Sistem GPS Pada Otak

Banyak orang yang dengan mudah dapat menemukan jalan dan arah tujuannya. Namun, tidak sedikit pula yang menemui kesulitan dalam hal ini. Orang-orang dalam kategori pertama cenderung dengan mudah dapat menemukan jalan yang tepat pada kali kedua kunjungannya ke suatu tempat walaupun sebelumnya baru satu kali melewati tempat itu. Sementara itu, bagi orang-orang dari kategori dua akan kesulitan menemukan jalan yang tepat dan masih saja tersesat bahkan di tempat yang telah berkali-kali mereka kunjungi sekalipun. Sebagaimana ketika mereka memarkir mobil di suatu tempat parkir yang luas, menemukan kembali mobil itu menjadi hal yang tidak mudah untuk dilakukan. Dengan adanya perbedaan antara manusia satu dengan yang lainnya ini, manusia yang sehat jasmaninya akan menemukan arah dan tujuan mereka dengan tingkat keberhasilan tertentu. Lalu, dari mana kita tahu dimana posisi kita? Bagaimana kita bisa menemukan jalan yang menghubungkan antara satu tempat dengan tempat yang lain dan bagaimana pula kita dapat mengingat kembali jalan itu? Apakah di dalam otak kita terdapat semacam sistem pemosisi global (GPS)?

Para ilmuwan telah bertahun-tahun berkutat mencari tahu jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini. Profesor John O’Keefe, May-Britt Moser dan Edvard Moser adalah para ilmuwan yang telah berhasil menemukan kebenaran akan adanya sistem pemosisi global (GPS) di dalam otak dan dengan penemuan ini mereka meraih penghargaan Nobel di bidang kedokteran pada tahun 2014.

Sel-Sel Penentu Tempat/Pemosisi

Pemikiran yang menyatakan bahwa posisi dan ruang direpresentasikan di otak kita dalam bentuk peta dikemukakan oleh seorang psikolog berkebangsaan Amerika, Edward Tolman, pada tahun 1948. Namun, ia belum dapat menjelaskan di otak bagian manakah pemetaan ini berada dan bagaimana otak dapat mengkalkulasi perilaku yang rumit tersebut. Berkat kecanggihan teknologi, sinyal-sinyal (kilatan-kilatan cahayanya) yang dihasilkan oleh sel-sel otak hewan-hewan yang berkeliaran bebas di sekitar kita dapat direkam (1958) dan pendekatan untuk pertanyaan tersebut pun mulai menemukan titik terang.

Akhir tahun 1960an, O’Keefe yang saat itu bekerja sebagai peneliti di bidang psikologi fisiologis di Universitas McGill, Kanada, mulai melakukan observasi terhadap perilaku hewan. Selanjutnya O’Keefe pindah ke Universitas London dan di sanalah ia melakukan observasi pada perilaku tikus hingga akhirnya pada tahun 1971 ia berhasil menemukan bagian pertama dari sistem pemosisi global pada otak (sel-sel pemosisi).

Sel-sel ini menjadi aktif ketika menemui suatu tempat yang sebelumnya belum pernah ditemui. Sel-sel pemosisi yang berbeda akan menjadi aktif pada tempat-tempat yang berbeda-beda pula dan banyak kombinasi aktivitas sel yang sama yang dapat membentuk peta yang merepresentasikan suatu lingkungan tertentu. Sel-sel yang menjadi aktif di lingkungan dan waktu yang berbeda-beda akan membentuk kombinasi-kombinasi pemetaan di hipokampus. Kombinasi-kombinasi inilah yang menunjukkan terbentuknya beragam peta dalam otak. Pada penelitian selanjutnya O’Keefe juga menunjukkan bahwa sel-sel pemosisi atau penentu tempat tersebut juga memiliki fungsi memori.

