Ilmu Saraf di Balik “Ilusi Kontinuitas”

Penelitian baru tentang ilusi kontinuitas mengungkapkan bagaimana otak merasakan gerakan halus, menekankan pentingnya kolikulus superior dan menyarankan pendekatan baru untuk penelitian ilmu saraf dan praktik klinis.

Sebuah studi yang dilakukan oleh tim di Champalimaud Foundation (CF) telah memberikan pencerahan baru tentang superior colliculus (SC), struktur otak yang terletak di bagian dalam yang sering dibayangi oleh tetangganya yang lebih menonjol di korteks. Temuan mereka mengungkapkan bagaimana SC dapat memainkan peran penting dalam cara hewan memandang dunia yang bergerak, dan menyoroti “ilusi kesinambungan,” sebuah proses persepsi penting yang menjadi bagian integral dari banyak aktivitas kita sehari-hari, mulai dari mengemudi kendaraan hingga menonton film.

Memahami Ilusi Kontinuitas

Bayangkan menonton film. Gambar bergerak yang Anda lihat sebenarnya adalah rangkaian bingkai statis yang ditampilkan dengan cepat. Ini adalah ilusi kesinambungan kerja, di mana otak kita menganggap serangkaian kilatan cepat sebagai gerakan yang halus dan terus menerus. Fenomena ini tidak hanya penting bagi kita untuk menikmati film, tetapi juga merupakan aspek mendasar dalam cara semua mamalia, mulai dari manusia hingga tikus, memahami dinamika dunia di sekitar mereka. Studi dari CF's Shemesh Lab, diterbitkan hari ini (12 Februari) di Komunikasi Alammenyelidiki bagaimana ilusi ini dikodekan di otak.

Ilmu Persepsi

Kecepatan kilatan cahaya harus terjadi agar otak kita dapat melihatnya sebagai cahaya yang konstan, bukan berkedip-kedip, dikenal sebagai ambang batas Flicker Fusion Frequency (FFF). Ambang batas ini bervariasi antar hewan; misalnya, burung, yang perlu melihat gerakan cepat, memiliki ambang batas yang lebih tinggi dibandingkan manusia, yang berarti mereka masih dapat melihat cahaya berkedip-kedip, bukan terus-menerus, bahkan saat lampu berkedip sangat cepat. Ambang batas FFF juga penting di alam, misalnya dalam interaksi predator-mangsa, dan dapat dipengaruhi oleh penyakit tertentu seperti gangguan hati atau kondisi mata seperti katarak.

Menariknya, berbagai metode untuk mengukur ambang batas ini, seperti mengamati perilaku hewan atau mencatat aktivitas listrik di mata atau korteks (lapisan luar otak yang memproses apa yang kita lihat), dapat memberikan hasil yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa bagian otak lain juga berperan dalam cara kita merasakan kilatan cahaya.

Dalam studi ini, peneliti menggabungkan MRI fungsional (fMRI) pemindaian otak, eksperimen perilaku, dan rekaman listrik aktivitas otak untuk memahami cara kerja proses ini. Temuan mereka menunjukkan bahwa SC sangat penting dalam transisi dari melihat kilatan individu ke gerakan halus, dan mungkin merupakan komponen kunci dalam penciptaan ilusi kontinuitas.

Serangan Tiga Cabang

“Proyek ini sebenarnya merupakan upaya percontohan, dan dimulai dari percakapan antara dua mahasiswa PhD di CF,” kata Noam Shemesh, penulis senior studi tersebut. “Rita Gil, seorang mahasiswa di lab saya, sedang mengeksplorasi respons otak tikus terhadap frekuensi cahaya berbeda dengan MRI. Diskusinya dengan Mafalda Valente, di laboratorium Alfonso Renart, mengarah pada pengembangan tugas perilaku di mana tikus dilatih untuk membedakan antara kilatan cahaya dan cahaya terus menerus.

Dengan menggunakan MRI dan data perilaku, mereka juga mencatat aktivitas listrik otak selama rangsangan cahaya. Pendekatan ini memungkinkan mereka mengukur dan membandingkan ambang FFF menggunakan tiga metode berbeda: MRI, eksperimen perilaku, dan elektrofisiologi. Pendekatan multimodal ini jarang terjadi, dan itulah yang membedakan penelitian ini. Kami juga berterima kasih kepada Alfonso Renart atas diskusi menarik yang berkontribusi pada penelitian ini.”

