Sketsa Hitam Putih, Bau Ketek dan Persamaan Integral

Pernah gak kalian ke Jalan Braga di Bandung, terus ada pelukis jalanan yg nawarin jasa lukisan atau sketsa portrait kita..

Aku dulu pernah nyoba, hasilnya bagus dan itung itung ngasih rejeki ke mereka. Tapi sketsa di bawah ini dibuat khusus oleh someone special ya (pake telor bebek).

Ngomongin Sketsa, jadi inget barusan baca paper agak berat, mengenai kenapa kita bisa mencium bau bauan dengan spektrum yang lumayan luas. I mean, di paper itu, sensasi bau cuma respon sinyal listrik dari sel pengindra di hidung, namanya olfaktori yang mengubah zat kimia yg membawa bau menjadi aliran ion listrik yang kemudian aliran ini mentrigger reaksi listrik berantai di dalam otak kita.

Cuma herannya, bagaimana otak kita menyimpulkan bau ketek itu ya bau ketek, atau bau terasi ya bau terasi. Aneh gak sih? pernah gak kalian mempertanyakan hal itu?

kaya ada informasi yang belum sepenuhnya kita pahami.

Kalau di komputer kan ada database memori, misal sinyal listrik dengan kode binary tertentu, berkorelasi dengan misalnya gambar A, sinyal lain dengan gambar B, makanya kan komputer bisa menterjemahkan dengan tepat.

Nah di paper ini, intronya udah menarik tapi sayang mereka fokusnya cuma ke pemodelan matematis dari bahan kimia pembeawa bau menjadi aliran ion tadi, gak fokus ke bagaimana otak menerjemahkan nya menjadi bau yg unik tadi.

Kalau kita dorong sedikit lebih dalam, pendekatan matematis yang mereka pakai sebenarnya membuka pintu ke arah yang lebih luas. Model dasar yang sering digunakan untuk menggambarkan proses awal ini adalah integral terhadap distribusi konsentrasi molekul bau di ruang dan waktu. Secara sederhana, reseptor olfaktori tidak membaca satu molekul secara diskrit, tapi menerima “akumulasi” sinyal dari banyak molekul yang berdifusi.

Biasanya menggunakan persamaan Integral dengan format:

Ri = integral ganda Ki​(x,t)C(x,t)dxdt

di mana Ri adalah respon reseptor ke-i, C(x,t) adalah konsentrasi molekul bau pada posisi x dan waktu t, dan Ki(x,t) adalah kernel sensitivitas reseptor tersebut, semacam “filter biologis” yang menentukan molekul mana yang lebih kuat mempengaruhi reseptor itu.

Persamaan integral ini menggambarkan bahwa apa yang kita sebut “bau” sebenarnya adalah hasil agregasi spasial-temporal dari interaksi kimia yang kompleks.

Setiap reseptor olfaktori tidak spesifik ke satu jenis molekul saja. Satu reseptor bisa merespon banyak molekul dengan tingkat afinitas berbeda, dan satu molekul bisa mengaktifkan banyak reseptor sekaligus.

Jadi kita tidak punya sistem satu-ke-satu seperti “kode = bau”. Yang kita punya adalah pola aktivasi berdimensi tinggi. Dalam bahasa matematika, jika ada n reseptor, maka satu bau direpresentasikan sebagai vektor R=(R1,R2,…,Rn) di ruang berdimensi n.

Di titik ini, integral tadi hanya menghasilkan vektor sinyal.

Tapi bagaimana vektor ini berubah menjadi sensai “bau ketek”?

Beberapa peneliti mencoba memodelkan tahap berikutnya dengan transformasi non-linear di bulb olfaktori, tempat pertama sinyal ini diproses di otak. Aktivitas glomeruli di bulb bisa dimodelkan sebagai fungsi dari input reseptor yang mana persamaan aktivasinya sudah mulai mirip jaringan saraf tiruan atau Deep Learning. Artinya, otak tidak membaca sinyal mentah, tapi melakukan transformasi, kompresi, dan normalisasi.

Tapi bahkan pendekatan tersebut masih belum menjawab pertanyaan utama: bagaimana pola pola matematis ini memunculkan makna bau yg kita alami??

Di sinilah beberapa teori mulai masuk ke wilayah yang lebih spekulatif. Salah satu pendekatan adalah melihat proses ini sebagai masalah inverse problem, otak mencoba menebak “penyebab” dari sinyal yang diterima.

Jika kita balik persamaan integral tadi, kita bisa menuliskan bahwa otak mencoba memperkirakan C(x,t) (atau representasi abstraknya) dari Ri. Dalam bentuk probabilistik Bayesian.

Otak tidak hanya membaca sinyal, tapi menggabungkannya dengan prior knowledge, pengalaman masa lalu, asosiasi emosional, konteks.

