Ilmuwan Menonton Bentuk Memori di Otak yang Hidup

Saat menyaksikan memori yang menakutkan terbentuk di otak ikan hidup, ahli saraf melihat tingkat rewiring yang tidak terduga terjadi pada koneksi sinaptik.

Otak larva ikan zebra berusia 7 hari ini bersinar dengan penanda fluoresen yang direkayasa secara genetik untuk menerangi aktivitas sarafnya. 
Ikan yang dimodifikasi dengan cara ini baru-baru ini digunakan dalam studi pembentukan memori.

Bayangkan saat Anda menikmati semangkuk Cheerios di pagi hari, seekor laba-laba jatuh dari langit-langit dan menjatuhkan diri ke dalam susu. Bertahun-tahun kemudian, Anda masih tidak bisa mendekati semangkuk sereal tanpa merasa jijik.

Para peneliti sekarang telah secara langsung mengamati apa yang terjadi di dalam otak yang mempelajari respons bermuatan emosional semacam itu. Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan pada bulan Januari di Proceedings of the National Academy of Sciences , sebuah tim di University of Southern California mampu memvisualisasikan ingatan yang terbentuk di otak ikan laboratorium, menggambarkannya di bawah mikroskop saat mereka mekar di hijau neon yang indah. . Dari pekerjaan sebelumnya, mereka mengharapkan otak untuk mengkodekan memori dengan sedikit mengutak-atik arsitektur sarafnya. Sebaliknya, para peneliti terkejut menemukan perombakan besar dalam koneksi.

Apa yang mereka lihat memperkuat pandangan bahwa memori adalah fenomena kompleks yang melibatkan gado-gado jalur pengkodean. Tetapi lebih lanjut menunjukkan bahwa jenis memori mungkin penting untuk bagaimana otak memilih untuk mengkodekannya – sebuah kesimpulan yang mungkin mengisyaratkan mengapa beberapa jenis respons traumatis yang sangat terkondisi begitu gigih, dan sangat sulit untuk dilupakan.

“Mungkin apa yang kita lihat adalah setara dengan solid-state drive” di otak, kata rekan penulis Scott Fraser , seorang ahli biologi kuantitatif di USC. Sementara otak merekam beberapa jenis ingatan dalam bentuk yang mudah menguap dan mudah dihapus, ingatan yang diliputi rasa takut dapat disimpan lebih kuat, yang dapat membantu menjelaskan mengapa bertahun-tahun kemudian, beberapa orang dapat mengingat ingatan seolah-olah menghidupkannya kembali, katanya.

Memori telah sering dipelajari di korteks, yang menutupi bagian atas otak mamalia, dan di bagian dasar hipokampus. Tetapi hal itu lebih jarang diperiksa pada struktur yang lebih dalam seperti amigdala, pusat pengaturan rasa takut di otak. Amigdala secara khusus bertanggung jawab atas ingatan asosiatif, kelas penting dari ingatan bermuatan emosional yang menghubungkan hal-hal yang berbeda — seperti laba-laba di sereal Anda. Meskipun jenis memori ini sangat umum, bagaimana bentuknya tidak dipahami dengan baik, sebagian karena itu terjadi di area otak yang relatif tidak dapat diakses.

Fraser dan rekan-rekannya melihat peluang untuk mengatasi keterbatasan anatomi itu dan mempelajari lebih lanjut tentang pembentukan memori asosiatif dengan menggunakan ikan zebra. Ikan tidak memiliki amigdala seperti mamalia, tetapi mereka memiliki wilayah analog yang disebut pallium tempat ingatan asosiatif terbentuk. Pallium jauh lebih mudah diakses untuk dipelajari, Fraser menjelaskan: Sementara otak mamalia yang sedang berkembang tumbuh dengan semakin besar — ​​“menggembung seperti balon” — otak ikan zebra hampir mengubah dirinya sendiri “seperti biji popcorn, jadi pusat-pusat yang dalam itu berada di dekat permukaan di mana kita bisa membayangkannya.” Terlebih lagi, larva ikan zebra transparan, sehingga para peneliti bisa mengintip langsung ke otak mereka.

