Ilmuwan Membuat Peta Otak Paling Detail di Dunia dari Butiran Jaringan Otak

SEATTLE - Sejumlah ilmuwan baru-baru ini telah menciptakan diagram jaringan otak mamalia yang paling terperinci hingga saat ini, memetakan setiap sel dan sinaps dalam satu milimeter kubik korteks visual tikus.

Dikutip dari laman neurosciencenews edisi Rabu (9/4), berkat bantuan mikroskopi mutakhir, kecerdasan buatan (AI), dan rekonstruksi 3D, para peneliti berhasil “menangkap” lebih dari 200.000 sel dan lebih dari 500 juta koneksi.

Penelitian ini mengungkap prinsip-prinsip mengejutkan tentang organisasi otak, termasuk perilaku sel penghambat baru dan koordinasi di seluruh jaringan. Pencapaian ini menyediakan alat dasar untuk memahami fungsi otak, kecerdasan, dan gangguan neurologis.

Dampak ilmiah penemuan ini menawarkan wawasan baru tentang penyakit otak dan model kecerdasan. Dari sampel jaringan yang sangat kecil, yang tidak lebih besar dari sebutir pasir, para ilmuwan telah berhasil mencapai tujuan yang dulunya dianggap mustahil tercapai yaitu menyusun diagram jaringan fungsional yang lengkap dari sebagian otak.

Pada tahun 1979, ahli biologi molekular terkenal, Francis Crick, menyatakan bahwa  amat mustahil untuk membuat diagram jaringan yang tepat untuk satu milimeter kubik jaringan otak dan cara semua neuronnya bekerja. Namun selama tujuh tahun terakhir, tim peneliti global yang terdiri lebih dari 150 ahli saraf dan ilmuwan telah membuat terobosan untuk membuat hal yang mustahil itu menjadi kenyataan.

Melalui Proyek Kecerdasan Mesin dari Jaringan Kortikal (Machine Intelligence from Cortical Networks/MICrONS), mereka telah membangun diagram jaringan otak mamalia yang paling terperinci hingga saat ini.

Diagram jaringan otak beserta datanya itu tercatat ukuran memori sebesar 1,6 petabyte (setara dengan 22 tahun tayangan video HD tanpa henti), dan menawarkan wawasan yang belum pernah terlihat sebelumnya tentang fungsi otak dan organisasi sistem visual.

“Penemuan MICrONS yang dipublikasikan dalam edisi khusus  Nature  ini merupakan momen penting bagi ilmu saraf, yang sebanding dengan Proyek Genom Manusia dalam potensi transformatifnya,” kata David A Markowitz, mantan manajer program IARPA yang mengkoordinasikan pekerjaan ini.

Para ilmuwan di Baylor College of Medicine memulai proyek ini dengan menggunakan mikroskop khusus untuk merekam aktivitas otak dari bagian satu milimeter kubik korteks visual tikus saat hewan tersebut menonton berbagai film dan klip YouTube.

Setelah itu, para peneliti di Institut Allen mengambil milimeter kubik otak yang sama dan mengirisnya menjadi lebih dari 25.000 lapisan, yang masing-masing lebarnya 1/400 rambut manusia, dan menggunakan serangkaian mikroskop elektron untuk mengambil gambar beresolusi tinggi dari setiap irisan.

Akhirnya, tim lain di Universitas Princeton menggunakan kecerdasan buatan dan pembelajaran mesin untuk merekonstruksi sel dan koneksinya menjadi 3D.

Dikombinasikan dengan rekaman aktivitas otak, hasilnya adalah diagram jaringan dan peta fungsional otak terbesar hingga saat ini,  yang berisi lebih dari 200.000 sel, empat kilometer akson (cabang yang menjangkau sel lain) dan 523 juta sinapsis (titik koneksi antara sel).

“Di dalam titik kecil itu terdapat keseluruhan arsitektur seperti hutan yang sangat indah,” kata Clay Reid, peneliti senior dan salah satu pendiri awal konektomika mikroskop elektron yang membawa bidang sains ini ke Allen Institute 13 tahun yang lalu.

“Ia memiliki berbagai macam aturan koneksi yang kita ketahui dari berbagai bagian ilmu saraf, dan dalam rekonstruksi itu sendiri, kita dapat menguji teori-teori lama dan berharap menemukan hal- hal baru yang belum pernah dilihat siapa pun sebelumnya.”