Jadi ketika kita mencium bau terasi, yang terjadi bukan sekadar “vektor sinyal = terasi”, tapi lebih seperti: pola aktivasi ini paling mungkin disebabkan oleh sumber bau yang sebelumnya kita pelajari sebagai “terasi”. Dan pembelajaran itu sendiri terjadi melalui paparan berulang, yang mengubah bobot koneksi di jaringan saraf kita, prosesnya mirip plek dengan training kecerdasan buatan menggunakan matriks Deep learning.

Jika kita kembali ke analogi komputer di awal, sistem olfaktori ini sangat jauh dari konsep database statis. Melainkan lebih mirip dengan sistem pembelajaran kontinu dengan representasi yang terdistribusi dan probabilistic. Tidak ada satu neuron yang menyimpan “bau ketek”. Yang ada adalah pola aktivitas yang jika muncul kembali, dikenali sebagai sesuatu yang familiar.

Penelitian oleh Yeshurun & Sobel (2010) menunjukkan bahwa persepsi bau sangat dipengaruhi konteks. Bau yang sama bisa terasa berbeda tergantung label atau ekspektasi. Dalam eksperimen klasik, wine yang diberi pewarna merah bisa dideskripsikan dengan kata-kata khas red wine, padahal sebenarnya white wine (Morrot et al., 2001). Bukti kuat bahwa interpretasi otak bukan hanya bottom-up dari sinyal, tapi juga top-down dari kognisi.

Di titik ini, kita mulai melihat sesuatu yang menarik: proses mencium bau sangat mirip dengan proses melihat gambar. Dalam penglihatan, retina juga menangkap distribusi intensitas cahaya dan mengubahnya menjadi sinyal listrik, yang kemudian diproses menjadi bentuk, objek, dan makna.

Jadi, baik bau maupun visual, keduanya berawal dari persaman integral terhadap stimulus fisik, lalu diproses menjadi representasi internal.

mmmm, lalu kalau kita kaitkan dengan skesta hitam putih aku di bawah ini… Sketsa hitam putih pada dasarnya adalah reduksi informasi visual.

Dari dunia yang penuh warna, tekstur, dan detail, sketsa hanya menyimpan garis, kontras, dan struktur dasar.

Tapi anehnya, otak kita tetap bisa mengenali wajah, ekspresi, bahkan “karakter” seseorang dari sketsa sederhana.

Ketika kita bicara bau, kita tidak benar-benar “melihat” molekulnya. Kita hanya menerima sinyal yang sangat tereduksi, yakni pola aktivasi reseptor.

Tapi dari pola itu, otak bisa membangun pengalaman yang sangat kaya: nostalgia, identitas, bahkan emosi.

Penelitian oleh Gottfried (2010) menunjukkan bahwa area otak yang terlibat dalam olfaksi juga berhubungan erat dengan sistem memori dan emosi, seperti amygdala dan hippocampus. Hal ini menjelaskan kenapa bau sering terasa lebih “emosional” dibandingkan visual.

Baik sketsa maupun bau adalah contoh bagaimana otak bekerja dengan informasi yang tidak lengkap. Dalam kedua kasus, input sensorik hanyalah sebagian kecil dari realitas. Sisanya diisi oleh model internal otak, hasil dari evolusi dan pengalaman.

Mengolah seluruh detail dunia secara literal akan sangat mahal secara energi. Lebih efisien untuk mengekstrak fitur penting dan menggunakan inferensi internal untuk melengkapi sisanya. Dalam bahasa matematis, otak melakukan kompresi informasi, semacam mapping dari ruang berdimensi tinggi ke representasi yang lebih ringkas.

Sketsa adalah kompresi visual.

Bau adalah kompresi kimia.

Dan dalam kedua kasus, persamaan integral memainkan peran untuk menggabungkan berbagai stimulus menjadi sinyal.

Setelah itu, permainan sebenarnya dimulai: transformasi, inferensi, dan interpretasi.

Jadi mungkin yang “belum sepenuhnya kita pahami” itu bukan sekadar mekanisme kimia atau listriknya, tapi bagaimana sistem biologis ini mengimplementasikan proses komputasi yang sangat canggih, yang bahkan sampai sekarang masih kita coba tiru dengan neural network.

Representasi tidak lagi eksplisit, tapi distributed.

Makna tidak disimpan di satu tempat, tapi muncul dari pola pola aktivasi.

Dan prosesnya sering kali melibatkan transformasi non-linear berlapis, mirip dengan yang terjadi di otak).

Kedua indera ini (Penciuman dan Visual) adalah hasil evolusi panjang, jutaan tahun optimasi untuk membaca dunia dengan cara yang efisien, bukan sempurna.

Jadi ketika kita mencium bau ketek dan langsung tahu itu apa, atau melihat sketsa sederhana dan langsung mengenali wajahnya, kita sebenarnya sedang menyaksikan hasil dari dua hal: integral sederhana di level fisik, dan inferensi kompleks di level kognitif.

Dan di antara keduanya, ada satu hal yang masih misterius, bagaimana pola listrik itu berubah menjadi pengalaman subjektif.

Mungkin di situlah “someone special” yang sebenarnya.