Otak & Fleksibilitas Kognitif: Peran Komputasi Spasial

Bagaimana otak kita bisa begitu cerdas dan adaptif, mampu memproses informasi baru dengan cepat, padahal ia terdiri dari miliaran neuron dan sirkuit yang terlihat kaku? Ini adalah pertanyaan mendasar yang terus memicu rasa ingin tahu para ilmuwan. Kini, sebuah teori baru yang disebut "komputasi spasial" mungkin memegang kunci jawabannya, menawarkan pandangan segar tentang bagaimana fleksibilitas kognitif kita bisa muncul dari arsitektur otak yang kompleks.

Memahami Komputasi Spasial: Sebuah Terobosan Kognitif

Pada tahun 2023, Profesor Earl K. Miller dari Picower Institute for Learning and Memory di MIT, bersama Mikael Lundqvist dan Pawel Herman, mengusulkan teori revolusioner yang dikenal sebagai "komputasi spasial". Teori ini mencoba menjelaskan bagaimana korteks prefrontal, pusat kendali eksekutif otak, dapat mengatur neuron-neuronnya secara spontan menjadi kelompok fungsional yang mampu menjalankan tugas kognitif tertentu. Lebih menarik lagi, teori ini memungkinkan neuron untuk berpartisipasi dalam berbagai kelompok sekaligus, sejalan dengan pengamatan bertahun-tahun bahwa banyak neuron prefrontal memang dapat terlibat dalam berbagai tugas secara bersamaan.

Gagasan dasarnya cukup sederhana namun mendalam: otak merekrut dan mengatur "gugus tugas" neuron ad hoc dengan memanfaatkan gelombang otak frekuensi alfa dan beta (sekitar 10-30Hz). Gelombang ini bertindak sebagai sinyal kontrol yang diterapkan pada area fisik di korteks prefrontal. Alih-alih harus mengatur ulang sirkuit fisik setiap kali tugas baru muncul, neuron di area tersebut memproses informasi dengan mengikuti pola eksitasi dan inhibisi yang dipaksakan oleh gelombang tersebut.

Profesor Miller menganalogikan gelombang alfa dan beta sebagai "stensil" yang membentuk kapan dan di mana di korteks prefrontal sekelompok neuron dapat menerima atau mengekspresikan informasi sensorik. Dengan cara ini, gelombang tersebut merepresentasikan aturan tugas dan dapat mengatur bagaimana neuron "menembak" secara elektrik untuk memproses konten informasi yang diperlukan untuk tugas tersebut. Ini adalah kunci bagaimana "kognisi adalah tentang pengorganisasian diri saraf berskala besar," ujar Miller, yang juga merupakan penulis senior studi yang diterbitkan di Current Biology.

Menguji Lima Prediksi Kunci Teori

Sebuah teori hanya akan menjadi ide jika belum diuji. Dalam studi terbaru ini, peneliti utama Zhen Chen dan anggota lab Miller yang lain menempatkan teori komputasi spasial melalui serangkaian pengujian ketat. Mereka memeriksa apakah lima prediksi utama teori tersebut mengenai aktivitas saraf dan pola gelombang otak benar-benar terbukti dalam pengukuran yang dilakukan pada korteks prefrontal hewan saat mereka melakukan dua tugas memori kerja dan satu tugas kategorisasi. Tugas-tugas ini melibatkan pemrosesan informasi sensorik yang berbeda (misalnya, "persegi biru muncul di layar diikuti oleh segitiga hijau") dan mengikuti aturan tertentu (misalnya, "Ketika bentuk baru muncul di layar, apakah mereka cocok dengan bentuk yang saya lihat sebelumnya dan muncul dalam urutan yang sama?").

Gelombang Otak: Komandan Operasi Kognitif

Dua prediksi pertama adalah bahwa gelombang alfa dan beta harus merepresentasikan kontrol dan aturan tugas, sementara aktivitas 'spiking' neuron harus merepresentasikan input sensorik. Ketika para peneliti menganalisis pembacaan gelombang otak dan aktivitas 'spiking' yang dikumpulkan oleh empat susunan elektroda yang ditanamkan di korteks, mereka menemukan bahwa prediksi ini memang benar. Sinyal 'spiking' neuron, bukan gelombang alfa/beta, membawa informasi sensorik. Meskipun baik 'spiking' maupun gelombang alfa/beta membawa informasi tugas, informasi tugas paling kuat terdeteksi dalam gelombang, dan puncaknya terjadi pada waktu yang relevan ketika aturan diperlukan untuk melaksanakan tugas.

