Pemetaan Sinaps untuk Pengobatan yang Disesuaikan Mencapai Terobosan

Ada sekitar 86 miliar neuron di otak manusia. Mereka membentuk triliunan koneksi sinaptik, dengan setiap neuron terhubung ke neuron lain untuk menciptakan jaringan yang kompleks. 

Melalui sinyal sinaptik, neuron berkomunikasi satu sama lain di sinaps, yang merupakan sambungan tempat neuron dapat menstimulasi atau menghambat neuron lain. 

Sementara itu, koneksi sinaptik adalah sambungan antara neuron di mana mereka berkomunikasi menggunakan sinyal listrik dan kimia. Pemetaan koneksi sinaptik adalah proses mengidentifikasi bagaimana neuron terhubung satu sama lain dan seberapa kuat koneksi tersebut. Struktur koneksi ini diyakini menentukan fungsi otak, menjadikan proses ini sangat penting. 

Namun, pemetaan dan karakterisasi koneksi sinaptik masih menjadi tantangan terbuka. Saat ini, kami terbatas pada pemetaan hanya beberapa ratus koneksi sinaptik. Namun, studi terbaru dari peneliti Harvard telah memperluasnya menjadi lebih dari 70.000 dengan akurasi, menjadikannya terobosan besar di bidang ilmu saraf, khususnya pencatatan neuron. 

Pemetaan dan katalogisasi pada skala ini dicapai dari sekitar 2.000 neuron tikus dengan bantuan chip silikon berelektroda mikrolubang yang dapat mendeteksi sinyal sinaptik kecil namun signifikan secara bersamaan. 

Kemajuan semacam ini dapat membantu kami membuat peta terperinci koneksi sinaptik dan memungkinkan kami lebih memahami bagaimana neuron terhubung dan berkomunikasi. 

Studi berjudul “Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array” dipublikasikan di Nature Biomedical Engineering bulan ini¹. dipublikasikan

Paralelisasi pencatatan intraseluler neuron pada skala besar, menurut studi, merupakan tantangan besar yang harus diatasi karena memungkinkan pengukuran sinyal sinaptik di seluruh jaringan neuron, yang pada gilirannya memungkinkan pemetaan serta karakterisasi koneksi sinaptik.

Meningkatkan Pencatatan Neuronal dengan Inovasi Chip Canggih

Untuk visualisasi struktur sinaptik, mikroskop elektron (EM) terbukti sangat efektif, namun tidak dapat mengukur kekuatan koneksi neuron. Hal ini membatasi kemampuan teknik tersebut untuk menjelaskan fungsi jaringan neuronal. 

Di sinilah pencatatan patch-clamp berperan, menawarkan teknik yang lebih tepat untuk mempelajari aktivitas sinaptik karena dapat menembus neuron individu dan menangkap sinyal lemah sekalipun dengan sensitivitas tinggi. 

Ilmuwan Erwin Neher dan Bert Sakmann menerima Hadiah Nobel 1991 dalam Fisiologi atau Kedokteran untuk teknik patch-clamp. Alat pengukuran eksperimental tersebut membuktikan keberadaan dan fungsi saluran ion dalam menggerakkan tugas penting pada sel hidup seperti kontraksi otot dan transmisi impuls saraf. Teknik ini juga memungkinkan fitur utama saluran tersebut didefinisikan dengan presisi tinggi. 

Meskipun metode ini dapat membantu peneliti mengidentifikasi dan mengukur kekuatan koneksi, para ilmuwan selama ini kesulitan merekam sinyal intraseluler dari lebih dari beberapa neuron sekaligus hingga kini. 

Dipimpin oleh co-senior author Donhee Ham, Profesor Teknik dan Ilmu Terapan di Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), para peneliti dari departemen ini, serta Departemen Kimia dan Biologi Kimia Harvard, membangun sebuah chip canggih. 

Lebih tepatnya, tim telah membangun sebuah array berisi 4.096 elektroda mikrolubang pada sebuah chip. Perangkat ini melakukan pencatatan intraseluler secara paralel masif pada sekitar 2.000 neuron tikus. 

Hal ini memberikan peneliti data melimpah tentang sinyal sinaptik, dari mana mereka mengekstrak lebih dari 70.000 koneksi sinaptik. 

