Otak manusia dimulai sebagai satu sel. Seiring waktu, sel tunggal ini menghasilkan organ yang luar biasa kompleks yang mengandung sekitar 170 miliar sel. Salah satu pertanyaan terbesar dalam ilmu saraf perkembangan adalah bagaimana semua sel ini berada di tempat yang tepat untuk membentuk otak yang berfungsi.
Para peneliti di Cold Spring Harbor Laboratory kini berpendapat bahwa jawabannya mungkin sangat sederhana. Karya baru mereka menawarkan wawasan tentang bagaimana otak menjadi terorganisir selama perkembangan dan berpotensi mempengaruhi penelitian di berbagai bidang mulai dari biologi hingga kecerdasan buatan.
Bagaimana sel-sel otak menentukan identitasnya
Stan Kerstjens, peneliti postdoctoral di laboratorium Profesor Anthony Zador, menjelaskan tantangan dalam hal informasi posisi.
“Satu-satunya hal yang ‘dilihat’ oleh sel adalah dirinya sendiri dan tetangganya,” jelasnya. “Tetapi nasibnya tergantung di mana ia berada. Sebuah sel yang berada di tempat yang salah akan menjadi hal yang buruk dan otak tidak akan berkembang dengan baik. Jadi setiap sel harus menyelesaikan dua pertanyaan: Di manakah saya? Dan saya harus menjadi siapa?”
Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di sarafKerstjens, Zador dan kolaborator dari Universitas Harvard dan ETH Zurich mengajukan teori baru yang menjelaskan bagaimana otak yang sedang berkembang mencapai tingkat organisasi yang luar biasa ini.
Di luar sinyal kimia
Selama beberapa dekade, para ilmuwan secara luas percaya bahwa sel mengkomunikasikan informasi posisi melalui sinyal kimia. Menurut Kerstjens, penjelasan ini bekerja dengan baik pada sistem yang relatif kecil dengan jumlah sel yang terbatas.
Namun, otak yang sedang berkembang mengandung miliaran neuron yang masing-masingnya dibutuhkan untuk mencapai tempat yang tepat. Karena sinyal-sinyal kimiawi melemah ketika mereka menyebar, para peneliti telah lama bertanya-tanya bagaimana sel-sel jauh di dalam otak yang sedang berkembang dapat secara akurat menentukan di mana mereka berada.
Kerstjens berpendapat bahwa sebagian dari jawabannya mungkin berasal dari proses yang mirip dengan bagaimana populasi manusia mendistribusikan diri dari generasi ke generasi.
“Pertimbangkan bagaimana populasi manusia tersebar di suatu negara dari generasi ke generasi,” katanya. “Keturunan menetap di dekat orang tua mereka, sehingga orang-orang yang memiliki nenek moyang yang sama akan berakhir di wilayah yang bertetangga, menghasilkan struktur geografis berskala besar tanpa komunikasi jarak jauh. Kami berpendapat bahwa prinsip serupa berlaku pada otak yang sedang berkembang. Sel-sel yang diturunkan dari nenek moyang yang sama cenderung tetap berdekatan satu sama lain.”
Menguji model berbasis garis keturunan
Untuk mempelajari gagasan ini, para peneliti mengembangkan apa yang mereka gambarkan sebagai “model informasi posisi evolusioner berbasis garis keturunan.”
Mereka pertama kali menggunakan perhitungan teoretis untuk menentukan apakah konsep tersebut dapat berhasil. Selanjutnya, mereka memeriksa pola ekspresi gen di otak tikus yang sedang berkembang, mengamati sel individu dan kelompok sel yang lebih besar. Terakhir, mereka menguji model tersebut pada ikan zebra dan menemukan hasil serupa, menunjukkan bahwa mekanisme tersebut dapat bekerja pada otak dengan ukuran berbeda.
Hasilnya menunjukkan bahwa sinyal kimia dan garis keturunan sel dapat bekerja sama untuk memberikan informasi posisi selama perkembangan.
Implikasinya terhadap biologi dan kecerdasan buatan
Meskipun penelitian ini berfokus pada otak, Kerstjens mengatakan prinsip yang mendasarinya dapat diterapkan pada banyak jaringan lain yang sedang berkembang, termasuk tumor.
Teori ini mungkin juga relevan dengan sistem AI yang bisa mereplikasi diri di masa depan. Sama seperti sel-sel otak yang dapat mewarisi informasi dari satu generasi ke generasi berikutnya, model AI masa depan yang meneruskan informasi dari satu generasi ke generasi berikutnya berpotensi mengandalkan prinsip-prinsip organisasi serupa.
Mungkin implikasi yang paling signifikan adalah apa yang dapat diungkapkan oleh penelitian ini mengenai kecerdasan itu sendiri. Memahami bagaimana sebuah sel berkembang menjadi otak yang sangat terorganisir dapat membantu para ilmuwan menjawab beberapa pertanyaan paling mendalam tentang pikiran.
“Otak membuat kita cerdas,” kata Kerstjens. “Bagaimana dia bisa mengumpulkan kemampuan ini, tidak hanya selama masa perkembangannya, tetapi juga selama evolusinya? Itu adalah bagian dari teka-teki besar ini.”
