LOS ANGELES: Sekelompok akademisi dari bidang seni dan sains mengemukakan teori yang mungkin menjelaskan kompleksitas otak serta pentingnya tidur.
Untuk menunjukkan bahwa otak harus mengatur ulang sistem operasinya secara berkala, para peneliti baru-baru ini mencatat aktivitas otak tikus yang sedang tidur untuk dipublikasikan di jurnal Nature Neuroscience.
Tidur merupakan kebutuhan pokok, sama seperti makanan dan minuman. “Anda akan mati tanpanya,” Keith Hengen, asisten profesor biologi di Universitas Washington di St. Louis memperingatkan.
Tapi apa yang dicapai oleh tidur? Selama bertahun-tahun, para akademisi hanya dapat menyatakan bahwa tidur dapat mengurangi kelelahan, dan hal ini bukanlah penjelasan yang memuaskan untuk kebutuhan inti manusia.
“Otak itu seperti komputer biologis,” kata Hengen. “Memori dan pengalaman saat bangun mengubah kode sedikit demi sedikit, secara perlahan menarik sistem yang lebih besar menjauh dari keadaan ideal. Tujuan utama dari tidur adalah untuk memulihkan keadaan komputasi yang optimal.”
Rekan penulis makalah ini termasuk Ralf Wessel, seorang profesor fisika; Yifan Xu, seorang mahasiswa pascasarjana biologi yang mempelajari ilmu saraf; dan Aidan Schneider, seorang mahasiswa pascasarjana di program Biologi Komputasi & Sistem, semuanya di bidang Seni & Sains.
Wessel mengatakan fisikawan telah memikirkan tentang kekritisan selama lebih dari 30 tahun, namun mereka tidak pernah membayangkan bahwa penelitian tersebut akan berdampak pada tidur. Dalam dunia fisika, kekritisan menggambarkan sistem kompleks yang berada pada titik kritis antara keteraturan dan kekacauan. “Di satu sisi, semuanya benar-benar teratur. Di sisi lain, semuanya acak,” kata Wessel.
Kekritisan memaksimalkan pengkodean dan pemrosesan informasi, menjadikannya kandidat yang menarik untuk prinsip umum neurobiologi. Dalam sebuah studi tahun 2019, Hengen dan Wessel menemukan bahwa otak secara aktif bekerja untuk menjaga kekritisan.
Dalam makalah barunya, tim memberikan bukti langsung pertama bahwa tidur memulihkan kekuatan komputasi otak. Hal ini merupakan perubahan radikal dari asumsi lama bahwa tidur harus mengisi bahan kimia misterius dan tidak diketahui yang terkuras selama jam-jam terjaga.
Setelah makalah mereka pada tahun 2019, Hengen dan Wessel berteori bahwa belajar, berpikir, dan terjaga harus menjauhkan otak dari keadaan kritis dan bahwa tidur adalah posisi yang tepat untuk mengatur ulang sistem. “Kami menyadari ini akan menjadi penjelasan yang sangat keren dan intuitif tentang tujuan inti dari tidur,” kata Hengen. “Tidur adalah solusi tingkat sistem untuk masalah tingkat sistem.”
Untuk menguji teori mereka tentang peran kekritisan dalam tidur, para peneliti melacak lonjakan banyak neuron di otak tikus muda saat mereka melakukan rutinitas tidur dan bangun normal.
“Anda dapat mengikuti rangkaian aktivitas kecil ini melalui jaringan saraf,” kata Hengen. Aliran ini, juga disebut longsoran saraf, mencerminkan bagaimana informasi mengalir melalui otak, katanya.
“Pada kondisi kritis, longsoran dengan berbagai ukuran dan durasi dapat terjadi. Jauh dari kondisi kritis, sistem menjadi bias terhadap hanya longsoran kecil atau hanya longsoran besar. Hal ini analog dengan menulis buku dan hanya dapat menggunakan kata-kata pendek atau panjang.”
Seperti yang diperkirakan, longsoran salju dalam berbagai ukuran terjadi pada tikus yang baru saja terbangun dari tidur restoratif. Saat bangun tidur, air terjun mulai bergeser ke arah yang semakin kecil.
Para peneliti menemukan bahwa mereka dapat memprediksi kapan tikus akan tidur atau bangun dengan melacak distribusi longsoran salju. Ketika ukuran kaskade dikurangi hingga titik tertentu, tidur tidak lama lagi.
