yang menimbulkannya mungkin berkontribusi pada masalah kognitif pada inti penyakit skizofrenia dan Alzheimer. Pemahaman yang lebih dalam tentang pola gelombang gamma normal dan apa yang terjadi ketika mereka terganggu pada akhirnya dapat membantu pasien yang membutuhkannya, kata Kathleen Cho, PhD, seorang peneliti postdoctoral di lab Sohal dan penulis utama makalah tersebut.

Penelitian sebelumnya, termasuk di lab Sohal, telah menyarankan bahwa defisit dalam sinkronisasi gamma dan neuron yang memunculkannya mungkin berkontribusi pada masalah kognitif pada inti penyakit skizofrenia dan Alzheimer. Gambar ada di domain publik.

“Perawatan untuk masalah kognitif semacam ini masih terbelakang, sebagian besar karena mekanisme yang relevan tidak jelas,” tambahnya. "Studi ini mendorong kita menuju pemahaman yang lebih dalam tentang bagaimana kita dapat mulai menangani gangguan neurologis semacam ini."

ABSTRAK

Sinkronisasi gamma lintas belahan antara interneuron parvalbumin prafrontal mendukung adaptasi perilaku selama pembelajaran perubahan aturan

Organisme harus mempelajari strategi baru untuk beradaptasi dengan lingkungan yang berubah. 

Aktivitas di neuron yang berbeda sering kali menunjukkan sinkronisasi yang secara dinamis dapat meningkatkan komunikasi mereka dan mungkin menciptakan kondisi otak yang fleksibel yang memfasilitasi perubahan perilaku. Kami mempelajari peran sinkronisasi frekuensi gamma (~ 40 Hz) antara interneuron parvalbumin prefrontal (PV) pada tikus yang mempelajari beberapa asosiasi cue-reward baru. 

Indikator tegangan menunjukkan peningkatan jenis sel spesifik dari sinkronisasi gamma lintas belahan antara interneuron PV ketika tikus menerima umpan balik yang sebelumnya dipelajari asosiasi tidak lagi valid. 

Mengganggu sinkronisasi ini dengan memberikan stimulasi optogenetik di luar fase menyebabkan tikus bertahan pada asosiasi yang sudah ketinggalan zaman, efek yang tidak direproduksi oleh stimulasi fase atau stimulasi di luar fase pada frekuensi lain. 

Sinkronisasi gamma secara khusus diperlukan ketika asosiasi baru menggunakan isyarat familiar yang sebelumnya tidak relevan dengan hasil perilaku, bukan ketika asosiasi melibatkan isyarat baru atau untuk membalik asosiasi yang dipelajari sebelumnya. 

Jadi, sinkronisasi gamma sangat diperlukan untuk menilai kembali arti-penting perilaku dari isyarat eksternal.