Secara khusus, dalam tugas kategorisasi, para peneliti sengaja memvariasikan tingkat abstraksi untuk membuat kategorisasi lebih atau kurang sulit secara kognitif. Para peneliti mengamati bahwa semakin besar kesulitan, semakin kuat pula kekuatan gelombang alfa/beta, yang semakin menunjukkan bahwa gelombang ini membawa aturan tugas. Temuan ini menegaskan peran sentral gelombang otak dalam mengarahkan dan mengendalikan proses kognitif yang kompleks.

Organisasi Spasial dan Kinerja Akurat

Dua prediksi berikutnya adalah bahwa gelombang alfa dan beta akan terorganisir secara spasial, dan bahwa ketika dan di mana gelombang tersebut kuat, informasi sensorik yang direpresentasikan oleh 'spiking' akan ditekan, tetapi di mana dan kapan gelombang tersebut lemah, 'spiking' akan meningkat. Prediksi ini juga terbukti benar dalam data. Di bawah elektroda, Chen, Miller, dan tim dapat melihat pola spasial yang berbeda dari kekuatan gelombang yang lebih tinggi atau lebih rendah, dan di mana kekuatannya tinggi, informasi sensorik dalam 'spiking' rendah, dan sebaliknya. Ini menunjukkan mekanisme pengaturan yang dinamis di mana otak secara selektif memfokuskan atau menyaring informasi.

Terakhir, jika komputasi spasial valid, para peneliti memprediksi bahwa, dari percobaan ke percobaan, kekuatan dan waktu gelombang alfa/beta harus berkorelasi secara akurat dengan kinerja hewan. Benar saja, ada perbedaan signifikan dalam sinyal pada percobaan di mana hewan melakukan tugas dengan benar dibandingkan ketika mereka membuat kesalahan. Secara khusus, pengukuran memprediksi kesalahan karena mengacaukan aturan tugas versus informasi sensorik. Misalnya, perbedaan alfa/beta berkaitan dengan urutan munculnya stimulus (persegi lalu segitiga) daripada identitas stimulus individu (persegi atau segitiga). Ini adalah bukti kuat bahwa gelombang otak memainkan peran krusial dalam menerapkan aturan kognitif.

Relevansi Global dan Harapan untuk Indonesia

Meskipun studi ini dilakukan pada hewan, para peneliti mencatat bahwa studi lain pada manusia melaporkan beberapa temuan serupa. Misalnya, studi menggunakan pembacaan gelombang otak EEG dan MEG non-invasif menunjukkan bahwa manusia menggunakan osilasi alfa untuk menghambat aktivitas di area yang tidak relevan dengan tugas di bawah kontrol 'top-down', dan bahwa osilasi alfa tampaknya mengatur aktivitas terkait tugas di korteks prefrontal. Ini menunjukkan bahwa mekanisme dasar komputasi spasial mungkin berlaku secara universal di seluruh spesies.

Profesor Miller mengakui bahwa meskipun hasil studi baru ini sangat menjanjikan, bukti lebih lanjut masih diperlukan. Misalnya, labnya telah menunjukkan bahwa gelombang otak biasanya tidak diam, tetapi bergerak melintasi area otak. Komputasi spasial harus memperhitungkan fenomena dinamis ini di masa depan.

Bagi Indonesia, penelitian semacam ini membuka cakrawala baru dalam bidang neurosains. Pemahaman yang lebih dalam tentang bagaimana otak mengorganisir pemikiran secara fleksibel dapat memiliki implikasi besar dalam pengembangan pendidikan, terapi kognitif untuk berbagai kondisi neurologis, hingga peningkatan kinerja mental. Mendorong penelitian serupa di Indonesia, baik melalui kolaborasi internasional maupun inisiatif lokal, akan sangat berharga untuk memajukan ilmu pengetahuan dan teknologi di negeri ini, serta melahirkan inovasi yang relevan dengan konteks masyarakat Indonesia. Dengan semakin banyaknya talenta dan sumber daya yang diarahkan ke penelitian otak, Indonesia memiliki potensi untuk berkontribusi pada pemahaman global tentang misteri pikiran manusia.

Studi ini, yang didanai oleh U.S. Office of Naval Research, The Freedom Together Foundation, dan The Picower Institute for Learning and Memory, adalah langkah maju yang signifikan dalam memecahkan teka-teki fleksibilitas kognitif. Bersama Chen dan Miller, penulis lain dalam makalah ini adalah Scott Brincat, Mikael Lundqvist, Roman Loonis, dan Melissa Warden.