Ahli saraf umumnya setuju bahwa otak membentuk ingatan dengan memodifikasi sinapsisnya – persimpangan kecil tempat neuron bertemu. Tetapi sebagian besar percaya bahwa itu terutama dilakukan dengan mengubah kekuatan koneksi, atau seberapa kuat satu neuron merangsang yang berikutnya, kata Fraser.

Jadi untuk membuat proses itu terlihat, Fraser dan timnya merekayasa genetika ikan zebra untuk menghasilkan neuron dengan penanda protein fluoresen yang terikat pada sinapsis mereka. Protein penanda, yang dibuat di laboratorium  Don Arnold , seorang profesor ilmu biologi dan teknik biologi di USC, berpendar di bawah sinar laser redup dari mikroskop khusus: Tantangannya adalah “untuk dapat menguping sesuatu saat itu terjadi, ” tetapi gunakan cahaya sesedikit mungkin untuk menghindari hangusnya makhluk-makhluk itu, kata Fraser. Para peneliti kemudian dapat melihat tidak hanya lokasi sinapsis individu tetapi juga kekuatannya – semakin terang cahayanya, semakin kuat koneksinya.

Ahli biologi kuantitatif Scott Fraser dan rekan-rekannya di University of Southern California mengamati pembentukan memori asosiatif yang tidak menyenangkan di otak ikan zebra.

Ilmuwan Menonton Bentuk Memori di Otak yang Hidup

PENYIMPANAN

Ilmuwan Menonton Bentuk Memori di Otak yang Hidup

OlehYASEMIN SAPLAKOGLU

3 Maret 2022Saat menyaksikan memori yang menakutkan terbentuk di otak ikan hidup, ahli saraf melihat tingkat rewiring yang tidak terduga terjadi pada koneksi sinaptik.2

BACA NANTI
Otak larva ikan zebra berusia 7 hari ini bersinar dengan penanda fluoresen yang direkayasa secara genetik untuk menerangi aktivitas sarafnya. Ikan yang dimodifikasi dengan cara ini baru-baru ini digunakan dalam studi pembentukan memori.Andrey Andreev, Thai Truong, Scott Fraser; Pusat Pencitraan Terjemahan, USC

Imagine that while you are enjoying your morning bowl of Cheerios, a spider drops from the ceiling and plops into the milk. Years later, you still can’t get near a bowl of cereal without feeling overcome with disgust.

Researchers have now directly observed what happens inside a brain learning that kind of emotionally charged response. In a new study published in January in the Proceedings of the National Academy of Sciences, a team at the University of Southern California was able to visualize memories forming in the brains of laboratory fish, imaging them under the microscope as they bloomed in beautiful fluorescent greens. From earlier work, they had expected the brain to encode the memory by slightly tweaking its neural architecture. Instead, the researchers were surprised to find a major overhaul in the connections.

Apa yang mereka lihat memperkuat pandangan bahwa memori adalah fenomena kompleks yang melibatkan gado-gado jalur pengkodean. Tetapi lebih lanjut menunjukkan bahwa jenis memori mungkin penting untuk bagaimana otak memilih untuk mengkodekannya – sebuah kesimpulan yang mungkin mengisyaratkan mengapa beberapa jenis respons traumatis yang sangat terkondisi begitu gigih, dan sangat sulit untuk dilupakan.

“Mungkin apa yang kita lihat adalah setara dengan solid-state drive” di otak, kata rekan penulis Scott Fraser , seorang ahli biologi kuantitatif di USC. Sementara otak merekam beberapa jenis ingatan dalam bentuk yang mudah menguap dan mudah dihapus, ingatan yang diliputi rasa takut dapat disimpan lebih kuat, yang dapat membantu menjelaskan mengapa bertahun-tahun kemudian, beberapa orang dapat mengingat ingatan seolah-olah menghidupkannya kembali, katanya.