“Hasilnya menunjukkan bahwa setiap momen terjaga mendorong sirkuit otak menjauh dari keadaan kritis, dan tidur membantu otak mengatur ulang,” kata Hengen.
Ketika fisikawan pertama kali mengembangkan konsep kekritisan pada akhir tahun 1980-an, mereka melihat tumpukan pasir di atas kotak-kotak, sebuah skenario yang tampaknya jauh dari jangkauan otak. Namun tumpukan pasir tersebut memberikan wawasan penting, kata Wessel.
Jika ribuan butir dijatuhkan ke dalam bingkai dengan mengikuti aturan sederhana, tumpukan tersebut dengan cepat mencapai keadaan kritis di mana hal-hal menarik mulai terjadi.
Longsoran salju baik besar maupun kecil dapat terjadi tanpa peringatan, dan tumpukan di satu kotak mulai tumpah ke kotak lainnya. “Keseluruhan sistem mengatur dirinya sendiri menjadi sesuatu yang sangat kompleks,” katanya.
Longsoran saraf yang terjadi di otak mirip dengan longsoran pasir di grid, kata Wessel. Dalam setiap kasus, kaskade merupakan ciri khas suatu sistem yang telah mencapai keadaan paling kompleksnya.
Menurut Hengen, setiap neuron seperti sebutir pasir yang mengikuti aturan yang sangat mendasar. Neuron pada dasarnya adalah tombol hidup/mati yang memutuskan apakah akan aktif atau tidak berdasarkan masukan langsung.
Jika miliaran neuron dapat mencapai kondisi kritis — titik terbaik antara terlalu banyak keteraturan dan terlalu banyak kekacauan — mereka dapat bekerja sama untuk membentuk sesuatu yang kompleks dan menakjubkan.
“Kekritisan memaksimalkan sekumpulan fitur yang terdengar sangat diinginkan oleh otak,” kata Hengen.
Studi baru ini merupakan upaya multidisiplin. Hengen, Xu dan Schneider merancang eksperimen dan menyediakan data, sementara Wessel bergabung dengan tim untuk menerapkan persamaan matematika yang diperlukan untuk memahami tidur dalam kerangka kekritisan. “Ini merupakan kolaborasi indah antara fisika dan biologi,” kata Wessel.
Untuk menunjukkan bahwa otak harus mengatur ulang sistem operasinya secara berkala, para peneliti baru-baru ini mencatat aktivitas otak tikus yang sedang tidur untuk dipublikasikan di jurnal Nature Neuroscience.
Tidur merupakan kebutuhan pokok, sama seperti makanan dan minuman. “Anda akan mati tanpanya,” Keith Hengen, asisten profesor biologi di Universitas Washington di St. Louis memperingatkan.
Tapi apa yang dicapai oleh tidur? Selama bertahun-tahun, para akademisi hanya dapat menyatakan bahwa tidur dapat mengurangi kelelahan, dan hal ini bukanlah penjelasan yang memuaskan untuk kebutuhan inti manusia.
“Otak itu seperti komputer biologis,” kata Hengen. “Memori dan pengalaman saat bangun mengubah kode sedikit demi sedikit, secara perlahan menarik sistem yang lebih besar menjauh dari keadaan ideal. Tujuan utama dari tidur adalah untuk memulihkan keadaan komputasi yang optimal.”
Rekan penulis makalah ini termasuk Ralf Wessel, seorang profesor fisika; Yifan Xu, seorang mahasiswa pascasarjana biologi yang mempelajari ilmu saraf; dan Aidan Schneider, seorang mahasiswa pascasarjana di program Biologi Komputasi & Sistem, semuanya di bidang Seni & Sains.
Wessel mengatakan fisikawan telah memikirkan tentang kekritisan selama lebih dari 30 tahun, namun mereka tidak pernah membayangkan bahwa penelitian tersebut akan berdampak pada tidur. Dalam dunia fisika, kekritisan menggambarkan sistem kompleks yang berada pada titik kritis antara keteraturan dan kekacauan. “Di satu sisi, semuanya benar-benar teratur. Di sisi lain, semuanya acak,” kata Wessel.
Kekritisan memaksimalkan pengkodean dan pemrosesan informasi, menjadikannya kandidat yang menarik untuk prinsip umum neurobiologi. Dalam sebuah studi tahun 2019, Hengen dan Wessel menemukan bahwa otak secara aktif bekerja untuk menjaga kekritisan.
