Ilmuwan menggunakan pembelajaran mesin untuk memprediksi bau berdasarkan aktivitas otak pada cacing — ScienceDaily
Top News

Ilmuwan menggunakan pembelajaran mesin untuk memprediksi bau berdasarkan aktivitas otak pada cacing — ScienceDaily

Kedengarannya seperti trik pesta: para ilmuwan sekarang dapat melihat aktivitas otak cacing kecil dan memberi tahu Anda bahan kimia mana yang tercium oleh hewan itu beberapa detik sebelumnya. Namun temuan studi baru, yang dipimpin oleh Salk Associate Professor Sreekanth Chalasani, lebih dari sekadar hal baru; mereka membantu para ilmuwan lebih memahami bagaimana fungsi otak dan mengintegrasikan informasi.

“Kami menemukan beberapa hal tak terduga ketika kami mulai melihat efek dari rangsangan sensorik ini pada sel-sel individu dan koneksi di dalam otak cacing,” kata Chalasani, anggota Laboratorium Neurobiologi Molekuler dan penulis senior dari penelitian baru yang diterbitkan dalam jurnal tersebut. Biologi Komputasi PLOS pada 9 November 2021.

Chalasani tertarik pada bagaimana, pada tingkat sel, otak memproses informasi dari dunia luar. Para peneliti tidak dapat secara bersamaan melacak aktivitas masing-masing dari 86 miliar sel otak pada manusia yang hidup — tetapi mereka dapat melakukan ini pada cacing mikroskopis Caenorhabditis elegans, yang hanya memiliki 302 neuron. Chalasani menjelaskan bahwa pada hewan sederhana seperti C. elegan, peneliti dapat memantau neuron individu saat hewan melakukan tindakan. Tingkat resolusi itu saat ini tidak memungkinkan pada manusia atau bahkan tikus.

Tim Chalasani berangkat untuk mempelajari caranya C. elegan neuron bereaksi terhadap penciuman masing-masing dari lima bahan kimia yang berbeda: benzaldehida, diacetyl, isoamil alkohol, 2-nonanon, dan natrium klorida. Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa C. elegan dapat membedakan bahan kimia ini, yang, bagi manusia, berbau kira-kira seperti almond, popcorn mentega, pisang, keju, dan garam. Dan sementara para peneliti mengetahui identitas segelintir neuron sensorik yang secara langsung merasakan rangsangan ini, kelompok Chalasani lebih tertarik pada bagaimana bagian otak lainnya bereaksi.

Para peneliti merekayasa C. elegan sehingga masing-masing dari 302 neuron mereka berisi sensor fluoresen yang akan menyala saat neuron aktif. Kemudian, mereka mengamati di bawah mikroskop saat mereka memaparkan 48 cacing berbeda pada semburan berulang dari lima bahan kimia. Rata-rata, 50 atau 60 neuron diaktifkan sebagai respons terhadap setiap bahan kimia.

Dengan melihat sifat dasar dari kumpulan data — seperti berapa banyak sel yang aktif pada setiap titik waktu — Chalasani dan rekan-rekannya tidak dapat segera membedakan antara bahan kimia yang berbeda. Jadi, mereka beralih ke pendekatan matematis yang disebut teori grafik, yang menganalisis interaksi kolektif antara pasangan sel: Ketika satu sel diaktifkan, bagaimana aktivitas sel lain berubah sebagai respons?

Pendekatan ini mengungkapkan bahwa kapanpun C. elegan terkena natrium klorida (garam), pertama ada ledakan aktivitas di satu set neuron — kemungkinan neuron sensorik — tapi kemudian sekitar 30 detik kemudian, triplet neuron lain mulai mengoordinasikan aktivitas mereka dengan kuat. Kembar tiga yang berbeda ini tidak terlihat setelah rangsangan lain, membiarkan para peneliti mengidentifikasi secara akurat – hanya berdasarkan pola otak – ketika cacing telah terkena garam.

C. elegan tampaknya memiliki nilai tinggi untuk merasakan garam, menggunakan konfigurasi sirkuit yang sama sekali berbeda di otak untuk merespons. Ini mungkin karena garam sering mewakili bakteri, yang merupakan makanan bagi cacing.

Para peneliti selanjutnya menggunakan algoritme pembelajaran mesin untuk menunjukkan dengan tepat perbedaan lain yang lebih halus dalam cara otak merespons masing-masing dari lima bahan kimia. Algoritme dapat belajar membedakan respons saraf terhadap garam dan benzaldehida tetapi sering membingungkan tiga bahan kimia lainnya.

“Analisis apa pun yang telah kami lakukan, ini adalah permulaan tetapi kami masih hanya mendapatkan sebagian jawaban tentang bagaimana otak membedakan hal-hal ini,” kata Chalasani.

Namun, dia menunjukkan bahwa cara tim mendekati penelitian – melihat respons seluruh jaringan otak terhadap stimulus, dan menerapkan teori grafik, daripada hanya berfokus pada satu set kecil neuron sensorik dan apakah mereka diaktifkan – – membuka jalan menuju studi yang lebih kompleks dan holistik tentang bagaimana otak bereaksi terhadap rangsangan.

Tujuan utama para peneliti, tentu saja, bukan untuk membaca pikiran cacing mikroskopis, tetapi untuk mendapatkan pemahaman yang lebih dalam tentang bagaimana manusia menyandikan informasi di otak dan apa yang terjadi ketika ini salah dalam gangguan pemrosesan sensorik dan kondisi terkait seperti kecemasan. , attention deficit hyperactivity disorder (ADHD), gangguan spektrum autisme dan lain-lain.

Penulis lain dari studi baru ini adalah Saket Navlakha dari Cold Spring Harbor Laboratory dan Javier How dari UC San Diego. Pekerjaan ini didukung oleh hibah dari Pew Charitable Trusts, National Institutes of Health dan National Science Foundation.

Posted By : totobet hk