Ritme Otak adalah Kunci untuk Pembelajaran

Selasa, 27 September 2011 - Selagi tikus masih mempelajari labirin, para peneliti melihat semburan aktivitas ventral striatum dalam rentang frekuensi gamma, lama sebelum tikus berhasil keluar dari labirin.

---

Para ahli saraf telah lama mengetahui keberadaan gelombang otak – fluktuasi irama aktivitas listrik yang diyakini merefleksikan keadaan otak. Sebagai contoh, selama istirahat, aktivitas otak melambat ke irama alfa sekitar delapan hingga 10 hertz, atau siklus per detik.

Belum diketahui pasti apakah gelombang-gelombang ini memainkan peran dalam fungsi kognitif seperti pembelajaran dan memori. Tapi sekarang, sebuah penelitian dari para ahli saraf MIT menunjukkan bahwa peralihan antara dua ritme sangat penting untuk perilaku kebiasaan belajar.

Dalam makalah yang muncul minggu ini dalam Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), para peneliti melaporkan bahwa saat tikus belajar melewati labirin, aktivitas di area otak yang mengontrol pembentukan kebiasaan bergeser dari ritme cepat yang kacau ke ritme yang lebih lambat, pada kecepatan yang lebih sinkron. Peralihan tersebut, yang terjadi saat tikus mulai menguasai labirin, memberi sinyal bahwa kebiasaan telah terbentuk, kata Profesor Institut MIT, Ann Graybiel, penulis senior makalah PNAS.

Ini adalah petunjuk utama pada bagaimana otak mereorganisasi sendiri selama pembelajaran, kata Graybiel, yang juga peneliti utama di Institut McGovern untuk Riset Otak di MIT.

Irama di otak                                                                                                            

Beberapa gelombang otak pada frekuensi yang berbeda telah diobservasi pada manusia dan hewan lainnya. Makalah ini difokuskan pada gelombang beta, yang berkisar antara 15-28 hertz, dan gelombang tinggi gamma, berkisar 70-90 hertz. Irama beta terkait dengan kurangnya gerakan, sedangkan gamma terkait dengan keadaan-keadaan yang sangat atentif.

Graybiel beserta mahasiswa pascasarjana Mark Howe, penulis utama makalah, memulai dengan melihat apakah mereka bisa menghubungkan kedua ritme ini dengan perubahan pada keadaan otak yang menyertai pembelajaran.

Laboratorium Graybiel sebelumnya telah menunjukkan bahwa pola-pola aktivitas listrik di bagian otak yang dikenal sebagai basal ganglia sangat penting dalam pembentukan kebiasaan. Kebiasaan dimulai ketika Anda memperoleh beberapa manfaat untuk mengambil tindakan tertentu, tapi akhirnya perilakunya menjadi mendarah daging dan Anda melakukannya bahkan ketika Anda tidak lagi memperoleh imbalan. Dalam kasus ekstrim, ini seperti terus menggaruk bagian tubuh tertentu bahkan setelah tidak lagi terasa gatal, misalnya.

Dalam studi ini, Howe melihat ritme otak di suatu wilayah pada bagian paling bawah ganglia basal, yang dikenal sebagai ventral striatum. Area ini diperlukan untuk merespon rasa sakit atau kesenangan, dan juga sangat terlibat dalam hal kecanduan.

Aktivitas otak diukur saat tikus memasuki labirin berbentuk T, di mana mereka harus belajar untuk berbelok ke kiri atau kanan dalam menanggapi suatu suara. Jika mereka berbelok ke arah yang benar dan mencapai akhir labirin, maka mereka menerima imbalan: susu cokelat.

Pada perjalanan pertama, selagi tikus masih mempelajari labirin, para peneliti melihat semburan aktivitas ventral striatum dalam rentang frekuensi gamma, lama sebelum tikus berhasil keluar dari labirin. Aktivitas ini tersebar di seluruh ventral striatum: Sel-selnya disinkronkan dengan ritme pada waktu yang berbeda, dengan cara yang cukup terkoordinasi.

Ketika tikus mulai mengerti bagaimana memperoleh imbalan, aktivitas gamma memudar dan berganti dengan semburan pendek aktivitas beta, frekuensi yang lebih rendah, hanya setelah mereka keluar dari labirin. Aktivitas ini juga menjadi jauh lebih terkoordinasi di seluruh ventral striatum.

Memperkuat kebiasaan

Untuk memperoleh tampilan yang lebih dalam pada apa yang terjadi selama pergeseran frekuensi ini, para peneliti juga mengukur aktivitas neuron tunggal dalam ventral striatum, dan menemukan bahwa aktivitas pada dua kelompok neuron terkoordinasi dengan osilasi. Neuron output, yang mengontrol komunikasi ventral striatum dengan bagian otak lainnya, bergelombang tajam selama puncak dari osilasi gamma maupun beta. Sedangkan jenis lainnya, yang menghambat neuron output, bergelombang pada lembah osilasi.

“Kapanpun Anda mengalami ritme yang kuat, kedua populasi neuron ini berosilasi pada arah yang berlawanan,” kata Howe.

Temuan ini menunjukkan bahwa, selagi tikus mempelajari perilaku baru, aktivitas frekuensi tinggi pada neuron output dalam ventral striatum mengirimkan pesan ke seluruh otak untuk mempelajari perilaku baru, diperkuat oleh imbalan cokelat. Kemudian, setelah perilaku dipelajari dan kebiasaan terbentuk, pesan-pesan tersebut tidak lagi diperlukan, dan dimatikan oleh neuron penghambatan selama osilasi beta.

“Seperti halnya tikus yang sedang belajar, sinyal penguatan tersebut menghilang, karena Anda benar-benar tidak membutuhkannya,” kata Graybiel. Hal ini bermanfaat bagi otak karena begitu kebiasaan terbentuk, “apa yang ingin Anda lakukan adalah sedikit membebaskan otak sehingga Anda bisa melakukan sesuatu yang lain – membentuk kebiasaan baru atau memikirkan suatu gagasan besar,” katanya.

Para peneliti, termasuk Howe, Graybiel, dan anggota-anggota laboratorium lainnya, Hisyam Attalah, Dan Gibson serta Andrew McCool, kini tengah berencana menyelidiki apakah pembentukan kebiasaan akan terganggu jika mereka mengubah ritme otak pada ventral striatum. Mereka juga ingin lebih spesifik mengidentifikasi neuron-neuron yang terlibat. Mengidentifikasi dan mengendalikan neuron-neuron tersebut mungkin menawarkan cara baru untuk membantu memerangi kecanduan – suatu bentuk perilaku kebiasaan yang ekstrim.

Kredit: Massachusetts Institute of Technology
Jurnal: Mark W. Howe, Hisham E. Atallah, Andrew McCool, Daniel J. Gibson, Ann M. Graybiel. Habit learning is associated with major shifts in frequencies of oscillatory activity and synchronized spike firing in striatum. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 26 September 2011; DOI: 10.1073/pnas.1113158108