Dalam makalah barunya, tim memberikan bukti langsung pertama bahwa tidur memulihkan kekuatan komputasi otak. Hal ini merupakan perubahan radikal dari asumsi lama bahwa tidur harus mengisi bahan kimia misterius dan tidak diketahui yang terkuras selama jam-jam terjaga.
Setelah makalah mereka pada tahun 2019, Hengen dan Wessel berteori bahwa belajar, berpikir, dan terjaga harus menjauhkan otak dari keadaan kritis dan bahwa tidur adalah posisi yang tepat untuk mengatur ulang sistem. “Kami menyadari ini akan menjadi penjelasan yang sangat keren dan intuitif tentang tujuan inti dari tidur,” kata Hengen. “Tidur adalah solusi tingkat sistem untuk masalah tingkat sistem.”
Untuk menguji teori mereka tentang peran kekritisan dalam tidur, para peneliti melacak lonjakan banyak neuron di otak tikus muda saat mereka melakukan rutinitas tidur dan bangun normal.
“Anda dapat mengikuti rangkaian aktivitas kecil ini melalui jaringan saraf,” kata Hengen. Aliran ini, juga disebut longsoran saraf, mencerminkan bagaimana informasi mengalir melalui otak, katanya.
“Pada kondisi kritis, longsoran dengan berbagai ukuran dan durasi dapat terjadi. Jauh dari kondisi kritis, sistem menjadi bias terhadap hanya longsoran kecil atau hanya longsoran besar. Hal ini analog dengan menulis buku dan hanya dapat menggunakan kata-kata pendek atau panjang.”
Seperti yang diperkirakan, longsoran salju dalam berbagai ukuran terjadi pada tikus yang baru saja terbangun dari tidur restoratif. Saat bangun tidur, air terjun mulai bergeser ke arah yang semakin kecil.
Para peneliti menemukan bahwa mereka dapat memprediksi kapan tikus akan tidur atau bangun dengan melacak distribusi longsoran salju. Ketika ukuran kaskade dikurangi hingga titik tertentu, tidur tidak lama lagi.
“Hasilnya menunjukkan bahwa setiap momen terjaga mendorong sirkuit otak menjauh dari keadaan kritis, dan tidur membantu otak mengatur ulang,” kata Hengen.
Ketika fisikawan pertama kali mengembangkan konsep kekritisan pada akhir tahun 1980-an, mereka melihat tumpukan pasir di atas kotak-kotak, sebuah skenario yang tampaknya jauh dari jangkauan otak. Namun tumpukan pasir tersebut memberikan wawasan penting, kata Wessel.
Jika ribuan butir dijatuhkan ke dalam bingkai dengan mengikuti aturan sederhana, tumpukan tersebut dengan cepat mencapai keadaan kritis di mana hal-hal menarik mulai terjadi.
Longsoran salju baik besar maupun kecil dapat terjadi tanpa peringatan, dan tumpukan di satu kotak mulai tumpah ke kotak lainnya. “Keseluruhan sistem mengatur dirinya sendiri menjadi sesuatu yang sangat kompleks,” katanya.
Longsoran saraf yang terjadi di otak mirip dengan longsoran pasir di grid, kata Wessel. Dalam setiap kasus, kaskade merupakan ciri khas suatu sistem yang telah mencapai keadaan paling kompleksnya.
Menurut Hengen, setiap neuron seperti sebutir pasir yang mengikuti aturan yang sangat mendasar. Neuron pada dasarnya adalah tombol hidup/mati yang memutuskan apakah akan aktif atau tidak berdasarkan masukan langsung.
Jika miliaran neuron dapat mencapai kondisi kritis — titik terbaik antara terlalu banyak keteraturan dan terlalu banyak kekacauan — mereka dapat bekerja sama untuk membentuk sesuatu yang kompleks dan menakjubkan.
“Kekritisan memaksimalkan sekumpulan fitur yang terdengar sangat diinginkan oleh otak,” kata Hengen.
Studi baru ini merupakan upaya multidisiplin. Hengen, Xu dan Schneider merancang eksperimen dan menyediakan data, sementara Wessel bergabung dengan tim untuk menerapkan persamaan matematika yang diperlukan untuk memahami tidur dalam kerangka kekritisan. “Ini merupakan kolaborasi indah antara fisika dan biologi,” kata Wessel.
