3 days ago
10
Tim ilmuwan dari Allen Institute, Baylor College of Medicine, dan Princeton University berhasil menciptakan peta tiga dimensi otak tikus secara rinci.(Allen Institute)
PARA ilmuwan berhasil menciptakan peta tiga dimensi yang rinci dari otak mamalia. Peta ini merinci bentuk, fungsi, dan aktivitas dari 84.000 neuron — struktur bercabang yang mengirim pesan melalui lengan panjang yang disebut akson — dan lebih dari 500 juta sinaps, serta 200.000 sel otak. Potongan kecil jaringan ini mengandung 5,4 kilometer kabel neuron.
Penelitian ini merupakan puncak dari hampir satu dekade kerja oleh 150 ilmuwan di 22 institusi, yang dipimpin Allen Institute for Brain Science, Baylor College of Medicine, dan Princeton University.
“Salah satu hasil dari keseluruhan proyek ini menunjukkan betapa indahnya otak,” kata Dr. Forrest Collman, direktur asosiasi bidang data dan teknologi di Allen Institute.
“Melihat neuron-neuron ini membuat kita memahami detail dan skalanya dengan cara yang menimbulkan kekaguman — seperti saat kita melihat gambar galaksi yang sangat jauh,” tambahnya.
Peta menakjubkan ini hanya mencakup 1/500 dari volume penuh otak tikus, namun tim menghasilkan data sebesar 1,6 petabyte. Proyek ini, yang dikenal dengan nama The Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS), telah tersedia untuk publik.
Para peneliti memaparkan temuannya dalam beberapa makalah yang diterbitkan di jurnal Nature pada 9 April.
Merekam Aktivitas Otak
Untuk membuat peta tersebut, ilmuwan di Baylor College of Medicine di Houston menggunakan mikroskop khusus untuk merekam aktivitas otak dalam bagian jaringan seluas satu milimeter kubik pada korteks visual tikus selama beberapa hari.
Selama pencitraan, peneliti memastikan tikus dalam keadaan terjaga. Tikus itu dirangsang secara visual dengan membuatnya berlari di atas treadmill sambil menonton cuplikan film berdurasi 10 detik, termasuk dari film The Matrix dan Mad Max: Fury Road. Klip YouTube olahraga ekstrem seperti motocross, luge, dan BASE jumping juga ditayangkan, menurut rilis berita dari Princeton University.
Setelah tikus disuntik mati, para peneliti di Allen Institute di Seattle mengambil jaringan otak yang sama dan memotongnya menjadi lebih dari 28.000 lapisan, setebal 1/400 dari lebar sehelai rambut manusia, lalu memotret setiap lapisan. Gambar-gambar ini kemudian direkonstruksi menjadi satu kesatuan komposit.
“Itu memakan waktu sekitar 12 hari dan malam tanpa henti dengan tim bergiliran,” kata Dr. Nuno Maçarico da Costa, peneliti di Allen Institute. “Bukan karena kami memotongnya secara manual — mesinnya otomatis. Tapi kami harus berjaga-jaga jika ada masalah, karena kalau kami kehilangan lebih dari satu potongan berturut-turut, seluruh eksperimen harus dimulai dari awal.” Proses ini, katanya, sangat "menegangkan".
Selanjutnya, tim di Princeton University menggunakan pembelajaran mesin dan kecerdasan buatan (AI) untuk menelusuri kontur setiap neuron melalui lapisan-lapisan tersebut. Proses ini disebut segmentasi, dan setiap neuron diberi warna untuk membedakannya. Data hasil AI ini kemudian divalidasi dan diperiksa kembali oleh ilmuwan yang terlibat.
Hasil akhirnya adalah gambaran utuh dari connectome otak tikus. Peta yang menunjukkan bagaimana bagian-bagian otak tersusun dan bagaimana berbagai jenis sel bekerja bersama.
“Connectome adalah awal dari transformasi digital ilmu otak,” kata Dr. Sebastian Seung, profesor neurosains dan ilmu komputer dari Princeton. “Dengan beberapa ketukan keyboard, Anda bisa mencari informasi dan mendapatkannya dalam hitungan detik. Informasi yang dulu membutuhkan satu tesis Ph.D. kini bisa didapat dengan cepat — itulah kekuatan transformasi digital.”
Tantangan yang Dulu Dianggap Mustahil
Memetakan otak dengan cara ini dulu dianggap tantangan yang mustahil. Ahli biologi molekuler Francis Crick pernah menulis pada 1979, “meminta diagram lengkap sambungan saraf dalam satu milimeter kubik jaringan otak adalah hal mustahil.”
Kini, connectome otak tikus menjadi penerus dari upaya sebelumnya. Seperti pemetaan otak cacing nematoda C. elegans pada 2019 dan pemetaan seluruh neuron otak lalat buah pada 2024.
Satu milimeter kubik otak tikus ternyata 20 kali lebih besar dan jauh lebih kompleks dibanding seluruh otak lalat buah. Meskipun begitu, para ilmuwan berharap bisa memetakan seluruh otak tikus dalam waktu dekat.
“Saat ini, jawabannya adalah belum bisa. Tapi semua orang punya ide jelas tentang bagaimana bisa menembus batasan itu. Kami berharap dalam tiga atau empat tahun, kami bisa mengatakan, ya, ini bisa dilakukan,” kata Collman kepada CNN.
Namun untuk otak manusia, tantangannya jauh lebih besar. “Otak manusia sekitar 1.500 kali lebih besar dari otak tikus. Jadi, itu membawa banyak tantangan teknis dan etika,” tambahnya.
Meski begitu, Dr. Clay Reid dari Allen Institute menambahkan, mungkin saja kelak kita bisa menelusuri akson di seluruh otak manusia — meskipun belum sampai ke tingkat koneksi sinaps. “Prospek untuk merekonstruksi seluruh otak manusia di tingkat sambungan saraf masih jauh di masa depan.”
Cara Baru untuk Mempelajari Alzheimer
Neokorteks sangat menarik untuk dipelajari karena bagian otak ini yang membedakan mamalia dari vertebrata lainnya, kata Dr. Mariela Petkova dan Dr. Gregor Schuhknecht dari Harvard University dalam artikel pendamping penelitian ini. Mereka tidak terlibat dalam proyek pemetaan otak tikus tersebut.
“Wilayah ini dianggap sebagai pusat kognisi tingkat tinggi dan memainkan peran penting dalam persepsi sensorik, pemrosesan bahasa, perencanaan, dan pengambilan keputusan,” tulis mereka.
Tikus laboratorium telah lama digunakan sebagai model untuk memahami penyakit manusia. Dengan memahami bentuk dan fungsi otak tikus secara lebih rinci, para peneliti kini memiliki peluang baru untuk mempelajari gangguan otak manusia seperti Alzheimer, Parkinson, autisme, dan skizofrenia — yang semuanya berkaitan dengan gangguan komunikasi saraf.
“Kalau Anda punya radio rusak dan ada diagram sirkuitnya, Anda akan lebih mudah memperbaikinya,” kata da Costa. “Kami sedang menggambarkan semacam peta Google atau cetak biru dari butiran pasir ini. Di masa depan, kita bisa menggunakannya untuk membandingkan sambungan otak tikus sehat dengan tikus model penyakit.” (CNN/Z-2)
