[ad_1]
Ahli saraf MIT telah menemukan arsitektur elegan dari sirkuit otak pengambilan keputusan mendasar yang memungkinkan a C. elegan cacing untuk mencari makanan atau berhenti untuk berpesta ketika menemukan sumbernya. Mampu mengintegrasikan beberapa aliran informasi sensorik, sirkuit ini menggunakan hanya beberapa neuron kunci untuk mempertahankan perilaku jangka panjang dan namun secara fleksibel beralih di antara mereka sesuai kondisi lingkungan.
“Untuk cacing yang mencari makan, keputusan untuk berkeliaran atau berdiam adalah keputusan yang akan sangat memengaruhi kelangsungan hidupnya.” kata penulis senior studi Steven Flavell, Profesor Associate Pengembangan Karir Lister Brothers di Institut Picower untuk Pembelajaran dan Memori dan Departemen Ilmu Otak dan Kognitif di MIT. “Kami berpikir bahwa mempelajari bagaimana otak mengontrol proses pengambilan keputusan yang penting ini dapat mengungkap elemen sirkuit mendasar yang dapat digunakan di otak banyak hewan.”
Untuk terus melacak aktivitas neuron individu, seperti yang ditunjukkan oleh kilatan cahaya yang dipicu kalsium, lab Flavell menemukan mikroskop yang mengikuti cacing saat mereka bergerak. Kredit gambar: Flavell Lab/Picower Institute
Pendekatan mempelajari invertebrata sederhana ini untuk mendapatkan wawasan dasar tentang bagaimana fungsi otak memiliki tradisi panjang dalam ilmu saraf, kata Flavell. Misalnya, studi tentang bagaimana saraf cumi-cumi menyebarkan impuls listrik mengarah pada wawasan kunci yang menjelaskan bagaimana sel-sel otak menyala di hampir semua hewan.
Meskipun komponen penting dari sirkuit otak yang diidentifikasi oleh Flavell dan rekan-rekannya mungkin tampak sederhana sekarang setelah terungkap, menemukannya sama sekali tidak mudah. Penulis utama Ni Ji, seorang postdoc di lab Flavell, menggunakan beberapa teknologi canggih, termasuk salah satu penemuan lab itu sendiri, untuk mengetahuinya. Hasil karyanya dan rekan penulisnya muncul di jurnal eLife.
Melacak pemikiran
C. elegan adalah model yang populer dalam ilmu saraf karena hanya memiliki 302 neuron dan “diagram pengkabelan”, atau penghubung, telah dipetakan sepenuhnya. Namun demikian, keterkaitan yang sangat padat dan tumpang tindih di antara neuron-neuron itu, ditambah kemampuan mereka untuk saling memberi sinyal melalui bahan kimia yang disebut neuromodulator, berarti bahwa seseorang hampir tidak dapat hanya melihat penghubung dan membedakan bagaimana ia beralih di antara berbagai keadaan perilaku.
Untuk mengidentifikasi sirkuit fungsional di tengah jaringan koneksi ini, lab Flavell mengembangkan mikroskop baru yang mampu melacak cacing saat mereka bergerak, sehingga secara konstan mencitrakan aktivitas neuron di otak cacing, seperti yang ditunjukkan oleh kilatan cahaya yang dipicu kalsium. Ji menggunakan ruang lingkup untuk fokus pada 10 neuron yang saling berhubungan yang terlibat dalam mencari makan, melacak pola aktivitas saraf mereka yang terkait dengan perilaku berkeliaran atau berdiam.
Ji dan rekan penulisnya melatih perangkat lunak yang mempelajari pola dengan sangat baik sehingga hanya berdasarkan aktivitas saraf, perangkat lunak ini dapat memprediksi perilaku cacing dengan akurasi 95 persen. Analisis mengungkapkan kuartet neuron yang aktivitasnya secara khusus dikaitkan dengan roaming. Pola kunci lainnya adalah bahwa transisi dari roaming sekitar ke stop to dwell selalu mengikuti aktivasi neuron yang disebut NSM. Laboratorium Flavell sebelumnya menunjukkan bahwa NSM dapat merasakan keberadaan makanan yang baru dicerna dan memancarkan neuromodulator yang disebut serotonin untuk memberi sinyal pada neuron lain untuk memperlambat cacing untuk tinggal di area nutrisi.
