Sebuah kemajuan dalam penelitian otak yang dulunya dianggap mustahil

ZONAUTARA.com – Otak manusia sangat kompleks sehingga otak ilmiah kesulitan memahaminya. Sepotong jaringan saraf seukuran sebutir pasir mungkin berisi ratusan ribu sel yang dihubungkan oleh kabel sepanjang bermil-mil. Pada tahun 1979, Francis Crick, ilmuwan pemenang hadiah Nobel, menyimpulkan bahwa anatomi dan aktivitas dalam satu milimeter kubik materi otak akan selamanya melampaui pemahaman kita.

“Tidak ada gunanya meminta sesuatu yang mustahil,” tulis Dr. Crick .

Empat puluh enam tahun kemudian, sebuah tim yang terdiri dari lebih dari 100 ilmuwan telah mencapai hal yang mustahil itu, dengan merekam aktivitas seluler dan memetakan struktur dalam satu milimeter kubik otak tikus — kurang dari satu persen dari volume penuhnya. Dalam mencapai prestasi ini, mereka mengumpulkan 1,6 petabyte data — setara dengan 22 tahun video definisi tinggi tanpa henti.

“Ini adalah tonggak sejarah,” kata Davi Bock, seorang ahli saraf di University of Vermont yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut , yang diterbitkan pada hari Rabu di jurnal Nature. Dr. Bock mengatakan bahwa kemajuan yang memungkinkan pemetaan satu milimeter kubik otak menjadi pertanda baik untuk tujuan baru: memetakan jaringan seluruh otak tikus.

“Itu benar-benar bisa dilakukan, dan saya pikir itu layak dilakukan,” katanya.

Lebih dari 130 tahun telah berlalu sejak ahli saraf Spanyol Santiago Ramón y Cajal pertama kali mengamati neuron-neuron individual di bawah mikroskop, dan menemukan bentuk-bentuk cabangnya yang aneh. Generasi-generasi ilmuwan selanjutnya menemukan banyak detail tentang bagaimana sebuah neuron mengirimkan lonjakan tegangan ke lengan panjang, yang disebut akson. Setiap akson melakukan kontak dengan cabang-cabang kecil, atau dendrit, dari neuron-neuron di sekitarnya. Beberapa neuron merangsang neuron-neuron di sekitarnya untuk melepaskan lonjakan tegangan mereka sendiri. Beberapa menenangkan neuron-neuron lainnya.

Pikiran manusia entah bagaimana muncul dari campuran antara eksitasi dan inhibisi ini. Namun bagaimana hal itu terjadi masih menjadi misteri besar, terutama karena para ilmuwan hanya mampu mempelajari beberapa neuron pada satu waktu.

Dalam beberapa dekade terakhir, kemajuan teknologi telah memungkinkan para ilmuwan untuk mulai memetakan otak secara keseluruhan. Pada tahun 1986, para peneliti Inggris menerbitkan rangkaian cacing kecil, yang terdiri dari 302 neuron. Pada tahun-tahun berikutnya, para peneliti memetakan otak yang lebih besar, seperti 140.000 neuron di otak seekor lalat .

Mungkinkah impian Dr. Crick yang mustahil itu menjadi kenyataan? Pada tahun 2016, pemerintah Amerika Serikat memulai upaya senilai $100 juta untuk memindai satu milimeter kubik otak tikus. Proyek yang disebut Machine Intelligence from Cortical Networks atau MICrONS ini dipimpin oleh para ilmuwan di Allen Institute for Brain Science, Princeton University, dan Baylor College of Medicine.

Para peneliti memusatkan perhatian pada bagian otak tikus yang menerima sinyal dari mata dan merekonstruksi apa yang dilihat hewan tersebut. Pada tahap pertama penelitian, tim merekam aktivitas neuron di wilayah tersebut sambil memperlihatkan video berbagai lanskap kepada tikus.

Para peneliti kemudian membedah otak tikus dan menyiram milimeter kubik itu dengan bahan kimia pengeras. Kemudian mereka memotong 28.000 irisan dari blok jaringan, mengambil gambar masing-masing irisan. Komputer dilatih untuk mengenali garis besar sel di setiap irisan dan menghubungkan irisan-irisan itu menjadi bentuk tiga dimensi. Secara keseluruhan, tim tersebut memetakan 200.000 neuron dan jenis sel otak lainnya, bersama dengan 523 juta koneksi saraf.