Pekerjaan ini sebenarnya membangun di atas perangkat terobosan yang dikembangkan tim beberapa tahun lalu. Pada saat itu, sebuah array berisi 4.096 elektroda nanoneedle vertikal menonjol dari chip silikon dengan desain sirkuit terintegrasi yang sama. 

Chip elektronik tersebut menampilkan array padat elektroda berskala nanometer yang berdiri vertikal, dilapisi bubuk platina (untuk meningkatkan kemampuan penghantaran sinyal) pada permukaannya. 

Pada perangkat itu, neuron dapat melilitkan diri di sekitar jarum untuk memungkinkan pencatatan intraseluler, diparalelkan melalui sejumlah besar elektroda. Pada saat itu, tim berhasil merekam lebih dari 1.700 neuron tikus dan memetakan lebih dari 300 koneksi sinaptik. 

Angka-angka yang dicapai merupakan rekor, namun tim merasa dapat meningkatkan lebih jauh, sehingga dilakukan studi terbaru. 

Klik di sini untuk mempelajari apakah memristor menjadi kunci meniru otak manusia.

Merevolusi Pencatatan Intraseluler untuk Pemetaan Konektivitas

Didukung oleh Samsung Advanced Institute of Technology dari Samsung Electronics, tim merancang dan memproduksi array elektroda mikrolubang platinum/platinum-black pada chip complementary metal-oxide semiconductor (CMOS). 

Array tersebut dioperasikan untuk membuka sel secara lembut dengan menyuntikkan arus kecil melalui elektroda guna memparalelkan pencatatan intraseluler mereka. 

Elektronik terintegrasi dalam chip silikon, menurut co-lead author studi dan mantan peneliti postdoc Woo-Bin Jung, yang kini menjadi anggota fakultas di Pohang University of Science and Technology di Korea Selatan, “memainkan peran yang sama pentingnya dengan elektroda mikrolubang, menyediakan arus lembut secara rumit untuk memperoleh akses intraseluler, dan sekaligus merekam sinyal intraseluler.” 

Desain mikrolubang yang digunakan di sini, sementara itu, mirip dengan elektroda patch-clamp. Elektroda mikrolubang ini memiliki dua manfaat utama:

1. Mereka jauh lebih mudah dibuat
2. Mereka berhubungan dengan interior neuron lebih baik daripada elektroda nanoneedle vertikal yang sebelumnya digunakan tim

“Aksesibilitas ini adalah fitur penting lain dari pekerjaan kami.”

– Jun Wang, Peneliti Postdoctoral dan Co-lead Author 

Dengan desain baru ini, tim berhasil meraih hasil yang luar biasa. Rata-rata, 90% elektroda mikrolubang (lebih dari 3.600 dari 4.096) terintegrasi secara intraseluler, yang membantu tim mengekstrak 70.000 koneksi sinaptik yang masuk akal darinya, jauh lebih banyak dibandingkan 300 koneksi dengan array elektroda nanoneedle. 

Tim tidak hanya memperoleh hasil kuantitatif tetapi juga mencapai kualitas dalam data pencatatan mereka, yang memungkinkan mereka mengklasifikasikan koneksi sinaptik berdasarkan kekuatan dan karakteristiknya. 

Koneksi sinaptik dikatalogkan menjadi koneksi sinaptik listrik serta koneksi sinaptik kimia eksitatori kuat/berperistiwa, lemah/tidak berperistiwa, dan inhibitor, dengan perkiraan tingkat kesalahan keseluruhan 5%. 

Menurut studi, pemetaan konektivitas sinaptik pada tingkat seluas ini, serta kemampuan mengidentifikasi koneksi sinaptik, merupakan langkah besar menuju pemetaan konektivitas fungsional jaringan neuronal berskala besar. 

Dalam versi sebelumnya, peneliti menggunakan chip berperforma tinggi untuk menghitung efek obat pada koneksi sinaptik. Pada saat itu, tim menyatakan bahwa mereka sedang membangun sistem skala wafer untuk pengujian obat pada gangguan neurologis seperti kecanduan, autisme, penyakit Alzheimer, penyakit Parkinson, dan skizofrenia. 