Sel-Sel Grid

May-Britt Moser dan Edward Moser, dua ilmuwan yang meneliti tentang hipokampus, mengunjungi laboratorium tempat O’Keefe bekerja di London. Mereka kemudian meneliti apakah aktivitas-aktivitas di luar hipokampus dapat mempengaruhi aktifnya sel-sel pemosisi. Mereka kemudian menemukan bahwa pada lapisan Korteks Entorhinal Medial terdapat sel-sel yang berkomunikasi dengan sel-sel pemosisi yang terdapat pada hipokampus. Mereka menamai sel baru ini dengan nama Sel Grid (Struktur jaringan persegi) pada tahun 2005. Sel-sel Grid menunjukkan motif pola tembakan yang mengejutkan. Sel-sel ini aktif pada banyak tempat dan titik yang merupakan titik aktifnya adalah sudut-sudut persegi enam yang bentuknya seperti segi enam pada sarang madu. Sel-sel grid yang terletak di daerah yang sama, akan menghasilkan penembakan yang sesuai dengan struktur perseginya dan dengan jarak yang teratur namun dalam fase yang berbeda-beda. Dengan demikian sel-sel ini akan melingkupi setiap titik di lingkungannya.

Sel-sel grid memiliki cara untuk mengukur jarak yang akan ditempuh dan menambahkan sebuah skala pada pemetaan di hipokampus. Sel-sel grid mengarahkan sel-sel pemosisi dan sel-sel ini saling berinteraksi satu sama lain dengan sel-sel pemosisi. Sel-sel grid berperan dalam pembentukan pola tembak sel-sel pemosisi. Pada otak manusia terdapat struktur lapisan korteks Entorhinal-hipokampus yang berukuran besar. Di dalam struktur inilah sel-sel yang dimaksud dapat ditemukan.

Pentingnya Sel Grid dan Sel Pemosisi

Sel-sel ini bertugas untuk mengenali tempat dan merekamnya, termasuk menyimpan koordinat geografi tempat mahluk si empunya otak tersebut berada. Sel-sel ini secara berkesinambungan menyimpan informasi, mengingat, dan menemukan arah yang benar. Sel-sel grid memetakan ruang berdasarkan informasi yang diterimanya. Sementara itu, sel-sel pemosisi terdapat di atas sel-sel grid berupa sebuah lapisan. Oleh karena itu, kedua jenis sel ini merupakan bagian dari mekanisme molekul dasar yang teramat penting bagi sistem GPS otak. Sel grid dan sel pemosisi pada otak hewan juga berfungsi sebagai penunjuk posisi yang memiliki arti spesifik seperti posisi dimana hewan tersebut menyimpan makanannya. Petunjuk-petunjuk ini kemudian digunakan dalam penentuan arah (navigasi) dan penemuan target. Jika hipokampus tidak bekerja dengan baik, maka mustahil bagi manusia untuk mengetahui dimana tempat ia berada maupun jalan ke tempat yang ingin ditujunya. Dengan kecanggihan teknologi yang memungkinkan kita untuk melihat aktivitas otak, dapat terlihat bahwa hipokampus manusia menjadi lebih aktif ketika sedang berusaha untuk menemukan arah.

Dengan adanya sistem navigasi yang sempurna yang dibangun dari interaksi antara sel-sel grid dan sel-sel pemosisi dengan neuron-neuron yang lain inilah hewan-hewan dapat mengetahui kemana mereka pergi dan dimana mereka berada. Sel-sel grid akan menempatkan lingkungan yang belum dikenali dalam bentuk menyerupai alat pemanggang, kemudian membentuk peta-peta berbentuk segi enam dan membuat kodifikasinya. Seiring dengan digunakannya suatu lingkungan atau ruang, seperti halnya grid dimana terdapat titik-titik potong horizontal dan vertikal pada kertas grafik, terbentuklah peta dari ruang tersebut di dalam otak. Sel-sel grid membuat bahasa kode yang fleksibel. Pada sistem hierarki otak, kode grid merupakan sebuah fungsi yang terdapat pada bagian-bagian atasnya. Hal ini dikarenakan sel-sel ini tidak secara langsung menggunakan informasi yang didapat dari kelima indra. Sebagai contoh, pada korteks yang berkaitan dengan penglihatan, kode-kode itu akan bereaksi terhadap sejumlah sinar yang jatuh pada retina. Data-data yang berasal dari semua bagian otak akan masuk ke korteks entorhinal dan akan dikompilasi di dalam korteks ini dan dihasilkanlah pola-pola persegi enam. Pada fase ini, tentu saja berlaku kodifikasi tingkat tinggi. Kode-kode ini akan diterjemahkan dengan struktur tata bahasa yang dipahami oleh otak sehingga memungkinkan pemetaan objek-objek di luar otak (suara, cahaya, bau, posisi, dsb.) dan pengeksekusiannya.

