Pemrograman Ulang Sel Otak Memungkinkan Pengambilan Keputusan yang Fleksibel

Studi mengidentifikasi neuron yang bertugas memandu perilaku adaptif.

Universitas Zurich

Manusia, seperti hewan lainnya, memiliki kemampuan untuk terus beradaptasi dengan situasi baru. Para peneliti di Institut Riset Otak Universitas Zurich telah menggunakan model tikus untuk mengungkap neuron mana di otak yang berperan dalam memandu perilaku adaptif. Studi baru mereka berkontribusi pada pemahaman kita tentang proses pengambilan keputusan pada orang yang sehat dan lemah.

Salam tanpa jabat tangan, topeng wajib di kereta, bersin ke siku - pandemi COVID-19 secara dramatis menggambarkan betapa pentingnya bagi manusia untuk melepaskan perilaku kebiasaan dan mempelajari perilaku baru. Hewan, juga, harus mampu beradaptasi dengan cepat terhadap perubahan kondisi lingkungan.

"Plastisitas otak membentuk dasar dari kemampuan ini," kata Fritjof Helmchen, wakil direktur Institut Penelitian Otak di Universitas Zurich, yang juga mengepalai Pusat Ilmu Saraf Zurich. "Tapi proses biologis yang memungkinkan prestasi luar biasa ini masih kurang dipahami." Tim Helmchen kini telah berhasil mengambil langkah pertama untuk menerangi proses ini.

Studi mereka, yang baru saja diterbitkan dalam jurnal ilmiah Nature , menunjukkan bahwa korteks orbitofrontal, wilayah korteks serebral yang berada di belakang mata, mampu memprogram ulang neuron yang terletak di area sensorik.

Mengamati sel-sel otak dalam tindakan belajar kembali

Dalam eksperimen mereka dengan tikus, para peneliti mensimulasikan proses belajar kembali dalam kondisi terkendali dan menyelidiki apa yang terjadi di otak pada tingkat neuron individu selama proses tersebut. Para peneliti pertama kali melatih hewan-hewan itu untuk menjilat setiap kali mereka menyentuh sepotong amplas kasar dengan kumis mereka dan menghadiahi responsnya dengan minuman air sukrosa.

Namun, tikus tidak diizinkan menjilat saat mereka mengusapkan kumisnya pada amplas berbutir halus; jika mereka melakukannya, mereka dihukum dengan suara iritasi ringan. Setelah tikus mengerti bagaimana melakukan tugas mereka, tabel kemudian dibalik. Hadiah sekarang diberikan setelah diaduk dengan kertas amplas halus dan bukan pasir kasar. Tikus dengan cepat mempelajari pola perilaku baru yang berlawanan ini setelah sedikit latihan.

Otoritas yang lebih tinggi memetakan ulang sel

Selama pelatihan, ahli saraf menggunakan teknik biologi dan pencitraan molekuler untuk menganalisis fungsi neuron individu di korteks otak yang terlibat.

Analisis mereka mengungkapkan bahwa sekelompok sel otak di korteks orbitofrontal sangat aktif selama proses pembelajaran ulang. Sel-sel ini memiliki akson panjang yang meluas ke area sensorik pada tikus yang memproses rangsangan taktil. Sel-sel di area ini awalnya mengikuti pola aktivitas lama, tetapi beberapa di antaranya kemudian beradaptasi dengan situasi baru. Ketika neuron tertentu di korteks orbitofrontal sengaja dinonaktifkan, pembelajaran kembali terganggu dan neuron di area sensorik tidak lagi menunjukkan modifikasi dalam aktivitasnya.

“Dengan demikian, kami dapat menunjukkan bahwa ada hubungan langsung dari korteks orbitofrontal ke area sensorik otak dan bahwa beberapa neuron dipetakan kembali di sana,” jelas Helmchen.

"Plastisitas sel-sel itu dan instruksi yang mereka terima dari korteks orbitofrontal tingkat tinggi tampaknya sangat penting bagi fleksibilitas perilaku dan kemampuan kita untuk beradaptasi dengan situasi baru."

Korteks orbitofrontal. Gambar dikreditkan ke UZH.

“Sudah lama diketahui bahwa korteks orbitofrontal terlibat dalam proses pengambilan keputusan”. Itu bertanggung jawab, sampai tingkat tertentu, memungkinkan kita untuk bereaksi secara tepat dan berhasil terhadap keadaan eksogen.

“Tetapi sirkuit saraf yang mendasari fungsi ini tidak diketahui sampai sekarang,” kata Abhishek Banerjee, penulis utama studi tersebut, sekarang menjadi Associate Professor di Newcastle University, Inggris.

“Cara komunikasi dan kontrol melintasi area otak yang jauh ini benar-benar luar biasa.”

Memahami gangguan dengan lebih baik

Para peneliti percaya bahwa proses fundamental yang mereka amati pada tikus terjadi dengan cara yang sama di otak manusia. “Pengetahuan yang mendalam tentang proses otak kompleks yang terlibat dalam pengambilan keputusan adalah penting,” jelas Helmchen.

"Temuan penelitian kami dapat berkontribusi untuk pemahaman yang lebih baik tentang gangguan otak di mana fleksibilitas dalam pengambilan keputusan terganggu, seperti adanya, misalnya dalam berbagai bentuk autisme dan skizofrenia." Jelas, katanya, mengalami kesulitan atau tidak mampu menyesuaikan perilaku seseorang menimbulkan masalah yang parah bagi orang-orang yang terkena dampak.

