Bagian Otak Yang Mengontrol Gerakan Juga Memandu Perasaan | Majalah Kuanta

Dalam beberapa dekade terakhir, ilmu saraf telah mengalami kemajuan yang menakjubkan, namun bagian penting dari otak masih tetap menjadi misteri. Yang saya maksud adalah otak kecil, yang dinamakan demikian dari bahasa Latin yang berarti “otak kecil”, yang letaknya seperti sanggul di bagian belakang otak. Ini bukan kesalahan kecil: Otak kecil mengandung tiga perempat dari seluruh neuron otak, yang tersusun dalam susunan hampir seperti kristal, berbeda dengan kumpulan neuron kusut yang ditemukan di tempat lain.

Artikel ensiklopedia dan buku teks menggarisbawahi fakta bahwa fungsi otak kecil adalah untuk mengontrol pergerakan tubuh. Tidak diragukan lagi bahwa otak kecil mempunyai fungsi ini. Namun para ilmuwan sekarang menduga bahwa pandangan lama ini tidak benar.

Atau begitulah yang saya pelajari pada bulan November di Washington, DC, saat menghadiri Pertemuan tahunan Society for Neuroscience, pertemuan ahli saraf terbesar di dunia. Di sana, sepasang ahli saraf mengorganisasi a simposium pada fungsi otak kecil yang baru ditemukan yang tidak berhubungan dengan kontrol motorik. Teknik eksperimental baru menunjukkan bahwa selain mengendalikan gerakan, otak kecil juga mengatur perilaku kompleks, interaksi sosial, agresi, memori kerja, pembelajaran, emosi, dan banyak lagi.

Retak dalam Kebijaksanaan Dominan

Keterhubungan antara otak kecil dan gerak telah diketahui sejak abad ke-19. Pasien yang menderita trauma pada bagian otak jelas mengalami kesulitan dalam keseimbangan dan gerakan, sehingga tidak diragukan lagi bahwa hal ini penting untuk mengoordinasikan gerakan. Selama beberapa dekade, ahli saraf mengembangkan pemahaman rinci tentang bagaimana sirkuit saraf unik otak kecil mengontrol fungsi motorik. Penjelasan tentang cara kerja otak kecil tampaknya tidak jelas.

Kemudian, pada tahun 1998, di jurnal Otak, ahli saraf melaporkan cacat emosional dan kognitif yang luas pada pasien dengan kerusakan pada otak kecil. Misalnya, pada tahun 1991, seorang mahasiswi berusia 22 tahun terjatuh saat bermain ice skating; CT scan menunjukkan adanya tumor di otak kecilnya. Setelah operasi pengangkatannya, dia menjadi orang yang benar-benar berbeda. Mahasiswa cerdas ini telah kehilangan kemampuannya dalam menulis dengan mahir, melakukan aritmatika mental, menyebutkan nama benda-benda umum, atau menyalin diagram sederhana. Suasana hatinya menjadi datar. Dia bersembunyi di balik selimut dan berperilaku tidak pantas, membuka pakaian di koridor dan berbicara dalam bahasa bayi. Interaksi sosialnya, termasuk mengenali wajah-wajah yang dikenalnya, juga terganggu.

Kasus ini dan kasus serupa membingungkan penulis. Fungsi kognitif dan emosional tingkat tinggi ini diketahui berada di korteks serebral dan sistem limbik. “Persisnya apa peran otak kecil itu, dan bagaimana otak kecil melaksanakannya, masih belum diketahui,” mereka menyimpulkan.

Meskipun ada petunjuk dari studi klinis bahwa kebijaksanaan konvensional berada pada jalur yang salah, otoritas terkemuka masih bersikeras bahwa fungsi otak kecil adalah untuk mengendalikan pergerakan dan tidak lebih. “Agak menyedihkan karena sudah 20 tahun berlalu [sejak kasus-kasus ini dilaporkan],” katanya Diasynou Fioravante, seorang ahli neurofisiologi di Universitas California, Davis, yang ikut menyelenggarakan simposium konferensi.

