Dengan memahami sinyal yang tersembunyi dalam obrolan listrik otak, para ilmuwan memperoleh informasi tentang tidur, penuaan, dan proses lainnya.
Pada Januari 2020, dalam sebuah simposium tentang tidur, Janna Landner mempresentasikan penemuan yang dapat membantu kita menemukan batas antara terjaga dan tidak sadar dalam aktivitas otak manusia. Untuk pasien dalam keadaan koma atau anestesi, sangat penting bahwa dokter dapat membuat perbedaan ini dengan benar. Dan ini jauh lebih rumit daripada yang terlihat - bagaimanapun juga, otak manusia dalam fase tidur REM menghasilkan gelombang denyut yang akrab dan lancar seperti saat terjaga.
Namun, Landner berpendapat bahwa jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini tidak terletak pada gelombang otak biasa - tetapi pada aspek aktivitas otak yang biasanya diabaikan oleh para ilmuwan. Ini adalah kebisingan latar belakang acak.
Beberapa peneliti skeptis tentang klaim ini. "Mereka berkata: maksudmu ada informasi berguna yang tersembunyi di balik kebisingan?" Kata Landner, ahli anestesi di University Medical Center Tübingen di Jerman, yang baru-baru ini menerima beasiswa pascadoktoral di University of California, Berkeley. "Saya berkata: ya, kepada siapa suara itu, dan kepada siapa - sinyalnya."
Landner termasuk dalam kelompok ilmuwan saraf yang sedang berkembang yang terinspirasi oleh gagasan bahwa kebisingan dalam aktivitas listrik otak mungkin menyimpan petunjuk tentang misteri cara kerjanya. Apa yang pernah dianggap setara neurologis dari statis televisi yang mengganggu tiba-tiba dapat memiliki efek mendalam pada cara kita mempelajari otak.
Bradley Wojtek telah mendengar dari berbagai skeptis bahwa tidak ada yang perlu ditelusuri tentang kebisingan otak. Namun, hasil studi independennya tentang perubahan kebisingan ini selama proses penuaan, serta informasi dari literatur mengenai tren statistik dalam aktivitas otak yang tidak teratur, meyakinkannya bahwa ahli saraf kehilangan sesuatu. Dan dia menghabiskan beberapa tahun membantu para ilmuwan memikirkan kembali data yang mereka kumpulkan.
“Tidak cukup hanya berbicara dengan sekelompok ilmuwan dengan pernyataan: Saya pikir kita melakukan sesuatu yang salah,” kata Wojtek, profesor ilmu kognitif dan ilmu data di University of California, San Diego. “Mereka perlu diberi alat kerja baru,” yang lebih baik, atau hanya yang berbeda.
Bradley Wojtek
Bersama dengan ahli saraf di Universitas California di San Diego dan Berkeley, Wojtek mengembangkan program yang mengisolasi osilasi periodik - seperti gelombang alfa, yang telah dipelajarinya secara aktif pada orang yang bangun dan tidur - bersembunyi di aktivitas otak aperiodik. Akibatnya, ahli saraf memiliki alat baru untuk menyelidiki gelombang periodik dan aktivitas otak aperiodik untuk memisahkan peran mereka dalam perilaku, pengenalan, dan penyakit.
Mereka menyebut fenomena yang dipelajari oleh Voytek dan ilmuwan lain secara berbeda. Beberapa menyebutnya "bias 1 / f" atau "aktivitas bebas skala." Wojtek mempromosikan nama "sinyal aperiodik" atau "aktivitas aperiodik".
Dan ini bukan hanya beberapa keinginan otak. Pola-pola yang dicari para ilmuwan terkait dengan fenomena yang mulai ditemukan para ilmuwan dalam berbagai sistem kompleks, yang dihasilkan oleh alam dan teknologi, pada tahun 1925. Struktur statistik ini secara misterius memanifestasikan dirinya dalam begitu banyak konteks yang berbeda sehingga beberapa ilmuwan menganggapnya sebagai salah satu hukum alam yang belum ditemukan.
Meskipun dalam 20 tahun terakhir, karya telah diterbitkan di mana para ilmuwan mencari dan menggambarkan aktivitas otak aritmia, tidak satupun dari mereka yang dapat memahami apa itu sebenarnya. Namun, ahli biologi saat ini memiliki alat untuk mengisolasi sinyal aperiodik dengan lebih baik dalam eksperimen baru, serta mempelajari data lama lebih dalam. Berkat algoritme Wojtek dan metode lainnya, seluruh galaksi karya telah muncul dalam beberapa tahun terakhir, menyatakan gagasan tentang harta pengetahuan yang tersembunyi dalam aktivitas aperiodik, yang mampu merevolusi studi tentang penuaan, tidur, perkembangan anak, dll.
