“Tikus ternyata dapat mengaktifkan representasi tempat-tempat di lingkungan tanpa pergi ke sana,” kata Chongxi Lai, peneliti post-doktoral di  Harris and Lee Labs serta penulis utama studi tersebut. "Bahkan jika tubuh fisiknya tidak bergerak, pemikiran spasialnya dapat berpindah ke lokasi yang sangat terpencil."

Kemampuan untuk membayangkan lokasi yang jauh dari posisi saat ini merupakan hal mendasar untuk mengingat peristiwa masa lalu dan membayangkan kemungkinan skenario masa depan. Oleh karena itu, penelitian baru ini menunjukkan bahwa hewan, seperti manusia, memiliki suatu bentuk imajinasi. 

"Membayangkan adalah salah satu hal luar biasa yang bisa dilakukan manusia. Sekarang kami menemukan bahwa hewan juga bisa melakukannya, dan kami menemukan cara untuk mempelajarinya," kata Albert Lee, mantan Group Leader di Janelia. 

Antarmuka mesin otak yang baru

Proyek ini dimulai sembilan tahun lalu ketika Lai tiba di Janelia sebagai mahasiswa pascasarjana dengan ide untuk menguji apakah seekor hewan dapat berpikir. Penasihatnya, Senior Fellow di Janelia bernama Tim Harris, menyarankan Lai berjalan menyusuri lorong untuk mengobrol dengan Lee, yang laboratoriumnya memiliki pertanyaan serupa.

Bersama-sama, mereka bekerja untuk mengembangkan sistem untuk memahami apa yang dipikirkan hewan—sebuah "detektor pikiran" real-time yang dapat mengukur aktivitas saraf dan menerjemahkan maknanya.

Sistem ini menggunakan antarmuka mesin otak (BMI), yang menyediakan koneksi langsung antara aktivitas otak dan perangkat eksternal. Dalam sistem tim, BMI menghasilkan hubungan antara aktivitas listrik di hipokampus tikus dan posisinya dalam arena realitas virtual 360 derajat.

Hipokampus menyimpan peta mental manusia di dunia, yang berfungsi  mengingat peristiwa masa lalu dan membayangkan skenario masa depan. Pengingatan memori melibatkan pembentukan pola aktivitas hipokampus spesifik yang berkaitan dengan tempat dan peristiwa. Namun tidak ada yang tahu apakah hewan dapat mengendalikan aktivitas ini secara sukarela.

BMI memungkinkan para peneliti untuk menguji apakah seekor tikus dapat mengaktifkan aktivitas hipokampus untuk hanya memikirkan suatu lokasi di arena tanpa secara fisik pergi ke sana—pada dasarnya, mendeteksi apakah hewan tersebut dapat membayangkan pergi ke lokasi tersebut.

Menyelidiki pikiran batin tikus

Begitu mereka mengembangkan sistemnya, para peneliti harus membuat "kamus pemikiran" yang memungkinkan mereka memecahkan kode sinyal otak tikus. Kamus ini mengompilasi seperti apa pola aktivitas ketika tikus mengalami sesuatu—dalam hal ini, tempat-tempat di arena VR.

Tikus tersebut dimanfaatkan dalam sistem VR, yang dirancang oleh Shinsuke Tanaka, seorang peneliti post-doktoral di Lee Lab. Saat tikus berjalan di atas treadmill berbentuk bola, gerakannya diterjemahkan pada layar 360 derajat. Tikus diberi imbalan ketika berhasil mencapai tujuannya.

Pada saat yang sama, sistem BMI mencatat aktivitas hipokampus tikus. Para peneliti dapat melihat neuron mana yang diaktifkan ketika tikus menavigasi arena untuk mencapai setiap tujuan. Sinyal-sinyal ini memberikan dasar untuk BMI hipokampus secara real-time, dan aktivitas otak hipokampus diterjemahkan ke dalam tindakan di layar.

Selanjutnya, para peneliti memutuskan sambungan treadmill dan memberi penghargaan kepada tikus karena mereproduksi pola aktivitas hipokampus yang terkait dengan lokasi tujuan. Dalam tugas ini, BMI menerjemahkan aktivitas otak hewan menjadi gerakan di layar realitas virtual.

Pada dasarnya, hewan menggunakan pikirannya untuk menavigasi ke hadiah dengan terlebih dahulu memikirkan ke mana mereka harus pergi untuk mendapatkan hadiah. Proses berpikir ini merupakan sesuatu yang sering dialami manusia. Misalnya, ketika kita diminta untuk membeli bahan makanan di toko yang kita kenal, kita mungkin membayangkan lokasi yang akan kita lewati sebelum kita meninggalkan rumah.

Dalam tugas kedua, tikus memindahkan objek ke suatu lokasi hanya dengan pikirannya. Tikus berada di tempat virtual tetapi "memindahkan" suatu objek ke suatu tujuan di ruang VR dengan mengendalikan aktivitas hipokampusnya, seperti bagaimana seseorang yang duduk di kantornya membayangkan mengambil cangkir di sebelah mesin kopi dan mengisinya dengan kopi. Para peneliti kemudian mengubah lokasi tujuannya, sehingga mengharuskan hewan tersebut menghasilkan pola aktivitas yang terkait dengan lokasi baru tersebut.

Tim menemukan bahwa tikus dapat secara tepat dan fleksibel mengontrol aktivitas hipokampusnya, sama seperti manusia. Hewan-hewan juga mampu mempertahankan aktivitas hipokampus ini, dengan memusatkan pikiran mereka pada lokasi tertentu selama beberapa detik—jangka waktu yang mirip dengan saat manusia mengingat kembali peristiwa masa lalu atau membayangkan skenario baru.

“Hal yang menakjubkan adalah bagaimana tikus belajar memikirkan tempat itu, dan bukan tempat lain, dalam jangka waktu yang sangat lama, berdasarkan gagasan kita, yang mungkin naif, tentang rentang perhatian tikus,” kata Harris.

Penelitian ini juga menunjukkan bahwa BMI dapat digunakan untuk menyelidiki aktivitas hipokampus, menyediakan sistem baru untuk mempelajari wilayah otak yang penting ini. Karena BMI semakin banyak digunakan dalam prostetik, menurut penelitinya, penelitian baru ini juga membuka kemungkinan merancang perangkat prostetik baru berdasarkan prinsip yang sama.

Studi ini dipublikasikan di jurnal Science.