Pemetaan jaringan sinaptik biologis juga dapat memberikan strategi baru bagi kecerdasan mesin untuk membangun jaringan saraf tiruan generasi berikutnya dan prosesor neuromorfik. 

Sekarang tim telah memperoleh wawasan tentang koneksi sinaptik dari sejumlah besar data yang mereka dapatkan dari pencatatan intraseluler paralel, mereka “bekerja menuju desain baru yang dapat diterapkan pada otak hidup.” 

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana AI & neuroscience secara bersama-sama mendekode otak manusia.

Kemajuan dalam Pemetaan Otak & Neuroteknologi

Studi seperti ini sangat penting untuk memperdalam pemahaman kita tentang koneksi sinaptik otak yang rumit, mengungkap tidak hanya kompleksitas interaksi neuronal tetapi juga menyediakan dasar bagi penelitian lanjutan dalam pemetaan otak, salah satu dari banyak perkembangan menarik yang membentuk masa depan penelitian otak. 

Otak, pada akhirnya, adalah struktur yang menarik namun kompleks, menjadikannya bidang yang semakin diminati oleh peneliti dan institusi. Menariknya, semakin kita mempelajari dan mengenal otak kita, semakin kompleks pula mereka. Seperti yang dicatat Jeff Lichtman, profesor biologi molekuler dan seluler di Harvard, sekadar mendeskripsikan alam telah mengungkapkan: 

“[Bahwa otak] lebih rumit daripada yang kami kira.”

Selama lebih dari satu dekade, Lichtman telah mengakses area spesifik (satu milimeter kubik) korteks serebri untuk membuat peta terperinci koneksi di otak manusia. Pada akhir tahun lalu, Harvard Magazine melaporkan analisis mereka menemukan bahwa sel glial yang mendukung dan melindungi neuron mendominasi dengan perbandingan 2:1. Namun, penjelasan untuk hal tersebut belum ditemukan. 

Dia dan koleganya juga mengamati beberapa koneksi sangat kuat dengan banyak sinaps pada setiap sel untuk memungkinkan informasi mengalir melalui otak dengan sangat cepat, yang menurut mereka, “mungkin… apa itu memori.” 

Untuk ini, mereka menggunakan jaringan dari lobus temporal seorang wanita dan memotongnya menjadi lebih dari 5.000 bagian, masing-masing dipindai dengan mikroskop elektron multibeam khusus dengan resolusi sangat tinggi. 

Peneliti Google kemudian membangun metode jaringan saraf baru untuk mengidentifikasi objek dalam setiap irisan tersebut dan menggabungkannya menjadi ruang 3D. Sampel berukuran biji yang mereka gambar berisi 57.000 sel, 230 milimeter pembuluh darah, dan 150 juta sinaps. 

Lichtman selanjutnya berencana memetakan seluruh otak tikus, karena hal tersebut belum memungkinkan pada otak manusia. Sementara itu, tim ilmuwan dari Princeton memetakan otak lalat buah dewasa. 

Sebelumnya, peneliti telah memetakan otak larva lalat buah dengan 3.000 neuron, tetapi lalat buah dewasa memiliki hampir 140.000 neuron dan puluhan juta sinaps yang menghubungkannya. Peta tersebut dibangun menggunakan 21 juta gambar otak lalat buah dan model AI. Dengan bantuan cetak biru ini, peneliti berupaya memberikan jawaban tentang neuron mana yang bertanggung jawab atas perilaku tertentu. 

Otak manusia, seperti yang dikatakan John Ngai, direktur BRAIN Initiative NIH AS, “lebih kuat daripada komputer buatan manusia mana pun,” dalam banyak hal, “namun pada dasarnya, kita masih belum memahami logika dasarnya.” 

Dan jika kita tidak memiliki “pemahaman terperinci tentang bagaimana neuron terhubung satu sama lain”, kita tidak akan memiliki pemahaman dasar tentang apa yang terjadi dengan baik di otak sehat atau apa yang salah pada penyakit. 

Inilah mengapa fokus semakin meningkat pada upaya memetakan otak kita. Ilmuwan di The Research Institute of the McGill University Health Centre sebenarnya mengimplementasikan metode yang disebut “optomapping” bulan ini untuk secara dramatis mempercepat studi neuron. 