Apa itu aktivitas aperiodik?
Tubuh kita menikmati ritme detak jantung dan pernapasan yang akrab - siklus stabil yang diperlukan untuk bertahan hidup. Namun, ritme terdengar di otak yang tampaknya tidak memiliki keteraturan, tetapi sama pentingnya bagi kehidupan - dan dapat menyembunyikan kunci petunjuk perilaku dan kesadaran.
Ketika neuron mengirimkan sinyal ke neuron lain menggunakan senyawa seperti glutamat , ujung penerima lebih mungkin diaktifkan. Situasi ini disebut agitasi. Sebaliknya, ketika neuron mengeluarkan neurotransmitter seperti asam gamma-aminobutyric, atau GABA, kemungkinan aktivasi sisi inang berkurang - ini disebut inhibisi, atau supresi. Semuanya baik-baik saja dalam jumlah sedang: terlalu banyak kegembiraan menyebabkan kejang, terlalu banyak penekanan adalah karakteristik tidur, dan dalam kasus yang lebih serius, koma.
Untuk mempelajari keseimbangan gairah dan penekanan, para ilmuwan mengukur aktivitas listrik di otak menggunakan electroencephalography, EEG. Siklus kegembiraan dan penindasan membentuk gelombang, berbagai bentuk yang terkait dengan kondisi kesadaran yang berbeda. Misalnya, gelombang otak dengan frekuensi 8 hingga 12 Hz menghasilkan gelombang alfa yang berhubungan dengan tidur.
Tetapi output otak bukanlah kurva mulus yang sempurna. Naik ke tertinggi dan jatuh ke posisi terendah, grafik aktivitas melompat ke sana kemari. Terkadang tidak ada keteraturan dalam kerja otak, dan itu menjadi lebih seperti kebisingan listrik. Itu memang memiliki komponen yang benar-benar acak, white noise, tetapi beberapa komponen menunjukkan struktur statistik yang lebih menarik.
Ketidaksempurnaan inilah, yang merusak kehalusan kurva, serta kebisingan, yang diminati Wojtek dan ilmuwan lain. “Tentu saja acak, tetapi ada kecelakaan yang berbeda,” katanya.
Tidak semua suara diciptakan sama. Dalam spektogram di atas, frekuensi rendah berada di bawah, frekuensi tinggi berada di atas. Semakin cerah warnanya, semakin besar intensitasnya. Kiri - white noise, yang intensitas sinyalnya tidak berubah tergantung pada frekuensinya. Di tengah adalah kebisingan merah muda, 1 / f, yang intensitasnya pada frekuensi tinggi turun pada tingkat tertentu. Kebisingan coklat di sebelah kanan memiliki penurunan intensitas yang jauh lebih dalam.
Untuk mengukur aktivitas aperiodik, para ilmuwan membagi data EEG mentah seperti prisma yang membagi sinar matahari menjadi pelangi. Mereka pertama kali menerapkan analisis Fourier. Setiap grafik perubahan data dari waktu ke waktu dapat dinyatakan dalam jumlah fungsi trigonometri, yang, pada gilirannya, dapat dinyatakan dalam frekuensi dan amplitudo. Amplitudo versus frekuensi dapat diplot pada plot spektrum daya.
Amplitudo spektrum daya biasanya ditempatkan dalam koordinat logaritmik, karena memiliki sebaran yang besar. Untuk white noise yang benar-benar acak, kurva spektrum daya akan relatif datar dan horizontal, dengan kemiringan nol - bagaimanapun, hampir sama di semua frekuensi. Data aktivitas otak menunjukkan kurva dengan kemiringan negatif, ketika pada frekuensi rendah amplitudonya lebih tinggi, dan pada frekuensi tinggi intensitasnya menurun secara eksponensial. Bentuk ini disebut 1 / f, mengisyaratkan rasio terbalik dari frekuensi dan amplitudo. Ahli saraf tertarik pada apa yang dapat diceritakan horizontal atau kemiringan grafik ini tentang proses yang terjadi di otak.
