brain interconnectedness and wisdom - ctss ipb

Ahmad Faried, MD, PhD

Brain Interconnectedness

and Wisdom

Bagaimana OTAK bekerja?

Untuk mengetahuinya, kita harus tahu bagaimana OTAK

terbentuk dan bagaimana sinyal-sinyalnya secara luas

Terintegrasi dalam sistem jaringan dalam jaringan

(Network of Networks)

Hubungan antar modul berbeda yang sangat kompleks ini

amat unik untuk dipelajari...

NETWORKS

Gambaran SederhanaInterkoneksi Otak

Pertumbuhan interkoneksi otak jauh lebih cepat darijumlah neuron itu sendiri

Jumlah neuron 2

Jumlah neuron 4

Jumlah neuron 8

Perkembangan OTAK

Primates brain

Mammalian brain

Reptile brain

Neocortex (1)Thoughts, LogicIntelligenceRationalityFeelings

Midbrain-Limbic’s (2)Memory Emotional

Brainstem (3)Fight or flight Survival Instinct

LIMBIC

Projection, Association and Commission

The association areas integrate sensory information and stored memories. More intelligent animals have increased “uncommitted” or association areas of the cortex.

3 Types of Connections

Prinsip Organisasi Otak

Konektivitas

anatomis kombinasi

masif

1Sistem koneksi

anatomis kortikal

dan subkortikal

2Konektivitas

fungsional

yang terdistribusi luas

3 4 5Network otak yang

saling tumpang tindihNetwork otak yang

dinamis

Teknik Mengukur Konektivitas Otak

Basch et al., Neuroimage 2013

Aspek anatomis penting dari otak

• Interkonektivitas masif

• Aksesibilitas global tinggi

• Adanya regio-regio dengan konduktivitas

tinggi

Sebagai contoh:

• 92% densitas konektivitas yang tersebar di

17 pusat di cortex parietal, temporal dan

frontal

KonektivitasAnatomis

Kombinasi Masif

Sistem Koneksi Anatomis Kortikal dan SubkortikalKonsep sistem cortico–basal ganglia–thalamo–cortical → membentuk koneksi timbal balik,

paralel dan loop → sirkuit terintegrasiInput dan output sangat beragam → sangat sensitif untuk membentuk dan menerima berbagai

signal (sensoris, kognitif, emosional, motivational, motorik) dengan berbagai jenis neurotrans-mitter (acetylcholine, dopamine, epinephine, norepinephrine, serotonin)

1 regio fungsional otak biasanya berafiliasi membentuk

cluster dengan regio lain untuk membentuk sirkuit

Contoh: konektivitas fungsional amygdala lebih

berasosiasi dengan koneksi struktur monosinaptik dan

polisinaptiknya → inaktivasi kimia selektif pada

amygdala akan mendegradasi konektivitas fungsinya

terhadap regio otak lain (prefrontal, orbitofrontal,

anterior cingulate, anterior temporal cortex)

KonektivitasFungsional yang

Terdistribusi Luas

•Network otak tidak statis namun temporer dan

dinamis → sangat dipengaruhi oleh berbagai

variabel seperti kognitif, emosional dan

motivational

•Otak berevolusi seiring dengan waktu → koalisi

antara regio otak yang berbeda secara dinamis

sesuai kebutuhan

Network Otak yang Dinamis

Modeling of Human Neural Networks

Lynn and Bassett, Nature 2019

Modeling of Human Neural Networks

Computational Modeling of Neural Networks

Lynn and Bassett, Nature 2019

Computational Modeling of Neural Networks

Arsitektur SistemFungsional Teritegrasi

• Closed loop → loop kembali ke regio asal

• Open loops → loop kembali dengan cara yang tidak

berhubungan secara topografis

Kedua loop ini menghubungkan cortex dengan

area subkortikal, brainstem dan komponen berbeda lain

→ konvergensi dan integrasi regio otak

Hubungan denganBelajar & Memori

• Berdasarkan konsep ini otak dan pikiran bukan sesuatu yang

statis → dinamis dan flexibel dan sangat bergantung pada

konten → otak bukan membuat afeksi → fungsi spesifik →

proses mental multipel: kesadaran, atensi, nilai, determinasi,

membuat keputusan

• Belajar dan Memori → status fungsi yang diimplementasikan

oleh sistem neural untuk meregulasi perilaku kompleks

Apakah ada sirkuit spesifik untukBelajar dan Memori?