 Tim telah menguji lebih dari 30.000 kandidat koneksi dan mengkarakterisasi sekitar 1.800 sinaps di korteks visual otak tikus. 

Penemuan kunci yang dibuat menggunakan optomapping meliputi pola koneksi unik pada berbagai tipe neuron inhibitor, yang menantang apa yang kita ketahui tentang proses aliran informasi di lapisan korteks otak. Mereka juga menunjukkan keseimbangan hati-hati pola komunikasi otak, dengan beberapa koneksi memperkuat sinyal dan yang lain menenangkannya. 

Selain itu, mereka mengamati ketidakseimbangan dalam cara tipe neuron yang berbeda diaktifkan, yang dapat membantu pada kondisi seperti autisme dan epilepsi. Dengan menandai perubahan, Optomapping dapat menghasilkan perawatan yang lebih terarah dan efektif. 

Menariknya, bulan ini, raksasa teknologi Meta Platforms (META ) mengumumkan bahwa mereka telah mengembangkan perangkat yang memungkinkan orang menghasilkan teks hanya dengan berpikir. Untuk ini, pemindai otak dan model AI bernama Brain2Qwerty digunakan untuk mendekode bahasa dari otak tanpa operasi. 

Namun, peluang produk ini menjadi komersial sangat rendah karena beberapa kendala. Misalnya, pemindai magnetoensefalografi yang digunakan untuk mendeteksi sinyal magnetik sangat besar, berat sekitar setengah ton, dan mahal, dengan biaya $2 juta. Alat ini juga hanya berfungsi di ruangan yang terlindungi untuk meredam medan magnet Bumi. 

Namun hal ini tentu dapat membantu memajukan pemahaman kita tentang otak manusia dan komunikasi. 

“Mencoba memahami arsitektur atau prinsip tepat otak manusia dapat menjadi cara untuk memberi informasi pada pengembangan kecerdasan mesin. Itulah jalannya.”

– Kepala tim Brain & AI Meta, Jean-Rémi King, mengatakan kepada Tech Review. 

Temuan menunjukkan bahwa sistem dapat mendeteksi tombol apa yang akan ditekan oleh pengetik “terampil” dengan akurasi hingga 80%. Meskipun tidak sempurna, peneliti mengatakan cukup akurat untuk menyusun kalimat lengkap dari sinyal otak. 

Perkembangan ini berasal dari perusahaan dengan kapitalisasi pasar $1,76 triliun, yang terutama bergerak di media sosial dan AI, mungkin tampak mengejutkan bagi sebagian orang, namun Meta telah terlibat dalam penelitian neuroteknologi selama bertahun-tahun. 

Selain itu, tidak seperti perusahaan yang hanya fokus pada neuroteknologi murni, Meta adalah perusahaan yang menguntungkan, yang berarti dapat berinvestasi dalam penelitian terkait tanpa khawatir tentang sumber daya. 

Sebagai konteks, perusahaan baru-baru ini melaporkan hasil Q4-nya, yang menunjukkan peningkatan pendapatan sebesar 21% YoY menjadi $48,39 miliar. Setelah semua, rata-rata 3,35 miliar pengguna aktif harian (DAP) menggunakan produk mereka. Selama periode ini, Meta mencatat biaya dan pengeluaran sebesar $25,02 miliar dan belanja modal sebesar $14,84 miliar, sementara arus kas bebasnya $13,15 miliar, dan kas, setara kas, serta sekuritas yang dapat diperdagangkan sebesar $77,81 miliar. Mereka juga mengumumkan investasi sekitar $60‑$65 miliar dalam AI tahun ini. 

Perusahaan yang Mendorong Kemajuan di Bidang Ini

Sekarang, mari kita lihat perusahaan publik terkemuka yang membuat kemajuan signifikan di bidang ini. 

1. Neuronetics, Inc.

Perusahaan teknologi medis ini mengembangkan produk untuk pasien yang menderita gangguan neurokesehatan. Sistem NeuroStar Advanced Therapy-nya adalah perawatan non-invasif yang menggunakan stimulasi magnetik transkranial (TMS) untuk merangsang area otak yang terkait dengan suasana hati. Sistem ini digunakan untuk mengobati pasien dewasa dengan gangguan depresi mayor (MDD). 