Menganalisis EEG dengan cara ini seperti melihat rekaman suara yang dibuat di jembatan kereta api yang dilemparkan ke jalan raya, seperti yang dia katakan Lawrence Ward , seorang ahli saraf kognitif di University of British Columbia. Gemuruh ban dari mobil yang lewat secara acak menghasilkan suara latar aperiodik, dan peluit kereta terjadwal setiap 10 menit akan memberikan sinyal periodik dengan volume puncak melebihi kebisingan latar belakang. Suara tunggal yang tiba-tiba seperti klakson atau tabrakan mobil akan menghasilkan ledakan suara yang nyata, berkontribusi pada kemiringan 1 / f.
Para ilmuwan telah akrab dengan fenomena ini sejak 1925, dari pekerjaanJohnson dari Bell Telephone Laboratories, yang mempelajari kebisingan tabung vakum. Ilmuwan Jerman Hans Berger menerbitkan EEG manusia pertama hanya empat tahun kemudian. Dalam dekade berikutnya, ilmu saraf menjadi terpesona oleh gelombang periodik yang nyata hadir dalam aktivitas otak. Pada saat yang sama, fluktuasi tipe 1 / f ditemukan di semua jenis kebisingan listrik, aktivitas pasar saham, ritme biologis, dan bahkan dalam musik - dan tidak ada yang tahu mengapa.
Aktivitas otak 1 / f aperiodik (atas) diubah menjadi satu set gelombang frekuensi yang berbeda (di tengah) menggunakan transformasi Fourier, dan kemudian spektrum daya diplot pada grafik (bawah).
Mungkin karena universalitas fenomena ini, banyak ahli biologi menolak gagasan bahwa sinyal yang berguna dapat diekstraksi dari karakteristik aktivitas 1 / f. Mereka percaya bahwa instrumen ilmiah bisa menjadi penyebab kebisingan ini, seperti yang ditulis Biyu Khe , profesor ilmu saraf, neurobiologi dan fisiologi di Fakultas Kedokteran Universitas New York Grossman, dalam ulasannya tahun 2014.
Namun, He dan yang lainnya telah menyanggah kecurigaan ini dengan bereksperimen dengan suara terkontrol dari alat ukur. Kebisingan ini ternyata jauh lebih sedikit daripada aktivitas otak. Dalam makalah tahun 2010 di majalah Neuron, Dia dan rekan-rekannya juga menemukanbahwa, meskipun plot EEG, gelombang seismik kerak bumi dan fluktuasi harga saham menunjukkan tren 1 / f, struktur statistik tingkat tinggi mereka berbeda. Karya ini menantang gagasan bahwa sinyal aperiodik diciptakan oleh beberapa hukum alam terpadu.
Namun, masalah tersebut pada akhirnya belum terselesaikan. Ward telah menemukan kesamaan matematika dalam berbagai konteks, dan percaya bahwa mereka harus didasarkan pada sesuatu yang secara fundamental umum. Either way, Ward dan Dia setuju bahwa ada baiknya masuk lebih dalam ke penginderaan otak.
“Selama beberapa dekade, aktivitas otak dalam kemiringan 1/f dianggap tidak penting dan seringkali dihilangkan begitu saja dari analisis untuk menekankan fluktuasi periodik,” tulisnya dalam makalah tahun 2014. "Namun, ada semakin banyak bukti bahwa aktivitas otak non-periodik merupakan kontributor utama fungsi otak."
Sinyal baru dari kebisingan
Wojtek menemukan topik sinyal aperiodik hampir secara tidak sengaja: pertama dia ingin membangun model yang menghilangkan white noise dari EEG. Tapi, menggali lebih dalam ke hutan kode yang bekerja dengan data, dia menjadi tertarik pada apa yang dikandungnya.
Sebuah studi tahun 2015 oleh Wojtek dengan supervisor penelitiannya Robert Knight , seorang profesor ilmu saraf di Berkeley, menggambarkan bagaimana lebih banyak aktivitas aperiodik terjadi di otak orang yang lebih tua daripada orang dewasa yang lebih muda. Wojtek dan Knight melihat bahwa white noise mulai mendominasi di otak seiring bertambahnya usia. Mereka juga menemukan korelasi antara kebisingan ini dan gangguan memori terkait usia.
Wojtek ingin memberikan perangkat lunak ahli saraf yang dapat secara otomatis memisahkan fitur periodik dan aperiodik dalam data, termasuk. dikumpulkan sejak lama, dan membantu peneliti menemukan tren 1 / f yang berarti. Dan dia dan tim menulis program seperti itu.