• Regio otak yang di midbrain yang dikenal dengan system

Limbic (entorhinal) ini menerima input aferen dari area

neokorteks melalui jaras perforantes hippocampus

• Beberapa regio tertentu di otak akan diaktivasi atau

berpartisipasi bersamaan dalam melakukan tugas tertentu

• Sangat penting untuk memahami hal ini dalam memberikan

terapi bagi gangguan belajar dan memori.

LIMBIC Systems

The Amygdala almond-shaped neural clusters linked to the emotions of fear and anger.

The Hippocampusprocesses memories

Hippocampus

AmygdalaAmmon’sHorn

3 Layers

Tidak hanya Memori, Brain Network juga

menentukan kecerdasan

Human Connectome Project

Project database online untuk melihat jaras utama

otak membandingkan sirkuit-sirkuit tertentu,

eksplorasi regio-regio dan sel otak serat fungsi-

fungsi yang bergantung kepadanya.

Database ini memuat kompilasi data persarafan dan

secara grafis menavigasi data dan kesempatan untuk

eksplorasi lebih dalam tentang otak manusia.

http://www.humanconnectomeproject.org/

Penelitian oleh Shine, et al

tugas kognitif → diameter pupil lebih

besar → aktivasi locus coeruleus → signal

aktivasi ke berbagai macam regio otak

Adanya perbedaan profile pemetaan otak

lewat fMRI saat pengerjaan tugas kognitif

→ lebih banyak regio otak yang ikut

terlibat

Profile cartography Pupil dan interkoneksi

Brain Profile CartographyTujuan: mengetahui bagaimana area terpisah dari otak berkoordinasi sepanjang waktu, saat istirahat ataupun

sedang melakukan aktivitas yang menantang secara mental dan kognitif.

Data fMRI ( functional magnetic resonance imaging) memperlihatkan real-time data regio mana dari otak yang

aktif saat orang tidak atau sedang melakukan suatu tugas. Analisis mengestimasi jumlah aliran darah di kedua

belah otak dan menggunakan hitungan matematis dari grafik untuk menyimpulkan bahwa seluruh jaringan otak

terorganisasi.

DItemukan bahwa network otak selalu berfluktuasi antara bagian otak fungsi luhur dan yang lebih rendah selalu

dialiri darah dengan jumlah yang berfluktuasi.

Ditemukan juga bahwa otak manusia lebih terintegrasi dan sangat dinamik pada orang-orang yang melakukan

tugasnya dengan cepat dan keakuratan paling baik.

Peningkatan profil peta otak saat melakukan fungsi kognitif

Hubungan brain inter-connectedness and fungsi

kognitif diperlihatkan dalam"Cognitive function Mapping"

• Melihat hubungan antara fungsi kognitif otak

• Mendapatkan pengertian yang komprehensif

tentang kognisi manusia

• Mendapatkan visualisasi dari seluruh

gambaran besar yang memperlihatkan

hubungan antara fungsi kognitif tersebut.

Cognitive Function Mapping

Pemetaan ini memperlihatkan

bagaimana cluster otak dari

berbagai regio otak tertentu

berhubungan & melakukan fungsi

kognitif yang berbeda-beda

Cognitive Function Mapping

Interconnecting Consciousness

Proses "sadar" pada manusia bukan suatu hal yang sederhana. Kesadaran

penuh dan dapat melakukan berbagai tugas kognitif, motorik serta

emosional di manusia sangat bergantung pada interkoneksi regio-regio otak

antara satu dengan yang lain.

Persepsi kesadaran manusia direpresentasikan di dalam bagian posterior

cotex otak (lobus occipital), lobus temporal dan parietal serta proses

eksekutif di prefrontal lobe.

Konsep fungsi kesadaran otak

Kesimpulan

• Otak bekerja secara dinamis dan sangat bergantung dengan interkoneksi antara

bagian-bagian struktur fungsi masing-masing regionya

• Fungsi luhur otak, emosi, kesadaran sangat dipengaruhi integritas interkoneksi otak

• Semakin terintegrasi struktur interkoneksi fungsi ini, penelitian memperlihatkan

bahwa semakin "cerdas" dan perhatian individu tersebut

• Kesadaran akan sekitar sangat bergantung pada integrasi fungsi persepsi, fungsi luhur

dan kesadaran secara fisik itu sendiri

• And men should know that from nothing else but from the brain came joys,

delights, laughter and jests, and sorrows, griefs, despondency and lamentations.

And by this, in an especial manner, we acquire wisdom and knowledge and see

and hear and know what are foul, and what are fair, what sweet and what

unsavory (HIPPOCRATES)

Nothing in life is to be feared.

It is only to be Understood.Marie Curie. Scientist (1867-1934)

Have Fun, go Mad..