Mikroskop Dua-Foton Memungkinkan Peneliti Memantau Aktivitas Otak secara Waktu Nyata

Pemantauan aktivitas otak telah menjadi komponen inti ilmu saraf sejak kemampuan ini pertama kali muncul. Otak manusia dipahami lebih sedikit dibandingkan alam semesta dan lautan. Oleh karena itu, ada upaya besar untuk mengungkap misteri yang tersembunyi dalam pikiran Anda. Sekarang, peneliti dapat menyelami aktivitas mental secara real time menggunakan metode mikroskop fluoresensi dua-foton yang revolusioner. Berikut yang perlu Anda ketahui.

Memahami aktivitas otak sangat penting bagi banyak industri, termasuk pengobatan penyakit neurologis seperti Alzheimer. Para ilmuwan telah menghabiskan upaya besar untuk mengungkap bagaimana neuron berkomunikasi dan berinteraksi selama proses berpikir. Tujuan penelitian ini adalah untuk sepenuhnya memahami interaksi saraf yang kompleks hingga resolusi seluler.

Peneliti berharap dapat menggunakan data ini untuk menerangi fungsi dasar otak yang suatu hari dapat meningkatkan pembelajaran, memori, pengambilan keputusan, dan perawatan kesehatan. Untuk mencapai tujuan tersebut, mereka menciptakan alat pencitraan dua-foton canggih yang mampu melacak proses saraf dinamis secara waktu nyata, memberikan wawasan lebih dalam tentang otak selama proses belajar, aktivitas, dan kondisi penyakit.

Metode Saat Ini untuk Mendaftarkan Aktivitas Otak

Ada beberapa metode untuk mendaftarkan aktivitas otak yang digunakan saat ini. Pendekatan-pendekatan ini telah membantu industri berkembang hingga saat ini. Namun, mereka memiliki beberapa kelemahan signifikan, termasuk memerlukan lebih banyak waktu untuk memantau aktivitas, dapat membahayakan pasien, dan mahal. Dua metode paling umum yang digunakan saat ini meliputi Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) dan Electroencephalography (EEG).

Pencitraan Resonansi Magnetik Fungsional (fMRI)

Functional Magnetic Resonance Imaging adalah salah satu metode paling canggih yang digunakan untuk memantau gelombang otak saat ini. Prosedur non-invasif ini menggabungkan medan magnet dan gelombang radio untuk membuat gambar 3D dari pulsa elektromagnetik otak Anda. Strategi ini menandai peningkatan besar dibandingkan opsi sebelumnya karena memungkinkan peneliti memperbesar sekumpulan neuron tertentu, sehingga meningkatkan pemahaman mereka tentang aktivitas otak secara signifikan.

Elektroensefalografi (EEG)

Metode lain yang mungkin Anda lihat di film adalah Elektroensefalografi. Pendekatan ini mengukur aktivitas listrik otak Anda. Pasien harus menempatkan sensor khusus di kulit kepala yang sensitif terhadap arus listrik. Metode pelacakan gelombang otak ini telah digunakan sejak 1975 ketika Richard Caton pertama kali menggunakannya untuk melacak pulsa listrik yang ditemukan pada otak kelinci dan monyet dengan sukses.
Sejak itu, metode pendaftaran aktivitas otak ini telah meningkat secara signifikan. Pada tahun 1950-an, iterasi modern pertama EEG diperkenalkan. Metode ini berfungsi dengan setia sebagai metode utama pelacakan gelombang otak hingga tahun 1980-an. Pada tahun 1988, EEG digunakan untuk memungkinkan seseorang mengendalikan robot dan masih dipakai oleh banyak peneliti.

Studi

Studi “Mikroskopi dua-foton berkecepatan tinggi dengan eksitasi garis adaptif” dipublikasikan di Optica yang mengungkap bagaimana mikroskopi dua-foton dapat memberikan gambar berkecepatan tinggi yang tak tertandingi dari aktivitas saraf. Foto-foto ini dihasilkan dengan resolusi seluler menggunakan mikroskop fluoresensi dua-foton yang dirancang khusus.

Mikroskop Fluoresensi Dua-Foton

Mikroskop fluoresensi dua-foton mampu menghasilkan gambar berwarna hidup jauh ke dalam jaringan otak. Untuk mencapai hal ini, mekanisme tersebut memperkenalkan struktur sampling adaptif. Struktur ini diulang sepanjang eksperimen untuk menciptakan gambar 3D dinamis dan peta aktivitas otak.

Strategi Sampling Adaptif

Inti dari studi ini adalah pengenalan strategi sampling adaptif. Metode ini menggantikan teknik iluminasi titik tradisional. Sebagai gantinya, strategi iluminasi garis yang lebih efektif diterapkan bersama metode pemindaian titik yang diperbarui, yang memberikan detail dan kemampuan pemantauan jauh lebih banyak dibandingkan metode sebelumnya.