Ahli saraf lain telah memperhatikan defisit neuropsikiatri pada pasien mereka selama ini, kata ahli saraf tersebut Stephanie Rudolph dari Albert Einstein College of Medicine, yang ikut menyelenggarakan simposium dengan Fioravante. Namun, tidak ada bukti anatomi yang kuat tentang bagaimana sirkuit saraf otak kecil yang unik dapat mengatur fungsi psikologis dan emosional yang dilaporkan, sehingga laporan klinis diabaikan.

Sekarang, pemahaman yang lebih baik tentang sirkuit otak kecil membuktikan bahwa studi kasus tersebut benar dan kebijaksanaan dominan salah.

Pengkabelan Presisi

Grafik pola pengkabelan di otak kecil diorganisasikan dan dipadatkan secara tepat untuk memusatkan tiga perempat neuron otak ke dalam lobus berukuran 4 inci. Jenis neuron utama di otak kecil, yang disebut sel Purkinje, bercabang luas seperti karang kipas, namun pipih dan hampir dua dimensi. Bilah kipas adalah dendrit neuron yang menerima sinyal masuk. Neuron datar ini tersusun secara paralel, seolah-olah jutaan karang kipas bertumpuk satu sama lain dalam satu ikatan yang rapat. Ribuan neuron kecil menjalankan akson – kabel transmisi otak untuk impuls listrik – secara tegak lurus melalui tumpukan dendrit, seperti benang pada alat tenun. Setiap akson terhubung dengan dendrit dari puluhan ribu sel Purkinje.

Tingkat interkonektivitas ini memberikan 50 miliar neuron otak kecil kapasitas integrasi yang luar biasa. Sirkuit ini, yang unik pada otak kecil, dapat mengolah sejumlah besar data yang masuk dari indera untuk mengatur pergerakan tubuh. Pergerakan cair seorang balerina yang melompat melintasi panggung membutuhkan otak kecil untuk memproses informasi dengan cepat dari semua indra sambil melacak perubahan posisi anggota tubuh, menjaga keseimbangan, dan memetakan ruang yang dilalui tubuh bergerak. Otak kecil menggunakan informasi dinamis tersebut untuk mengendalikan otot dengan waktu yang tepat, dan melakukannya dalam konteks sosial yang tepat, didorong oleh emosi dan motivasi.

Fioravante dan Rudolph memberi tahu saya bahwa para ilmuwan saraf kini menyadari bahwa sirkuit saraf yang kuat di otak kecil yang mengintegrasikan informasi untuk pergerakan tubuh juga melengkapinya untuk menangani proses mental dan perilaku yang kompleks.

“Contohnya, saat ini,” Rudolph menjelaskan saat kami berbincang sebelum simposium dimulai, “Anda bertanya, dan kami memberikan jawaban. Itu adalah perilaku yang kompleks.” Dia perlu memahami ucapan saya, merumuskan respons, dan kemudian menggunakan otot untuk menghasilkan kata-kata. Dia juga harus memahami bahasa tubuh saya dan isyarat halus lainnya. “Kamu sekarang sedang mengangguk-angguk misalnya, jadi dari sini saya dapat menyimpulkan bahwa kamu mendengarkan dan tertarik,” ujarnya.

Saya belum sepenuhnya memahami kompleksitas kendali motorik yang diperlukan untuk berbicara sebelumnya. Fisiknya tidak hanya mencakup senam lidah dan bibir yang rumit — untuk menghasilkan suara serta mengatur nada dan volume — tetapi juga gerak tubuh. Kata-kata kita diatur waktunya sehingga kita tidak membicarakan orang lain, dan kata-kata tersebut diatur sesuai konteks sosial: diresapi dengan emosi yang tepat dan didorong oleh motivasi, pemikiran, antisipasi, dan suasana hati.

Mengkoordinasikan beragam fungsi ini memerlukan pemanfaatan hampir semua hal yang dilakukan otak – mulai dari pengaturan detak jantung dan tekanan darah, yang dilakukan di wilayah otak bagian dalam, hingga pemrosesan informasi sensorik dan emosional, yang dilakukan oleh sistem limbik. Hal ini juga memerlukan keterlibatan fungsi kognitif tingkat tertinggi yaitu pemahaman, penghambatan, dan pengambilan keputusan di korteks serebral prefrontal.