Permintaan untuk alat semacam itu segera terlihat. Setelah publikasiprogram di situs biorxiv.org pada 11 April 2018, diunduh hampir 2000 kali dalam sebulan - cukup banyak untuk alat komputasi khusus dari bidang ilmu saraf. Pada bulan November tahun itu, Wojtek membuat presentasi kepada komunitas ilmu saraf yang menjelaskan cara menggunakan program ini. Karena popularitasnya yang besar, ia mengadakan seminar di mana, bersama dengan tim, ia membantu puluhan ilmuwan yang tertarik untuk menangani program tersebut. Sebagai hasil dari lokakarya dan pesan berikutnya, kolaborasi baru mulai terbentuk.
Salah satunya telah dikaitkan dengan penelitian tentang gejala gairah saat tidur, yang diterbitkan olehLandner pada Juli 2020 di majalah eLife. Menggunakan program ini, Landner dan rekan-rekannya menemukan bahwa dalam kebisingan aperiodik yang direkam dalam EEG subjek, aktivitas frekuensi tinggi dalam fase tidur REM turun lebih cepat daripada saat terjaga. Dengan kata lain, kemiringan spektrum daya lebih besar.
Spektogram aktivitas otak selama tidur. Grafik putih melacak perubahan kemiringan spektrum
Dalam karya mereka, Landner dkk berpendapat bahwa sinyal aperiodik dapat berfungsi sebagai karakteristik unik yang cocok untuk menggambarkan keadaan kesadaran manusia. Penanda baru seperti itu dapat membantu dalam pemberian anestesi dan perawatan orang yang koma.
Publikasi lain yang menggunakan kode Wojtek mencakup studi tentang kemanjuran pengobatan untuk gangguan defisit perhatian dan perbedaan aktivitas otak pada individu autis berdasarkan jenis kelamin. Kode ini pertama kali diterbitkan dalam jurnal peer-review Nature Neuroscience pada November 2020. Pekerjaan kode didemonstrasikan pada data simulasi.
Natalie Shavoronkov , seorang postdoc di laboratorium Wojtek, biasanya mempelajari osilasi periodik seperti gelombang alfa. Mereka, dalam kata-katanya, "lebih indah daripada sinyal aperiodik." Namun, baru-baru ini, beralih ke studi tentang otak bayi dan sinyal listrik yang menjadi ciri perkembangan kognitif mereka, dia menghadapi masalah: bayi tidak menghasilkan gelombang alfa yang elegan. Bagaimana dan kapan gelombang ini mulai muncul adalah pertanyaan terbuka.
Menggunakan algoritma Wojtek, dia menganalisis data EEG terbuka dari otak bayi. Dalam sebuah makalah baru yang diterbitkan di Developmental Cognitive Neuroscience, dia dan Wojtek menggambarkan perubahan signifikan yang mereka temukan dalam tujuh bulan pertama kehidupan seorang anak. Namun, penelitian lebih lanjut perlu dilakukan untuk memahami apakah aktivitas ini terkait dengan keterlibatan anak dalam tugas yang berkaitan dengan perkembangan otak, atau hanya muncul dari peningkatan kepadatan materi abu-abu.
Kode Wojtek telah melahirkan banyak penelitian baru, tetapi ini bukan satu-satunya contoh analisis kebisingan aperiodik. Pada tahun 2015, ketika Haiguang Wen dari Nvidia dan Zhongming Liu dari Universitas Michigan berada di Universitas Purdue, mereka menerbitkan contoh lain dari pendekatan untuk mengisolasi komponen periodik dan aperiodik dari aktivitas otak - analisis spektral auto-resampling tidak teratur (IRASA). Dan Biyu He mengerjakan masalah ini bahkan sebelum kedua alat ini muncul - seperti yang dilakukan ahli saraf Walter Freeman yang baru saja meninggal, yang karyanya terinspirasi oleh Wojtek. Omong-omong, tugas ini dapat dilakukan secara manual, meskipun akan memakan waktu lebih lama.
Pentingnya memiliki alat untuk memudahkan ahli saraf menganalisis data adalah bahwa data itu sendiri hanyalah kumpulan angka yang dikumpulkan selama periode waktu tertentu. Dengan sendirinya, grafik tidak mengatakan apa-apa tentang apakah otak bekerja dengan baik atau tidak.
“Dalam ilmu saraf, interpretasi adalah kuncinya. Berdasarkan ini, kami membuat keputusan tentang pengobatan atau pengembangan obat, ”kata Wojtek. Menurutnya, sejumlah besar data yang terakumulasi dalam literatur berpotensi menghasilkan ide-ide baru setelah mengolahnya dengan cara baru. "Kami tidak memproses data ini cukup dalam."