ABSTRAK

Pemetaan ulang berdasarkan nilai dari korteks sensorik oleh korteks orbitofrontal lateral

Perilaku adaptif sangat bergantung pada pengambilan keputusan yang fleksibel, yang pada mamalia bergantung pada korteks frontal, khususnya korteks orbitofrontal (OFC). 

Bagaimana OFC mengkodekan variabel keputusan dan menginstruksikan area sensorik untuk memandu perilaku adaptif adalah pertanyaan terbuka kunci. 

Di sini kami mengembangkan tugas pembelajaran pembalikan untuk tikus yang dipasang di kepala, memantau aktivitas neuron OFC lateral menggunakan pencitraan kalsium dua foton dan menyelidiki bagaimana OFC secara dinamis berinteraksi dengan korteks somatosensori primer (S1). 

Tikus belajar untuk membedakan 'pergi' dari rangsangan taktil 'no-go' dan menyesuaikan perilaku mereka pada pembalikan dari stimulus-reward contingency ('rule switch'). 

Pencitraan neuron individu secara longitudinal di semua fase perilaku mengungkapkan keterlibatan yang berbeda dari S1 dan OFC lateral, dengan aktivitas saraf S1 yang mencerminkan pembelajaran tugas awal, sedangkan neuron OFC lateral merespon secara menonjol dan sementara ke rule switch. 

Peneliti mengidentifikasi proyeksi jarak jauh langsung dari OFC lateral ke S1 yang dapat memberi makan aktivitas ini kembali ke S1 sebagai kesalahan prediksi nilai. Sinyal top-down ini memperbarui representasi sensorik di S1 ​​dengan secara fungsional memetakan kembali respons dalam subpopulasi neuron yang sensitif terhadap riwayat penghargaan. 

Pemetaan ulang fungsional sangat bergantung pada umpan balik top-down karena pembungkaman chemogenetic neuron OFC lateral mengganggu pembelajaran pembalikan, serta plastisitas di S1. 

Interaksi dinamis OFC lateral dengan korteks sensorik dengan demikian mengimplementasikan komputasi yang penting untuk prediksi nilai yang bergantung pada sejarah dan berbasis kesalahan, memberikan plastisitas yang penting untuk pengambilan keputusan yang fleksibel. Kami mengidentifikasi proyeksi jarak jauh langsung dari OFC lateral ke S1 yang dapat memberi umpan balik aktivitas ini ke S1 sebagai kesalahan prediksi nilai. 

Sinyal top-down ini memperbarui representasi sensorik di S1 ​​dengan secara fungsional memetakan kembali respons dalam subpopulasi neuron yang sensitif terhadap riwayat penghargaan. 

Pemetaan ulang fungsional sangat bergantung pada umpan balik top-down karena pembungkaman chemogenetic neuron OFC lateral mengganggu pembelajaran pembalikan, serta plastisitas di S1. 

Interaksi dinamis OFC lateral dengan korteks sensorik dengan demikian mengimplementasikan komputasi yang penting untuk prediksi nilai yang bergantung pada riwayat dan berbasis kesalahan, memberikan plastisitas yang penting untuk pengambilan keputusan yang fleksibel. Kami mengidentifikasi proyeksi jarak jauh langsung dari OFC lateral ke S1 yang dapat memberi makan aktivitas ini kembali ke S1 sebagai kesalahan prediksi nilai. 

Sinyal top-down ini memperbarui representasi sensorik di S1 ​​dengan secara fungsional memetakan kembali respons dalam subpopulasi neuron yang sensitif terhadap riwayat penghargaan. Pemetaan ulang fungsional sangat bergantung pada umpan balik top-down karena pembungkaman chemogenetic neuron OFC lateral mengganggu pembelajaran pembalikan, serta plastisitas di S1. 

Interaksi dinamis OFC lateral dengan korteks sensorik dengan demikian mengimplementasikan komputasi yang penting untuk prediksi nilai yang bergantung pada riwayat dan berbasis kesalahan, memberikan plastisitas yang penting untuk pengambilan keputusan yang fleksibel. 

Sinyal top-down ini memperbarui representasi sensorik di S1 ​​dengan secara fungsional memetakan kembali respons dalam subpopulasi neuron yang sensitif terhadap riwayat penghargaan. Pemetaan ulang fungsional sangat bergantung pada umpan balik top-down karena pembungkaman chemogenetic neuron OFC lateral mengganggu pembelajaran pembalikan, serta plastisitas di S1. 

Interaksi dinamis OFC lateral dengan korteks sensorik dengan demikian mengimplementasikan komputasi yang penting untuk prediksi nilai yang bergantung pada riwayat dan berbasis kesalahan, memberikan plastisitas yang penting untuk pengambilan keputusan yang fleksibel. 

Sinyal top-down ini memperbarui representasi sensorik di S1 ​​dengan secara fungsional memetakan kembali respons dalam subpopulasi neuron yang sensitif terhadap riwayat penghargaan. 

Pemetaan ulang fungsional sangat bergantung pada umpan balik atas-bawah karena pembungkaman kemogenetik neuron OFC lateral mengganggu pembelajaran pembalikan, serta plastisitas di S1. Interaksi dinamis OFC lateral dengan korteks sensorik dengan demikian mengimplementasikan komputasi yang penting untuk prediksi nilai yang bergantung pada sejarah dan berbasis kesalahan, memberikan plastisitas yang penting untuk pengambilan keputusan yang fleksibel.