Menjembatani Data Perilaku dan Biologis

Untuk percobaan fMRI, tikus diperlihatkan rangsangan visual pada frekuensi mulai dari rendah hingga tinggi. Untuk meminimalkan pergerakan dan memastikan pencitraan otak stabil, hewan-hewan tersebut dibius ringan.

“fMRI adalah teknik non-invasif yang melacak perubahan aliran darah, yang merupakan indikasi aktivitas saraf di otak,” jelas Gil. “Salah satu keunggulan fMRI adalah kemampuannya memetakan aktivitas otak di seluruh jalur visual, sekaligus menangkap aktivitas dari berbagai wilayah.”

Tujuannya adalah untuk mengamati bagaimana otak beralih dari persepsi kilatan cahaya individu (penglihatan statis) ke aliran cahaya yang terus menerus (penglihatan dinamis), dan untuk menentukan bagian otak mana yang terlibat.

“Saat kami mengamati SC,” kata Gil, “kami menemukan respons yang sangat berbeda berdasarkan frekuensi rangsangan visual. Ketika frekuensi rangsangan visual meningkat, menuju persepsi cahaya terus menerus, terjadi pergeseran respons SC dari sistem sinyal fMRI positif ke negatif.”

Sinyal positif mencerminkan peningkatan aktivitas saraf, sedangkan sinyal negatif berpotensi menunjukkan sebaliknya. Berdasarkan pengamatan ini, hipotesis mulai terbentuk: mungkinkah transisi dari penglihatan statis ke dinamis dalam ilusi kontinuitas melibatkan penekanan aktivitas di SC?

Untuk menjawab pertanyaan ini, mereka selanjutnya beralih ke eksperimen perilaku. Tikus dilatih dalam kotak yang dirancang khusus, di mana mereka belajar untuk pergi ke satu sisi jika mereka melihat cahaya yang berkedip-kedip, dan ke sisi lain jika mereka pikir cahaya itu terus menerus. Pilihan yang benar diberi hadiah air untuk memperkuat pembelajaran. Dengan memvariasikan frekuensi cahaya yang ditampilkan, tim mencatat pada titik mana tikus merasakan cahaya berkedip terus menerus.

Ketika mereka membandingkan data perilaku dengan data fMRI, mereka membuat penemuan yang mengejutkan: perubahan sinyal fMRI positif ke negatif di SC pada frekuensi tertentu sesuai dengan frekuensi di mana perilaku tikus merasakan perubahan dari cahaya berkedip ke cahaya terus menerus.

Mengingat SC menunjukkan korelasi terkuat antara perilaku dan data fMRI dibandingkan dengan area otak lainnya, para peneliti menargetkannya untuk rekaman elektrofisiologi, yang secara langsung mengukur aktivitas listrik neuronnya. Mereka menggunakan obat penenang ringan untuk menjaga konsistensi dengan kondisi fMRI. Tujuan mereka adalah untuk lebih memahami mekanisme saraf spesifik yang terlibat ketika tikus merasakan kilatan cahaya versus cahaya terus menerus. Apakah sinyal positif dan negatif yang terdeteksi di fMRI terkait dengan aktivitas dan penekanan saraf, seperti yang dihipotesiskan?

Pada frekuensi cahaya rendah di mana tikus membedakan kilatan cahaya, para peneliti mengamati peningkatan aktivitas saraf yang terkait dengan setiap kilatan cahaya. Pada frekuensi yang lebih tinggi yang dianggap sebagai cahaya kontinu, respons saraf terhadap kilatan individu ini berkurang, dan sebaliknya, terdapat respons yang lebih jelas pada awal dan akhir rangsangan cahaya. Secara khusus, terdapat penekanan aktivitas saraf antara puncak awal (onset) dan akhir (offset).

Valente mencatat, “Pengukuran aktivitas listrik kami di SC sesuai dengan data fMRI kami, yang menunjukkan puncak permulaan dan offset di sekitar sinyal negatif pada frekuensi yang lebih tinggi. Rekaman elektrofisiologi ini mendukung gagasan bahwa sinyal positif dan negatif yang direkam dalam fMRI masing-masing mewakili aktivitas dan penekanan saraf. Tampaknya penindasan ini terjadi ketika hewan memasuki mode penglihatan dinamis, yang berpotensi menjadi penyebab utama fusi kedipan dan ilusi kontinuitas.”