Pemindaian Titik

Pemindaian titik pada metode lama masih jauh dari harapan. Pertama, ia sangat spesifik sehingga sering menyebabkan ketidakmampuan melacak urutan neuron secara keseluruhan di seluruh otak. Metode pemindaian titik baru menggunakan strategi iluminasi garis yang dimodifikasi untuk meniru metode pemindaian titik beresolusi tinggi. Strategi ini penting untuk mengidentifikasi area otak yang perlu melanjutkan ke langkah berikutnya, yaitu pemindaian garis.

Iluminasi Garis

Iluminasi garis merupakan terobosan bagi insinyur neurologi. Metode ini memproyeksikan garis cahaya kecil melintasi area yang di-sampling. Pendekatan ini menstimulasi fluoresensi, sehingga memudahkan pelacakan sinyal neurologis di seluruh otak dari awal hingga akhir. Selain itu, pendekatan ini memungkinkan area otak yang jauh lebih besar untuk distimulasi, dipindai, dan dipetakan secara waktu nyata.

Pengujian Mikroskop Dua-Foton

Tahap pengujian mikroskop fluoresensi dua-foton melibatkan dua tikus laboratorium, di mana peneliti dapat melacak aktivitas neuronal di korteks tikus secara waktu nyata. Secara khusus, unit ini dapat menangkap sinyal gambar hingga 198 Hz saat ini. Dalam pengujian ini, insinyur melacak sinyal kalsium yang dapat menandakan aktivitas neural terbaru.

Perangkat Digital Micromirror (DMD)

Untuk mencapai tugas ini, pola berkas laser yang dikonfigurasi khusus dibentuk menggunakan digital micromirror device (DMD). Unit ini berisi ribuan cermin mikroskopis. Setiap cermin memiliki kontrol individual yang memungkinkan mereka membentuk dan menargetkan cahaya pada bagian otak yang tepat. Selain itu, cermin dapat diatur untuk mengaktifkan dan menonaktifkan berdasarkan aktivitas neural, memungkinkan pencitraan yang lebih baik di semua keadaan otak.

sumber – Molly M Bechtel, University of California, Davis

Hasil Pengujian Mikroskop Fluoresensi Dua-Foton

Hasil pengujian menghasilkan beberapa data tak terduga yang berpotensi meningkatkan metode saat ini dan mengguncang industri. Pertama, studi ini mengungkap bagaimana mikroskop fluoresensi dua-foton menawarkan wawasan tak tertandingi ke dalam kerja internal otak. Kemampuan untuk membuat gambar berkecepatan tinggi menggunakan eksitasi garis pendek dan skema sampling adaptif membuka pintu bagi banyak potensi penggunaan di masa depan.
Para peneliti menemukan bahwa metode baru ini memungkinkan mereka memantau neuron individu pada tingkat yang belum pernah mungkin sebelumnya. Data baru ini akan digunakan untuk membuat algoritma komputasi canggih yang suatu hari akan membantu ahli saraf mengisolasi dan lebih memahami penggunaan neuron individu.

Manfaat

Studi ini membawa daftar panjang manfaat ke pasar. Pertama, gaya pencitraan otak ini memungkinkan peneliti memahami arsitektur fungsional otak dengan cara yang sebelumnya tak terbayangkan. Mereka kini dapat melihat bagaimana sel-sel otak tertentu berinteraksi dan berkomunikasi selama proses spesifik.

Mengobati Penyakit Neurologis

Pemahaman ini dapat menjadi kunci dalam memerangi peningkatan penyakit neurologis seperti Alzheimer dan Parkinson. Kedua penyakit ini merenggut nyawa ratusan ribu orang setiap tahun. Di AS, sekitar +120 ribu orang meninggal karena Alzheimer saja. Sayangnya, angka ini diperkirakan akan naik menjadi 13,8 juta secara global pada tahun 2060.
Memahami bagaimana otak beroperasi dalam kondisi tersebut dibandingkan saat sehat dapat memungkinkan insinyur menjembatani kesenjangan ini dan mengembalikan otak ke fungsi aslinya. Untuk saat ini, data tersebut memiliki nilai besar dalam membuka banyak rahasia yang diperlukan untuk mewujudkan jenis perawatan ini.

Pembelajaran

Alasan penting lainnya mengapa pemantauan aktivitas otak krusial bagi masa depan suatu negara adalah dapat digunakan untuk meningkatkan pembelajaran. Memahami apa yang membuat memori bertahan atau cara mengingat item lebih cepat hanyalah beberapa bidang yang dapat ditingkatkan oleh gaya pemantauan otak ini. Di masa depan, kurikulum sekolah dapat didasarkan pada retensi neural daripada standar yang beragam saat ini.

Gambar Lebih Cepat

Menggunakan metode lama untuk mengukur aktivitas neurologis memang efektif namun memakan waktu. Mereka juga tidak menyediakan gambar yang cukup cepat untuk memberi peneliti detail yang diperlukan bagi pemahaman kompleks tentang tindakan mental. Metode baru ini 10 kali lebih cepat daripada mikroskopi dua-foton tradisional, memungkinkan peneliti memantau dan melacak fenomena mental yang tidak dapat dideteksi oleh sistem lama.

