Paradigma berusia seabad telah diubah – bentuk otak lebih penting daripada konektivitas saraf

Para peneliti telah menemukan bahwa bentuk otak seseorang sangat memengaruhi pemikiran, perasaan, dan perilaku, menjungkirbalikkan fokus yang ada pada komunikasi saraf yang kompleks. Dengan menggunakan pemindaian MRI dan prinsip autocoding, mereka menemukan bahwa fungsi otak terkait erat dengan sifat geometrisnya, seperti bagaimana bentuk alat musik menentukan suaranya, memberikan jalan baru untuk menyelidiki fungsi dan penyakit otak.

Bentuk otak kita daripada interaksi antara berbagai wilayah memainkan peran penting dalam memengaruhi pikiran, emosi, dan tindakan kita.

Selama lebih dari seratus tahun, para ilmuwan percaya bahwa pikiran, perasaan, dan mimpi kita dibentuk oleh cara daerah otak yang berbeda berinteraksi di jaringan luas yang terdiri dari triliunan koneksi seluler.

Namun, sebuah studi baru-baru ini yang dipimpin oleh tim di Turner Institute of Brain and Mental Health Monash University memeriksa lebih dari 10.000 peta aktivitas otak manusia yang berbeda dan menemukan bahwa bentuk umum otak individu memiliki pengaruh lebih besar pada proses kognitif, emosi, dan perilaku daripada konektivitas saraf yang kompleks.

Studi yang baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal bergengsi, alam Dia menyatukan pendekatan dari fisika, ilmu saraf, dan psikologi untuk membalikkan paradigma berusia seabad yang menekankan pentingnya konektivitas otak yang kompleks, dan sebaliknya mengidentifikasi hubungan yang sebelumnya kurang dihargai antara bentuk dan aktivitas otak.

Penulis utama dan rekan peneliti Dr James Bang, dari Institut Turner dan Sekolah Ilmu Psikologi Universitas Monash, mengatakan temuan itu penting karena mereka sangat menyederhanakan cara kita dapat mempelajari bagaimana otak bekerja, berkembang, dan menua.

Alex Fornetto (kiri) dan James Pang mempelajari lebih dari 10.000 gambar MRI untuk menentukan bentuk otak yang penting. Kredit: Universitas Monash

“Pekerjaan ini membuka peluang untuk memahami efek penyakit seperti demensia dan stroke dengan melihat model bentuk otak, yang lebih mudah dikerjakan daripada model seluruh rangkaian koneksi di otak,” kata Dr. Pang.

“Kami telah lama berpikir bahwa pikiran atau sensasi tertentu memicu aktivitas di bagian otak tertentu, tetapi penelitian ini mengungkapkan bahwa pola aktivitas yang terorganisir dirangsang di hampir seluruh otak, seperti cara not musik muncul dari getaran yang terjadi di sepanjang senar biola, bukan hanya bagian yang terisolasi,” katanya.

Tim peneliti menggunakan magnetic resonance imaging (MRI) untuk mempelajari eigenmodes, yang merupakan pola alami getaran atau eksitasi dalam suatu sistem, di mana berbagai bagian sistem tereksitasi pada frekuensi yang sama. Automodul biasanya digunakan untuk mempelajari sistem fisik di bidang-bidang seperti fisika dan teknik, dan baru belakangan ini diadaptasi untuk mempelajari otak.

Pekerjaan ini berfokus pada pengembangan cara terbaik untuk secara efisien membangun mode eigen untuk otak.

Co-lead penulis Dr Kevin Aquino, dari BrainKey dan University of Sydney, mengatakan: “Sama seperti frekuensi resonansi string biola ditentukan oleh panjang, kepadatan dan ketegangan, eigenmodes otak ditentukan oleh sifat struktural mereka – fisik, geometris dan anatomi -, tetapi sifat spesifik yang paling penting tetap menjadi misteri.”

Tim yang dipimpin oleh Turner Institute dan ARC School of Psychological Science Fellow Profesor Alex Fornetto, membandingkan bagaimana profil subyektif yang diperoleh dari model bentuk otak dapat menjelaskan pola aktivitas yang berbeda jika dibandingkan dengan profil subyektif yang diperoleh dari model konektivitas otak.

“Kami menemukan bahwa eigenmode yang ditentukan oleh geometri otak – kontur dan kelengkungannya – mewakili kendala anatomis terkuat pada fungsi otak, seperti halnya bentuk silinder yang memengaruhi suara yang dihasilkannya,” kata Profesor Fornetto.

“Dengan menggunakan model matematis, kami mengkonfirmasi prediksi teoretis bahwa hubungan erat antara geometri dan fungsi didorong oleh aktivitas seperti gelombang yang menyebar ke seluruh otak, seperti halnya bentuk kolam memengaruhi riak gelombang yang dibentuk oleh kerikil yang jatuh,” katanya.

“Temuan ini meningkatkan kemungkinan untuk memprediksi fungsi otak langsung dari bentuknya, membuka jalan baru untuk mengeksplorasi bagaimana otak berkontribusi pada perbedaan individu dalam perilaku dan risiko penyakit kejiwaan dan neurologis.”

Tim peneliti menemukan bahwa di lebih dari 10.000 peta aktivitas MRI, yang diperoleh saat subjek melakukan berbagai tugas yang dikembangkan oleh ahli saraf untuk menjelajahi otak manusia, aktivitas tersebut didominasi oleh pola subyektif dengan pola spasial yang memiliki panjang gelombang sangat panjang, memanjang hingga jarak lebih dari 40 milimeter.

“Temuan ini bertentangan dengan kebijaksanaan konvensional, di mana aktivitas selama berbagai tugas sering diasumsikan terjadi di daerah fokus dan terisolasi dari aktivitas tinggi, dan memberi tahu kita bahwa metode pemetaan otak tradisional mungkin hanya menunjukkan puncak gunung es ketika harus memahami cara kerja otak,” kata Dr. Pang.

Referensi: “Keterbatasan Rekayasa pada Fungsi Otak Manusia” Oleh James C. Pang, Kevin M. Aquino, Marian Oldenkel, Peter A. Robinson, Ben de Fulcher, Michael Breakspeare, Alex Fornetto, 31 Mei 2023, Tersedia Di Sini. alam.
DOI: 10.1038/s41586-023-06098-1