Abstraksimenavigasi ide-ide yang menjanjikan dalam sains dan matematika. Perjalanan dengan kami dan bergabung dengan percakapan.


Lihat semua blog Abstraksi

Memori telah sering dipelajari di korteks, yang menutupi bagian atas otak mamalia, dan di bagian dasar hipokampus. Tetapi hal itu lebih jarang diperiksa pada struktur yang lebih dalam seperti amigdala, pusat pengaturan rasa takut di otak. Amigdala secara khusus bertanggung jawab atas ingatan asosiatif, kelas penting dari ingatan bermuatan emosional yang menghubungkan hal-hal yang berbeda — seperti laba-laba di sereal Anda. Meskipun jenis memori ini sangat umum, bagaimana bentuknya tidak dipahami dengan baik, sebagian karena itu terjadi di area otak yang relatif tidak dapat diakses.

Fraser dan rekan-rekannya melihat peluang untuk mengatasi keterbatasan anatomi itu dan mempelajari lebih lanjut tentang pembentukan memori asosiatif dengan menggunakan ikan zebra. Ikan tidak memiliki amigdala seperti mamalia, tetapi mereka memiliki wilayah analog yang disebut pallium tempat ingatan asosiatif terbentuk. Pallium jauh lebih mudah diakses untuk dipelajari, Fraser menjelaskan: Sementara otak mamalia yang sedang berkembang tumbuh dengan semakin besar — ​​“menggembung seperti balon” — otak ikan zebra hampir mengubah dirinya sendiri “seperti biji popcorn, jadi pusat-pusat yang dalam itu berada di dekat permukaan di mana kita bisa membayangkannya.” Terlebih lagi, larva ikan zebra transparan, sehingga para peneliti bisa mengintip langsung ke otak mereka.

Ahli saraf umumnya setuju bahwa otak membentuk ingatan dengan memodifikasi sinapsisnya – persimpangan kecil tempat neuron bertemu. Tetapi sebagian besar percaya bahwa itu terutama dilakukan dengan mengubah kekuatan koneksi, atau seberapa kuat satu neuron merangsang yang berikutnya, kata Fraser.

Jadi untuk membuat proses itu terlihat, Fraser dan timnya merekayasa genetika ikan zebra untuk menghasilkan neuron dengan penanda protein fluoresen yang terikat pada sinapsis mereka. Protein penanda, yang dibuat di laboratorium  Don Arnold , seorang profesor ilmu biologi dan teknik biologi di USC, berpendar di bawah sinar laser redup dari mikroskop khusus: Tantangannya adalah “untuk dapat menguping sesuatu saat itu terjadi, ” tetapi gunakan cahaya sesedikit mungkin untuk menghindari hangusnya makhluk-makhluk itu, kata Fraser. Para peneliti kemudian dapat melihat tidak hanya lokasi sinapsis individu tetapi juga kekuatannya – semakin terang cahayanya, semakin kuat koneksinya.

Foto Scott Fraser, seorang ahli biologi di University of Southern California.
Ahli biologi kuantitatif Scott Fraser dan rekan-rekannya di University of Southern California mengamati pembentukan memori asosiatif yang tidak menyenangkan di otak ikan zebra.Atas perkenan Scott Fraser

Untuk membangkitkan ingatan, Fraser dan timnya mengkondisikan larva ikan zebra untuk mengasosiasikan cahaya dengan pemanasan yang tidak nyaman, sama seperti ahli fisiologi Rusia abad ke-19 Ivan Pavlov mengkondisikan anjing-anjingnya untuk mengeluarkan air liur dengan harapan mendapat hadiah ketika mereka mendengar suara a lonceng. Larva ikan zebra belajar untuk mencoba berenang menjauh setiap kali mereka melihat cahaya. (Dalam percobaan, kepala larva diimobilisasi tetapi ekornya bebas bergerak sebagai indikator perilaku yang dipelajari.) Para peneliti mencitrakan pallium sebelum dan sesudah ikan belajar, dan menganalisis perubahan kekuatan sinaps dan lokasi.