Merefleksikan penelitian tersebut, Valente berbagi, “Yang benar-benar mengejutkan kami adalah betapa miripnya sinyal fMRI di SC dengan data perilaku, bahkan lebih mirip dengan sinyal di korteks, yang biasanya dilihat sebagai area pemrosesan visual utama pada mamalia. . Hal yang sama mengejutkannya adalah menemukan pola yang sama pada SC bahkan setelah kami dengan sengaja menonaktifkan korteks, yang menunjukkan bahwa sinyal-sinyal ini berasal dari SC itu sendiri dan bukan sekadar hasil aktivitas dari korteks.”

Gil melanjutkan, “Hal ini menunjukkan peran SC sebagai pendeteksi hal-hal baru. Misalnya, pada frekuensi cahaya yang lebih rendah, setiap kilatan tampaknya diproses sebagai peristiwa baru oleh SC. Namun, ketika frekuensinya meningkat melebihi titik tertentu, SC tampaknya memutuskan bahwa stimulus tersebut tidak lagi baru atau penting, sehingga menyebabkan penurunan aktivitas. Hal ini mungkin menjelaskan pola peningkatan aktivitas pada awal dan akhir stimulasi frekuensi tinggi, dengan periode penekanan di antaranya.”

Implikasi dan Arah Masa Depan

“Temuan kami memberikan peta jalan tentang bagaimana eksperimen ilmu saraf dapat dilakukan di masa depan,” simpul Shemesh. “Dengan menggunakan fMRI untuk menyajikan rangsangan, para peneliti dapat secara efisien menentukan wilayah otak mana yang menjadi fokus untuk studi elektrofisiologi yang lebih rinci. Pendekatan ini tidak hanya menghemat waktu dan sumber daya tetapi juga memanfaatkan kekuatan fMRI dalam mencerminkan aktivitas populasi di wilayah otak. Meskipun tidak memberikan rincian aktivitas sel tunggal, kemampuan fMRI untuk menunjukkan gambaran yang lebih besar – apakah terdapat lebih banyak aktivasi atau penekanan otak – menjadikannya langkah awal yang berharga dalam memandu eksperimen di masa depan.”

Para penulis percaya bahwa temuan mereka memiliki relevansi untuk aplikasi klinis. Dalam kasus individu dengan gangguan penglihatan, penyakit saraf optik, atau kondisi seperti autisme dan stroke, penelitian ini menawarkan jalan baru untuk penilaian dan pengobatan potensial terhadap disfungsi penglihatan. Dengan menentukan dan membandingkan ambang batas FFF pada individu-individu ini dengan populasi yang sehat, dan mengamati bagaimana ambang batas ini berkembang, kita dapat mengukur kemampuan adaptasi wilayah otak tertentu. Hal ini dapat mengarah pada pemahaman tentang area otak mana yang masih dapat menerima pengobatan, sehingga membuka jalan bagi pengembangan intervensi terapeutik yang ditargetkan.

Ke depan, para peneliti bertujuan untuk mengidentifikasi tipe sel spesifik mana di SC yang bertanggung jawab atas aktivitas yang mereka amati. Tujuan mereka yang lebih luas adalah untuk memperdalam pemahaman kita tentang peran berbagai wilayah otak dalam jalur visual, menggabungkan teknik eksperimental seperti lesi yang ditargetkan atau deprivasi penglihatan serta studi MRI.

Strategi-strategi ini menjanjikan untuk memberikan wawasan yang lebih mendalam mengenai kemampuan beradaptasi dan fungsi wilayah visual, meningkatkan model kami saat ini tentang bagaimana setiap wilayah berkontribusi terhadap persepsi visual. Jadi, lain kali Anda menonton film, dan mengalami ilusi pergerakan cairan dari rangkaian bingkai yang cepat, luangkan waktu sejenak untuk memikirkan proses kompleks yang terjadi di otak Anda, dan upaya penelitian berkelanjutan untuk mengungkapnya.

Referensi: “Kolikulus superior tikus mengkodekan transisi antara mode penglihatan statis dan dinamis” 12 Februari 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-44934-8