Lebih Sedikit Kerusakan

Kinerja yang lebih cepat berarti paparan yang lebih sedikit bagi pasien. Selain itu, sistem ini membutuhkan laser yang kurang kuat. Dengan mengurangi daya laser dan memperpendek paparan, pasien menerima jauh lebih sedikit radiasi energi yang ditempatkan pada jaringan otak mereka. Sistem baru hanya menerangi neuron yang bersangkutan, mengurangi risiko kerusakan pada jaringan sensitif.

Biaya Lebih Rendah

Pengurangan biaya adalah manfaat lain yang dimiliki pendekatan baru ini. Menurut studi, mikroskop fluoresensi dua-foton memerlukan daya laser 10 kali lebih rendah dibandingkan metode dua-foton tradisional. Pengurangan daya ini berarti keberlanjutan yang lebih tinggi dan dampak lingkungan yang lebih kecil.

Dapat Diperluas

Salah satu keunggulan terbesar dari teknik baru ini adalah dapat digabungkan dengan metode efektif lainnya secara mulus. Peneliti telah menyatakan rencana untuk menggabungkan perangkat ini dengan prosedur lain seperti multiplexing berkas dan fokus jarak jauh. Teknik-teknik ini meningkatkan kecepatan pencitraan dan memungkinkan pembuatan gambar volumetrik 3D secara waktu nyata.

Peneliti

Studi ini dilakukan di University of California, Davis, dengan Yunyang Li sebagai penulis utama. Tim peneliti mencakup Ben Mattison, Junjie Hu, Kwun Nok Mimi Man, Shu Guo, dan Weijian Yang. Pendanaan proyek berasal dari berbagai sumber, termasuk Burroughs Wellcome Fund, National Science Foundation, National Institute of Neurological Disorders and Stroke, dan National Eye Institute.

Dua Perusahaan yang Dapat Menguntungkan dari Penelitian Ini

Banyak produsen dapat mengintegrasikan teknologi ini ke dalam penawaran mereka untuk memberikan tingkat layanan yang lebih tinggi ke pasar. Dari perusahaan yang berupaya mengurangi demensia hingga perusahaan robotik, ada banyak alasan mengapa memanfaatkan aktivitas otak dan memahaminya masuk akal. Berikut dua perusahaan yang siap mengadopsi teknologi ini dalam beberapa bulan mendatang.

1. BrainChip Holdings Ltd

BrainChip Holdings Ltd adalah simulator perangkat lunak jaringan otak yang populer. Perusahaan ini masuk pasar pada tahun 2004 dan berbasis di Australia. pendirinya, Peter Van Der Made, telah berperan penting dalam menjaga upaya pionir perusahaan tetap fokus pada integrasi kecerdasan buatan (AI) dan pembelajaran mesin (ML) yang canggih untuk meningkatkan hasil mereka.

Saat ini, perusahaan menawarkan berbagai produk, termasuk infrastruktur IoT yang dimodelkan berdasarkan jaringan saraf otak. Produk populer lain yang membantu BrainChip mendapatkan ketenaran adalah Akita Development Environment, yang memungkinkan pengembang membuat, melatih, dan menguji jaringan saraf eksperimental.

BrainChip Holdings telah mengalami beberapa kendala sejak 2023. Namun, perangkat lunak terbaru perusahaan dan usaha di sektor AI serta ML telah menghidupkan kembali minat investor. Oleh karena itu, BrainChip Holdings Ltd dipandang memiliki potensi kenaikan yang kuat.

2. Biogen

Biogen adalah perusahaan riset farmasi yang belakangan ini menjadi sorotan di pasar. Produsen berbasis Massachusetts ini berspesialisasi dalam pengobatan dan perawatan penyakit neurologis. Saat ini, mereka memiliki produk yang membantu mengobati penyakit neurologis, neurodegeneratif, dan autoimun.
Biogen mendapat beberapa kritik karena mempercepat beberapa perawatan mereka, namun hal itu tidak memperlambat kenaikan perusahaan di pasar. Produk terbaru mereka, Leqembi, disetujui oleh FDA melalui jalur fast-track dan dirancang untuk mengobati penyakit Alzheimer. Penggunaan obat terbaru mereka hampir tiga kali lipat dalam setahun terakhir, yang membantu perusahaan memperkuat posisi pasar. Oleh karena itu, eksposur awal Biogen ke pasar perawatan Alzheimer dan kombinasi produk mereka menjadikannya potensi pembelian kuat bagi para trader.

Mikroskop Dua-Foton Memberikan Sekilas ke Masa Depan

Mikroskop fluoresensi dua-foton membawa umat manusia selangkah lebih dekat untuk dapat berinteraksi dengan lingkungan hanya dengan pikiran. Tim riset inovatif ini telah mendorong batas penelitian neurologis dan menghasilkan wawasan belum pernah terlihat sebelumnya tentang aktivitas otak manusia. Penelitian ini pasti akan memunculkan studi tambahan yang suatu hari dapat mengurangi penyakit neurologis dan banyak kemajuan lainnya.

Pelajari proyek kesehatan keren lainnya  sekarang.