Bertentangan dengan harapan, kekuatan sinaptik di pallium tetap hampir sama terlepas dari apakah ikan itu mempelajari sesuatu. Sebaliknya, pada ikan yang belajar, sinapsis dipangkas dari beberapa area pallium – menghasilkan efek “seperti memotong pohon bonsai,” kata Fraser – dan ditanam kembali di tempat lain.

Studi sebelumnya terkadang menyarankan bahwa ingatan dapat terbentuk melalui penambahan dan penghapusan sinapsis – tetapi visualisasi otak secara real-time dan skala besar ini menunjukkan bahwa metode pembentukan memori ini mungkin jauh lebih signifikan daripada yang disadari para peneliti. Meskipun itu bukan bukti yang pasti, “Saya pikir ini memberikan bukti yang meyakinkan” bahwa ini bisa menjadi cara utama otak membentuk ingatan, kata Tomás Ryan , seorang ahli saraf di Trinity College Dublin yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

Saya pikir semua orang berpikir bahwa ada berbagai cara otak dapat menyimpan kenangan. Keindahannya adalah, saya yakin semuanya benar.

Scott Fraser, Universitas California Selatan

Untuk mendamaikan hasil studi baru mereka dengan harapan awal pembentukan memori, Fraser, Arnold dan tim mereka berhipotesis bahwa jenis memori mungkin mengarahkan bagaimana otak memilih untuk mengkodekannya. “Peristiwa asosiatif yang telah kita lihat ini mungkin merupakan jenis ingatan yang paling kuat,” kata Fraser. Untuk ikan yang mereka lakukan-atau-mati, jadi “tidak terlalu mengejutkan bahwa Anda mungkin menyandikan ingatan yang kuat ini dengan cara yang sangat kuat.”

Tapi apa yang tepat untuk mengunci ingatan yang diliputi rasa takut mungkin bukan yang terbaik untuk jenis ingatan yang lebih duniawi. Saat belajar mengucapkan nama seseorang, Anda mungkin “tidak ingin mencabut sinapsis dari otak Anda dan menambahkan sinapsis yang baru,” kata Fraser.

Fraser dan timnya berharap bahwa model ini pada akhirnya dapat membantu mereka memeriksa mekanisme yang terlibat dalam ingatan yang memicu gangguan stres pasca-trauma, dan bahkan mungkin mengarah pada strategi potensial untuk memoderasi kondisi itu.

Tetapi ada kemungkinan bahwa temuan tersebut lebih berkaitan dengan usia ikan zebra daripada dengan jenis memori yang terbentuk, kata Cliff Abraham , seorang profesor psikologi di University of Otago di Selandia Baru yang juga bukan bagian dari penelitian. “Kita tahu bahwa ada banyak pemangkasan dan reorganisasi sinaptik sebagai hasil dari pengalaman selama perkembangan di berbagai bagian otak,” kata Abraham. Jika para peneliti melihat ikan zebra dewasa – yang lebih sulit dilakukan karena mereka kurang transparan dan memiliki otak yang lebih besar – mereka mungkin mendapatkan hasil yang berbeda.

Makalah ini adalah “tur de force teknis,” tambahnya, tetapi itu hanya sepotong teka-teki tentang bagaimana ingatan terbentuk, dan masih banyak pertanyaan yang belum terjawab, seperti berapa lama ingatan dan perubahan sinaptik itu bertahan pada ikan zebra. .

Para peneliti berharap untuk melihat apakah temuan ini diterjemahkan ke hewan dengan otak yang lebih besar dan bahkan mamalia, dan untuk memeriksa bagaimana ikan zebra ini dan hewan lain membentuk ingatan yang kurang sarat emosional atau traumatis.

“Saya pikir semua orang berpikir bahwa ada berbagai cara otak dapat menyimpan kenangan,” kata Fraser. “Keindahannya adalah, saya yakin semuanya benar. Dan pertanyaannya adalah: Bagaimana semuanya bekerja bersama?”

Sumber : quantamagazine.org