Dengan kapitalisasi pasar $267 juta, saham STIM diperdagangkan pada $4,80 pada saat penulisan ini, naik sebesar 198,14% YTD. EPS (TTM)-nya adalah -1,22, dan P/E (TTM)-nya adalah -3,94. 

Untuk Q3 2024, Neuronetics melaporkan pendapatan $18,5 juta, kerugian bersih $13,3 juta, dan penurunan posisi kas menjadi $20,9 juta dari $59,7 juta pada akhir 2023. Selama periode ini, perusahaan mengirimkan 48 sistem NeuroStar di AS, dan pendapatannya mencapai $4,1 juta, sementara sesi perawatan meningkat 2%. 

Neuronetics juga mengakuisisi Greenbrook TMS , yang diharapkan mempercepat jalurnya menuju profitabilitas, menurut CEO Keith J. Sullivan. 

Menurut hasil Q4 preliminer, pendapatan Neuronetics untuk Q4 diperkirakan sebesar $22,1 juta dan $74,5 juta untuk keseluruhan 2024. Namun, mereka telah mengumumkan harapan yang lebih baik untuk tahun ini, dengan total pendapatan antara $145 juta dan $155 juta serta arus kas positif pada kuartal ketiga. 

#2. NeuroOne Medical Technologies Corporation   

Perusahaan teknologi medis ini mengembangkan solusi minimal invasif untuk stimulasi otak, perekaman EEG, dan solusi ablasi bagi mereka yang menderita gangguan neurologis seperti epilepsi, distonia, tremor, penyakit Parkinson, dan nyeri kronis. 

Produknya mencakup teknologi elektroda kortikal Evo untuk merekam, memantau, dan merangsang jaringan otak. 

Kemudian ada sistem ablasi OneRF untuk membuat “lesi radiofrekuensi pada jaringan saraf untuk prosedur neurobedah fungsional.” NeuroOne sebenarnya telah memperoleh persetujuan FDA untuk Sistem Ablasi OneRF-nya, menjadikannya yang pertama dan satu-satunya yang menerima persetujuan untuk pelaporan aktivitas listrik serta ablasi jaringan saraf. 

Dengan kapitalisasi pasar $34,56 juta, saham NMTC saat ini diperdagangkan pada $1,12, naik 35,61% YTD. EPS (TTM)-nya adalah -0,27, dan P/E (TTM)-nya adalah -4,21. 

Pada kuartal pertama tahun fiskal 2025, perusahaan melaporkan pendapatan produk $3,3 juta dan laba kotor produk $1,9 juta sementara biaya operasional menurun. Pada 31 Desember 2024, perusahaan memiliki kas dan setara kas sebesar $1,1 juta, lebih rendah dibandingkan $1,5 juta pada 30 September 2024. 

Kesimpulan

Terobosan dalam penelitian terkait otak sangat penting bagi kemajuan manusia. Bagaimanapun, otak adalah organ terpenting kita, yang mengendalikan hampir setiap fungsi, mulai dari pikiran, memori, dan emosi hingga gerakan, penglihatan, dan pendengaran. Jadi, memiliki pemahaman yang lebih dalam tentang otak adalah suatu keharusan, dan penelitian terbaru yang membuat kemajuan dalam pemetaan konektivitas sinaptik berskala besar menandai langkah signifikan dalam menguraikan tepat bagaimana neuron berinteraksi dan berkomunikasi.

Seiring kemajuan ini terus disempurnakan, mereka dapat membuka jalan bagi wawasan yang lebih dalam tentang fungsi otak, membantu strategi terapeutik baru untuk kondisi kompleks, dan merevolusi penelitian neurologis. 

Klik di sini untuk daftar perusahaan farmasi blue chip teratas.

Referensi Studi:

1. Wang, J., Jung, W. B., Gertner, R. S., et al. (2025). Synaptic connectivity mapping among thousands of neurons via parallelized intracellular recording with a microhole electrode array. Nature Biomedical Engineering. https://doi.org/10.1038/s41551-025-01352-5