Pandangan Baru tentang Fungsi dan Organisasi Otak

Temuan dari penelitian ini mengungkap jenis sel baru, karakteristik, prinsip organisasi dan fungsi, serta cara baru untuk mengklasifikasikan sel. Di antara temuan yang paling mengejutkan adalah penemuan prinsip baru penghambatan dalam otak. Para ilmuwan sebelumnya menganggap sel penghambat sel yang menekan aktivitas saraf sebagai kekuatan sederhana yang meredam aksi sel lain.

Namun, para peneliti menemukan tingkat komunikasi yang jauh lebih canggih: Selsel penghambat tidak bertindak acak; sebaliknya, mereka sangat selektif tentang sel-sel perangsang yang mereka targetkan, sehingga menciptakan sistem koordinasi dan kerja sama di seluruh jaringan. Beberapa sel penghambat bekerja sama, menekan beberapa sel perangsang, sementara sel lainnya lebih tepat, hanya menargetkan jenis tertentu.

 “Ini adalah masa depan dalam banyak hal,” jelas Andreas Tolias, salah satu ilmuwan utama yang mengerjakan proyek ini di Baylor College of Medicine dan Universitas Stanford. “MICrONS akan menjadi tonggak penting dalam membangun model dasar otak yang mencakup berbagai tingkat analisis, mulai dari tingkat perilaku hingga tingkat representasi aktivitas saraf dan bahkan hingga tingkat molekuler.

 Apa Artinya Hal Ini bagi Sains dan Kedokteran?” Memahami bentuk dan fungsi otak serta kemampuan menganalisis hubungan terperinci antara neuron dalam skala yang belum pernah terjadi sebelumnya membuka kemungkinan baru untuk mempelajari otak dan kecerdasan. Hal ini juga memiliki implikasi untuk gangguan seperti Alzheimer, Parkinson, autisme, dan skizofrenia yang melibatkan gangguan dalam komunikasi saraf.

 “Jika Anda memiliki radio yang rusak dan Anda memiliki diagram sirkuitnya, Anda akan berada dalam posisi yang lebih baik untuk memperbaikinya,” kata Nuno da Costa, peneliti asosiasi di Allen Institute. “Kami menggambarkan semacam peta Google atau cetak biru dari butiran pasir ini. Di masa mendatang, kami dapat menggunakannya untuk membandingkan jaringan otak pada tikus yang sehat dengan jaringan otak pada model penyakit.”

Kolaborasi Lintas Batas

Proyek MICrONS merupakan upaya kolaboratif lebih dari 150 ilmuwan dan peneliti dari Allen Institute, Princeton, Harvard, Baylor College of Medicine, Stanford dan banyak lainnya. “Melakukan penelitian ilmiah berskala besar seperti ini membutuhkan banyak kerja sama,” kata Forrest Collman, Ph.D., direktur asosiasi data dan teknologi di Allen Institute.

“Orang-orang harus bermimpi besar dan sepakat untuk mengatasi masalah yang tampaknya tidak dapat dipecahkan, dan begitulah kemajuan terjadi.” Upaya kolaboratif global ini dimungkinkan berkat dukungan dari Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) dan Inisiatif Brain Research Through A dvancing Innovative Neurotechnologies ®? dari National Institutes of Health, atau The BRA IN Initiative ®.

“BRA IN Initiative memainkan peran penting dalam menyatukan para ilmuwan dari berbagai disiplin ilmu untuk melakukan penelitian yang kompleks dan menantang yang tidak dapat dicapai secara terpisah,” kata John Ngai, direktur The BRA IN Initiative®.

 “Komponen dasar sains, seperti bagaimana otak bekerja, merupakan fondasi yang kita butuhkan untuk lebih memahami cedera dan penyakit otak, untuk membawa perawatan dan penyembuhan lebih dekat ke penggunaan klinis.” Peta konektivitas, bentuk, dan fungsi neuron dari bagian otak yang berukuran sebutir pasir bukan sekadar keajaiban ilmiah, tetapi sebuah langkah maju menuju pemahaman asal-usul pikiran, emosi, dan kesadaran yang sulit dipahami.

Tugas “mustahil” yang pertama kali dibayangkan oleh Francis Crick pada 1979 kini selangkah lebih dekat dengan kenyataan. SB/And/neurosciencenews/I-1