Agar otak kecil dapat melakukan hal tersebut, otak kecil harus memiliki koneksi yang menjangkau seluruh otak. Sampai saat ini, bukti mengenai hal tersebut masih kurang, namun teknik-teknik baru mampu mengungkap jalur-jalur tersebut.

Pusat Masukan Sensorik

Beberapa dekade yang lalu, ketika ahli neuroanatomi memetakan otak, mereka tidak dapat menemukan hubungan langsung dari otak kecil ke wilayah otak yang mengontrol emosi dan kognisi, seperti sistem limbik dan korteks prefrontal. Hal ini membuat mereka percaya bahwa otak kecil agak terisolasi dan tidak terlibat dalam fungsi kognitif yang lebih tinggi. Namun seperti halnya bandit yang menghindari pelacak dengan berganti kendaraan, sinyal saraf juga dapat berpindah dari satu neuron ke neuron berikutnya. Tindakan rahasia ini membuat ahli neuroanatomi keluar dari jejak otak kecil.

Metode baru telah memungkinkan ahli neuroanatomi melacak jalur tersebut dari otak kecil melintasi titik relai, dan mengikutinya ke seluruh otak. Para peneliti, misalnya, dapat menanam virus rabies di neuron untuk melihat secara tepat neuron mana yang mereka hubungi. Mereka telah merekayasa protein fluoresen secara genetis untuk menyala ketika impuls saraf terpicu sehingga mereka dapat melihat arus lalu lintas di sirkuit saraf. Mereka juga dapat melacak jejak kaki yang ditinggalkan oleh lalu lintas saraf: Munculnya protein yang dihasilkan ketika neuron aktif dapat membantu mengidentifikasi semua sel yang berkomunikasi dalam jaringan saraf ketika perilaku tertentu dilakukan.

Pada simposium tersebut, para peneliti berbagi berbagai temuan baru yang menarik yang diungkapkan melalui metode baru yang menunjukkan pemahaman mereka yang terus berkembang tentang otak kecil.

Jessica Verpeut dari Arizona State University melaporkan data yang menggambarkan jaringan koneksi otak kecil yang rumit dan luas yang diaktifkan di seluruh otak tikus ketika mereka bersosialisasi atau belajar melewati labirin.

Rudolph berbagi eksperimen yang menunjukkan bahwa perilaku ibu, yang dipelajari pada tikus betina yang merawat anak-anaknya, dipengaruhi oleh hormon yang bekerja pada otak kecil, terutama hormon oksitosin, yang meningkatkan ikatan ibu. Ketika mekanisme ini diganggu secara eksperimental, induknya tidak lagi merawat anak-anaknya.

Yi-Mei Yang dari University of Minnesota menunjukkan bahwa ketika dia mengganggu neuron otak kecil tertentu, tikus kehilangan minat untuk berinteraksi dengan tikus asing yang dimasukkan ke dalam kandangnya. Namun, mereka tidak mengalami kesulitan dalam berinteraksi dan mengingat benda mati baru. Hal ini menunjukkan kurangnya memori pengenalan sosial yang kompleks, serupa dengan apa yang dialami oleh orang autis.

Faktanya, otak kecil seringkali lebih kecil pada orang autis, dan Aleksandra Badura dari Erasmus University Medical Center di Rotterdam menyajikan data baru yang menunjukkan bahwa otak kecil terlibat dalam autisme karena merupakan pusat masukan sensorik, terutama untuk sinyal yang berkaitan dengan konteks sosial.

Penelitian baru ini lebih dari sekadar penelitian pada tikus. Andreas Thieme dari Rumah Sakit Universitas Essen di Jerman mempresentasikan uji klinis baru yang digunakan untuk mendiagnosis secara akurat gangguan emosional dan kognitif yang disebabkan oleh kerusakan otak kecil.

Studi baru dan inovatif ini menunjukkan bahwa selain mengendalikan gerakan, otak kecil juga mengatur perilaku sosial dan emosional yang kompleks. Untuk mencapai pengaruh global ini, otak kecil harus menjadi pusat pengolahan data dengan koneksi ke seluruh otak. Tidak heran ia memiliki begitu banyak neuron. Untuk mencapai perintah dan kendali tingkat tinggi ini sendiri, sebenarnya ia harus menggunakan otak kecil.