Bagi Nuno da Costa, seorang ahli biologi di Allen Institute dan salah satu pemimpin proyek tersebut, menyaksikan sel-sel terbentuk di layar komputernya saja sudah sangat menakjubkan. “Neuron-neuron ini benar-benar menakjubkan — hal itu membuat saya senang,” katanya.

Untuk memahami bagaimana jaringan neuron ini berfungsi, Dr. da Costa dan rekan-rekannya memetakan aktivitas yang telah direkam saat tikus menonton video.

“Bayangkan Anda datang ke sebuah pesta yang dihadiri 80.000 orang, dan Anda dapat mengikuti setiap percakapan, tetapi Anda tidak tahu siapa yang berbicara dengan siapa,” kata Dr. da Costa. “Dan sekarang bayangkan Anda memiliki cara untuk mengetahui siapa yang berbicara dengan siapa, tetapi Anda tidak tahu apa yang mereka katakan. Jika Anda memiliki dua hal ini, Anda dapat menceritakan kisah yang lebih baik tentang apa yang terjadi di pesta tersebut.”

Dengan menganalisis data tersebut, para peneliti menemukan pola-pola dalam jaringan otak yang selama ini luput dari perhatian. Misalnya, mereka mengidentifikasi berbagai jenis neuron penghambat yang hanya terhubung dengan jenis neuron tertentu lainnya.

“Ketika Anda mulai mempelajari otak, tampaknya tidak ada harapan — ada begitu banyak koneksi dan begitu banyak kompleksitas,” kata Mariela Petkova, seorang ahli biofisika di Harvard yang tidak terlibat dalam proyek MICrONS. “Menemukan aturan pengkabelan adalah sebuah kemenangan. Otak jauh lebih rapi daripada yang dipikirkan orang,” katanya.

Banyak peneliti MICrONS kini tengah terlibat dalam proyek yang lebih besar : memetakan seluruh otak tikus. Dengan volume 500 milimeter kubik, seluruh otak akan membutuhkan waktu puluhan atau ratusan tahun untuk dipetakan dengan metode terkini. Para ilmuwan harus menemukan trik tambahan untuk menyelesaikan proyek tersebut dalam satu dekade.

“Apa yang telah mereka lakukan untuk sampai di sini adalah tindakan heroik,” kata Gregory Jefferis, seorang ahli saraf di Universitas Cambridge yang tidak terlibat dalam proyek MICrONS. “Namun, kita masih harus berjuang keras.”

Forrest Collman, anggota proyek MICrONS di Allen Institute, optimis. Ia dan rekan-rekannya baru-baru ini menemukan cara membuat irisan tipis mikroskopis dari seluruh otak tikus. “Beberapa hambatan ini mulai runtuh,” kata Dr. Collman.

Namun otak kita sendiri, yang kira-kira seribu kali lebih besar dari otak tikus, menghadirkan tantangan yang jauh lebih besar, imbuhnya. “Otak manusia saat ini terasa berada di luar jangkauan kemungkinan,” katanya. “Kita tidak akan sampai ke sana dalam waktu dekat.”

Namun Sebastian Seung, seorang ahli saraf di Princeton dan anggota proyek MICrONS, mencatat bahwa otak tikus dan otak manusia cukup mirip sehingga para peneliti dapat memperoleh petunjuk yang dapat membantu mereka menemukan obat untuk mengobati gangguan psikologis secara efektif tanpa menimbulkan efek samping yang berbahaya.

“Metode manipulasi sistem saraf yang kita lakukan saat ini adalah instrumen yang sangat tumpul,” kata Dr. Seung. “Anda memasukkan obat, dan obat itu akan menyebar ke mana-mana,” imbuhnya. “Namun, mampu menjangkau dan memanipulasi jenis sel — itulah presisi.”

Upaya untuk memetakan seluruh otak tikus didukung oleh pendanaan dari program National Institutes of Health yang telah berjalan lama yang disebut inisiatif BRAIN . Namun, masa depan upaya tersebut tidak pasti. Tahun lalu, Kongres memangkas pendanaan untuk inisiatif BRAIN sebesar 40 persen , dan bulan lalu Presiden Trump menandatangani RUU yang memangkas dukungan sebesar 20 persen lagi.

Dr. Bock mencatat bahwa upaya pemetaan otak seperti MICrONS memakan waktu bertahun-tahun, sebagian karena memerlukan penemuan teknologi dan perangkat lunak baru.

“Kita memerlukan konsistensi dan kepastian pendanaan sains untuk mewujudkan tujuan jangka panjang ini,” kata Dr. Bock.

Direpost dari: The New York Times