Para ilmuwan menemukan fakta bahwa sel-sel grid menunjukkan pola tembak yang tetap saat gelap dan bahwa pola-pola ini juga tidak tergantung pada kecepatan maupun arah gerak hewan. Pada penelitian selanjutnya, ditemukan pula bahwa penempatan sel-sel grid sesuai dengan aturan-aturan matematika. Sel-sel yang menghasilkan grid-grid yang berukuran lebih kecil menempati bagian atas korteks entorhinal dan hanya memakan sedikit tempat, sedangkan sel-sel yang menghasilkan grid yang lebih besar menempati bagian bawah korteks. Lain halnya dengan sel-sel yang menghasilkan grid-grid dengan ukuran dan orientasi yang sama akan dihimpun dalam bentuk modul. Modul-modul ini ditata dengan pola bertingkat yang berurutan di sepanjang korteks entorhinal. Yang lebih misterius lagi ialah kenyataan bahwa ternyata ukuran grid yang direpresentasikan oleh modul dapat melebar dengan faktor pengali tetap yaitu 1.4 kali lipat di setiap tingkatannya. Pengaturan grid yang serupa juga diperkirakan terdapat pada otak manusia. Dengan demikianlah sel-sel grid dapat kemudian dibuat memproses informasi koordinat dan peta yang menunjukkan posisi dimana makhluk hidup si empunya otak tersebut berada (apakah berada di antara ruang ataukah di jalan, dsb.). Dengan demikian pulalah kita tidak akan kehilangan intuisi akan tempat dan arah serta ingatan kita akan suatu tempat pun akan tetap terjaga.

Fakta mengejutkan lain yang ditemukan oleh para pakar matematika teori adalah bahwa ternyata penggunaan motif segi enam merupakan cara terbaik untuk menghasilkan resolusi ruang yang paling tinggi dan paling memungkinkan dengan menggunakan sel grid seminimum mungkin. Motif segi enam ini menghemat energi dan fakta ini juga menunjukkan bahwa otak berikut segala bagian-bagiannya diciptakan dalam desain yang indah dan efisien.

Selain itu, sel-sel grid juga menjelaskan cara kerja ingatan kita. Saat kita tengah mengingat suatu peristiwa, sel-sel ini membantu kita dalam menjelaskan dan memahami bagaimana kita menghidupkan kembali ingatan kita akan jalan maupun tempat dimana suatu peristiwa terjadi. Penelitian juga menyebutkan bahwa sistem grid pada otak anak hewan masih belum matang. Baru setelah 3-4 minggu grid sistem tersebut akan matang seiring dengan interaksi dengan dunia luar dan mulai dapat menjalankan fungsinya. Sel-sel grid juga membantu kita mengerti tentang sistem memori dan penyakit-penyakit yang berhubungan dengan hilangnya daya ingat. Pada karakteristik khusus penderita Alzheimer yaitu hilangnya kemampuan mengingat tempat dan hubungan-hubungannya, yang pertama kali terkena dampaknya ialah korteks entorhinal. Beberapa sel-sel grid yang terdapat pada korteks entorhinal dianggap memiliki andil khusus dalam perkembangan penyakit Alzheimer.

Akhirnya dapat disimpulkan bahwa sistem GPS pada otak manusia merupakan suatu sistem yang kita pergunakan ketika mengingat tempat di sekitar kita dan ketika berusaha menemukan arah dan alamat di lingkungan yang kompleks. Setelah ini, ialah tugas para peneliti untuk menemukan bagian-bagian lain dari kodifikasi neural ini.

Artikel Sistem GPS Pada Otak pertama kali tampil pada Majalah Mata Air.