Komunikasi Otak dan Pencernaan Pengaruhi Kesehatan Neurologis

Tim insinyur MIT berhasil menunjukkan komunikasi antar organ tubuh khususnya antara otak dan sistem pencernaan yang berpengaruh pada kesehatan. Dengan menciptakan sensor dan antarmuka, tim dapat menunjukkan pengaruh keduanya terhadap kesehatan seperti autisme dan penyakit Parkinson.

Otak dan saluran pencernaan terus berkomunikasi, menyampaikan sinyal yang membantu mengontrol makan dan perilaku lainnya. Jaringan komunikasi yang luas ini juga mempengaruhi kondisi mental dan menyebabkan terjadinya banyak gangguan saraf, seperti pada kondisi neurologis seperti autisme dan penyakit Parkinson

Untuk menyelidiki hubungan tersebut, para insinyur Massachusetts Institute of Technology (MIT) telah merancang teknologi baru. Mereka menggunakan serat yang disematkan dengan berbagai sensor, serta sumber cahaya untuk stimulasi optogenetik.

Optogenetik digunakan di berbagai protein teraktivasi cahaya yang dikode secara genetik untuk memanipulasi sel-sel dengan cahaya melalui metode non invasif. Singkatnya, optogenetik adalah peralatan untuk manipulasi sistem saraf.

Melalui optogenetik para peneliti telah menunjukkan bahwa mereka dapat mengontrol sirkuit saraf yang menghubungkan usus dan otak pada tikus. Dalam sebuah studi baru, para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat menginduksi perasaan kenyang atau perilaku memanipulasi sel-sel usus.

Di masa depan ketika diterapkan pada manusia mereka berharap dapat mengeksplorasi beberapa korelasi yang telah diamati, yaitu antara kesehatan pencernaan dan kondisi neurologis. Dua contohnya adalah autisme dan penyakit Parkinson.

Peneliti menggunakan serat fleksibel yang dilengkapi dengan sensor dan sumber cahaya. Sistem ini dapat digunakan untuk memanipulasi dan memantau hubungan antara otak dan saluran pencernaan pada tikus.

"Hal yang menarik di sini adalah kami sekarang memiliki teknologi yang dapat mendorong fungsi dan perilaku usus seperti makan. Lebih penting lagi, kita memiliki kemampuan untuk mulai mengakses crosstalk antara usus dan otak dengan presisi optogenetika milidetik, dan kita dapat melakukannya dalam perilaku hewan," kata Polina Anikeeva, Direktur Asosiasi Laboratorium Riset Elektronik MIT, dan anggota Institut Riset Otak McGovern MIT, dikutip Scitech Daily.

Anikeeva adalah penulis senior studi baru yang diterbitkan pada 22 Juni di jurnal Nature Biotechnology. Penulis utama makalah ini adalah mahasiswa pasca sarjana MIT Atharva Sahasrabudhe, mahasiswa pasca doktoral Universitas Duke, Laura Rupprecht, mahasiswa pascadoktoral MIT, Sirma Orguc, dan mantan mahasiswa pascadoktoral MIT, Tural Khudiyev.

Koneksi Otak-Tubuh

Tahun lalu, Institut McGovern meluncurkan K Lisa Yang Brain-Body Center untuk mempelajari interaksi antara otak dan organ tubuh lainnya. Penelitian di pusat tersebut berfokus untuk menjelaskan bagaimana interaksi ini membantu membentuk perilaku dan kesehatan secara keseluruhan dengan tujuan mengembangkan terapi masa depan untuk berbagai penyakit.

Anikeeva mengatakan ada persilangan dua arah yang terus menerus antara tubuh dan otak. Untuk waktu yang lama, mereka mengira otak adalah tiran yang mengirimkan output ke organ dan mengontrol segalanya tanpa melakukan komunikasi dengan organ tubuh lain.

"Tapi sekarang kita tahu ada banyak umpan balik kembali ke otak, dan umpan balik ini berpotensi mengendalikan beberapa fungsi yang sebelumnya kita kaitkan secara eksklusif dengan kontrol saraf pusat," kata dia.

Sebagai bagian dari pekerjaan pusat tersebut, Anikeeva berangkat untuk menyelidiki sinyal yang melewati antara otak dan sistem saraf usus, juga disebut sistem saraf enterik. Sel-sel sensorik di usus mempengaruhi rasa lapar dan kenyang melalui komunikasi saraf dan pelepasan hormon.

Mengurai efek hormonal dan saraf itu sulit karena belum ada cara yang baik untuk mengukur sinyal saraf dengan cepat, yang terjadi dalam milidetik. Pasalnya sampai saat ini belum ada alat yang dapat mengukur hal tersebut sehingga mereka membuatnya.

"Untuk dapat melakukan optogenetika usus dan kemudian mengukur efeknya pada fungsi dan perilaku otak, yang membutuhkan ketelitian milidetik, kami memerlukan perangkat yang belum ada. Jadi, kami memutuskan untuk membuatnya," kata Sahasrabudhe, yang memimpin pengembangan probe usus dan otak.

Antarmuka elektronik yang dirancang peneliti terdiri dari serat fleksibel yang dapat menjalankan berbagai fungsi dan dapat dimasukkan ke dalam organ yang diinginkan. Untuk membuat serat, Sahasrabudhe menggunakan teknik yang disebut gambar termal, yang memungkinkannya membuat filamen polimer, setipis rambut manusia, yang dapat disematkan dengan elektroda dan sensor suhu.

Filamen juga membawa perangkat pemancar cahaya berskala mikro yang dapat digunakan untuk merangsang sel secara optogenetik, dan saluran mikrofluida yang dapat digunakan untuk menghantarkan obat.

Sifat mekanis serat dapat disesuaikan untuk digunakan di berbagai bagian tubuh. Untuk otak, para peneliti menciptakan serat yang lebih kaku yang bisa dijalin jauh ke dalam otak. Untuk organ pencernaan seperti usus, mereka merancang serat karet yang lebih halus yang tidak merusak lapisan organ namun masih cukup kokoh untuk menahan lingkungan saluran pencernaan yang keras.

"Untuk mempelajari interaksi antara otak dan tubuh, perlu dikembangkan teknologi yang dapat berinteraksi dengan organ yang diminati serta otak pada saat yang sama, sambil merekam sinyal fisiologis dengan rasio signal-to-noise yang tinggi," kata Sahasrabudhe.

Mereka juga harus dapat secara selektif merangsang jenis sel yang berbeda di kedua organ pada percobaan menggunakan tikus. Dengan demikian dapat diuji perilakunya dan melakukan analisis sebab akibat dari sirkuit ini.

Serat juga dirancang agar dapat dikontrol secara nirkabel, menggunakan sirkuit kontrol eksternal yang dapat ditempelkan sementara pada hewan selama percobaan. Sirkuit kontrol nirkabel ini dikembangkan oleh Orguc, seorang Schmidt Science Fellow, dan Harrison Allen yang menjadi penasihat bersama antara lab Anikeeva dan lab Anantha Chandrakasan, dekan Fakultas Teknik MIT, dan Vannevar Bush, profesor Teknik Elektro dan Ilmu Komputer. hay/I-1