Apa artinya?
Hambatan utama untuk mempelajari sinyal aperiodik ini adalah kenyataan bahwa tidak ada yang tahu persis apa yang memunculkan sinyal tersebut. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk mengklarifikasi kontribusi berbagai neurotransmiter, sirkuit saraf, dan interaksi jaringan saraf, kata Sylvain Baile , profesor ilmu saraf dan bedah saraf, teknologi biomedis dan ilmu komputer di McGill University.
"Alasan dan sumbernya belum ditentukan," kata Baile. "Namun, penelitian harus dilakukan untuk mengumpulkan pengetahuan dan pengamatan."
Satu teori adalah bahwa sinyal aperiodik mencerminkan keseimbangan halus antara gairah dan penekanan yang dibutuhkan otak untuk berfungsi dengan sehat dan penuh semangat. Terlalu banyak kegembiraan dapat membebani otak; terlalu banyak penekanan dapat membuatnya tertidur.
Knight percaya bahwa penjelasan seperti itu tidak jauh dari kebenaran. "Saya tidak akan mengatakan bahwa saya yakin bahwa ini adalah karena perubahan rasio gairah dan penekanan, tapi saya pikir ini adalah penjelasan yang paling mungkin," - katanya.
Penjelasan alternatif adalah bahwa sinyal aperiodik adalah konsekuensi dari organisasi fisik otak.
Berdasarkan bagaimana perilaku 1 / f memanifestasikan dirinya dalam sistem fisik lainnya, Ward menyimpulkan bahwa ada sistem struktural-hierarki tertentu di otak yang menghasilkan aktivitas aperiodik. Ini, misalnya, bisa menjadi konsekuensi dari bagaimana sejumlah besar neuron dikelompokkan, kemudian membentuk wilayah yang lebih besar yang bekerja secara serempak.
Aktivitas otak ini mungkin ideal untuk memproses data sensorik, karena data tersebut sering menunjukkan fluktuasi 1 / f. Dalam sebuah studi 2018 yang diterbitkan olehdalam The Journal of Neuroscience, meneliti bagaimana otak memprediksi suara yang strukturnya mengandung 1 / f, dan bagaimana aktivitas aperiodik terlibat dalam pemrosesan dan prediksi rangsangan alami. Tidak mengherankan bahwa musik apa pun, dari Bach hingga jazz, juga dapat berisi fitur 1 / f - lagi pula, otak manusia menciptakan musik.
Wojtek mengatakan bahwa untuk menguji hipotesis asal usul sinyal aperiodik, perlu mempelajari berbagai jenis aktivitas saraf dengan cermat. Ahli saraf kemudian dapat mencoba menghubungkan daerah otak dengan fisiologi umum untuk lebih memahami mekanisme saraf mana yang menghasilkan pola aktivitas tertentu, dan untuk memprediksi bagaimana sinyal aperiodik dan periodik akan terlihat pada berbagai gangguan otak.
Wojtek juga berharap untuk melakukan lebih banyak penelitian skala besar dengan menerapkan kodenya ke kumpulan data yang ada, yang akan memunculkan sinyal yang sebelumnya tidak terlihat.
Landner dan Knight saat ini sedang menganalisis data dari pasien koma di Universitas Alabama untuk melihat apakah aktivitas otak ini berkorelasi dengan perkembangan koma. Mereka memprediksi bahwa ketika seseorang keluar dari koma, peningkatan aktivitas otak frekuensi tinggi akan memanifestasikan dirinya dalam bentuk perubahan kemiringan grafik 1 / f. Hasil awal terlihat menjanjikan, katanya.
Bagi Baile, sinyal otak aperiodik agak mengingatkan pada materi gelap - bingkai Semesta yang tidak terlihat yang berinteraksi dengan materi normal hanya melalui gravitasi. Kita tidak tahu terdiri dari apa, dan apa sifat-sifatnya, tetapi ia hadir di latar belakang surgawi, secara tak kasat mata menjaga Bima Sakti agar tidak membusuk.
Para ilmuwan belum menemukan apa yang menyebabkan sinyal aperiodik ini, tetapi mereka juga mungkin merupakan cerminan dari struktur bantu vital alam semesta yang terkandung di kepala kita. Sesuatu yang misterius dapat membantu mengalihkan pikiran kita dari setengah tertidur.