Antagonisme timbal balik
Setelah mengidentifikasi pola aktivitas yang berubah saat worm beralih status, Ji mulai memanipulasi neuron di sirkuit untuk memahami bagaimana mereka berinteraksi. Untuk mengkonfirmasi peran NSM sebagai pemicu kondisi hunian, Ji merekayasanya untuk diaktifkan secara artifisial dengan kilatan cahaya (teknik yang disebut optogenetika). Ketika dia menyalakan lampu, itu menyebabkan cacing itu berdiam dengan menghambat aktivitas neuron yang terkait dengan jelajah. Eksperimen lebih lanjut menunjukkan bahwa daya hambat ini bergantung pada neuron jelajah yang memiliki reseptor serotonin penghambat, yang disebut MOD-1. Jika Ji secara genetik melumpuhkan reseptor MOD-1, NSM tidak dapat menghambat perilaku jelajah dan dengan cepat berhenti mencoba karena kurangnya umpan balik.
Demikian pula, Ji menunjukkan bahwa ketika worm sedang roaming, itu karena roaming quartet menggunakan neuromodulator PDF untuk menghambat aktivitas NSM. Aktivasi optogenetik dari neuron yang mengekspresikan PDF mengurangi aktivitas NSM, misalnya.
Pada worm normal, jika roaming quartet aktif NSM tidak, dan sebaliknya. Tetapi ketika Ji secara genetik melumpuhkan elemen sirkuit yang mendasari penghambatan timbal balik ini, baik kuartet jelajah dan NSM dapat aktif pada saat yang sama, meninggalkan worm dalam keadaan aneh yang berkelok-kelok sekitar setengah dari kecepatan jelajah.
Masukan sensorik
Jadi, melalui pertempuran saling menghambat yang berkelanjutan, roaming ditopang oleh kuartet dan hunian ditopang oleh NSM, tetapi itu masih menimbulkan pertanyaan: Bagaimana worm memutuskan untuk mematikan sakelar? Untuk mengetahuinya, Ji dan rekannya memprogram algoritme pembelajaran mesin untuk membedakan neuron mana yang mungkin bekerja di hulu di sirkuit yang lebih luas untuk memengaruhi tarik ulur serotonin dan PDF. Pendekatan ini mengidentifikasi neuron yang disebut AIA, yang dikenal untuk mengintegrasikan informasi sensorik tentang bau makanan. Aktivitas AIA bervariasi dengan beberapa neuron roaming selama roaming, dan dengan NSM saat hunian dimulai.
Dengan kata lain, setelah diaktifkan oleh bau makanan, AIA dapat menggunakan inputnya untuk menggerakkan kedua sisi sirkuit penghambatan timbal balik untuk mengubah perilaku. Mengingat bahwa NSM dapat merasakan ketika worm benar-benar makan, Ji dan Flavell dapat menyimpulkan apa yang harus dilakukan AIA dan NSM. Jika ulat mencium bau makanan tetapi tidak makan, ia perlu menjelajah lebih jauh ke bau makanan itu sampai habis. Jika cacing mencium bau makanan dan pada saat yang sama mulai makan, maka ia harus terus tinggal di sana.
“Bagi cacing yang mencari makan, bau makanan adalah isyarat sensorik yang penting, tetapi ambigu. Kemampuan AIA untuk mendeteksi bau makanan dan mengirimkan informasi itu ke sirkuit hilir yang berbeda ini, bergantung pada isyarat masuk lainnya, memungkinkan hewan untuk mengontekstualisasikan bau dan membuat keputusan mencari makan yang adaptif, ”kata Flavell. “Jika Anda mencari elemen sirkuit yang juga dapat beroperasi di otak yang lebih besar, yang satu ini menonjol sebagai motif dasar yang memungkinkan perilaku yang bergantung pada konteks.”
Ditulis oleh David Orenstein
Sumber: Institut Teknologi Massachusetts
[ad_2]
