Gambar Menakjubkan Ini Adalah Potret Neuron Irisan Otak Manusia

Potret 3D gambar neuron di otak manusia. Foto: Google Research & Lichtman Lab/Harvard University

Dr. Jeff Lichtman, profesor biologi molekuler dan seluler di Universitas Harvard, menerima sampel otak kecil di laboratoriumnya pada 10 tahun yang lalu. Ukurannya kecil, 1 milimeter kubik.

Namun siapa sangka, bagian otak manusia seukuran beras itu menampung 57.000 sel, 230 milimeter pembuluh darah, dan 150 juta sinapsis. Jeff pun berbagi cerita tentang temuannya.

“Ukurannya kurang dari sebutir beras. Kami mulai memotongnya dan melihatnya, dan itu sungguh indah,” katanya dilansir CNN.

“Ketika kami mengumpulkan data, saya menyadari bahwa kami masih mempunyai jalan, jauh lebih banyak daripada yang dapat kami tangani.”

Jeff mencoba mengabadikan temuannya menjadi sebuah potret menakjubkan. Ia bekerja sama dengan para ilmuwan di Google untuk memvisualisasikannya dengan indah.

Hasil kerja Jeff beserta timnya dengan tim ilmuwan Google selama satu dekade berbuah manis. Data otak yang selama ini dihimpun disulap menjadi peta sampel otak manusia paling detail yang pernah dibuat.

300 juta gambar

Potret 3D gambar neuron di otak manusia. Foto: Google Research & Lichtman Lab/Harvard University

Para tim peneliti berhasil menciptakan citra 3D sebanyak 300 juta gambar. Sampel otak ini berasal dari pasien penderita epilepsi akut yang sebagian kecil otaknya dipotong untuk menghentikan kejang.

Dalam menganalisis sampel tersebut, Lichtman dan timnya terlebih dahulu memotongnya menjadi beberapa bagian tipis menggunakan pisau yang ujung bilahnya terbuat dari berlian. Bagian-bagian tersebut kemudian dimasukkan ke dalam resin keras dan diiris lagi, sangat tipis.

“Sekitar 30 nanometer, atau kira-kira 1.000 ketebalan rambut manusia. Mereka hampir tidak terlihat, kalau bukan karena kami telah menodainya dengan logam berat, yang membuatnya terlihat saat melakukan pencitraan elektron,” katanya.

Tim akhirnya mendapatkan beberapa ribu irisan, yang diambil dengan selotip khusus, sehingga menciptakan semacam strip film.

“Jika Anda mengambil gambar dari masing-masing bagian tersebut dan menyelaraskan gambar tersebut, Anda akan mendapatkan potongan tiga dimensi otak pada tingkat mikroskopis.”

Saat itulah para peneliti menyadari bahwa mereka membutuhkan bantuan terkait data, karena gambar yang dihasilkan akan memakan banyak ruang penyimpanan. Lichtman mengetahui bahwa Google sedang mengerjakan peta digital tentang otak lalat buah, pada 2019 lalu. Google memiliki perangkat keras komputer yang tepat untuk membantu pekerjaan Jeff dan timnya.

Dia menghubungi Viren Jain, staf peneliti senior di Google yang mengerjakan proyek lalat buah.

“Ada 300 juta gambar terpisah (dalam data Harvard),” kata Jain. “Yang menjadikannya begitu banyak data adalah Anda memotretnya dengan resolusi yang sangat tinggi, pada tingkat sinapsis individual. Dan hanya dalam sampel kecil jaringan otak terdapat 150 juta sinapsis.”

Ada andil AI (keerdasan buatan)

Potret 3D gambar neuron di otak manusia. Foto: Google Research & Lichtman Lab/Harvard University

Untuk memahami gambar-gambar tersebut, para ilmuwan di Google menggunakan pemrosesan dan analisis berbasis AI. Google mengidentifikasi jenis sel apa yang ada di setiap gambar dan bagaimana mereka terhubung. Hasilnya adalah model 3D interaktif dari jaringan otak, dan kumpulan data terbesar yang pernah dibuat pada resolusi struktur otak manusia.

Google menyediakannya secara online dengan nama Neuroglancer. Penelitian ini dipublikasikan di jurnal Science pada saat yang sama, dengan Lichtman dan Jain sebagai salah satu penulisnya.

Kolaborasi antara tim Harvard dan Google menghasilkan gambar berwarna yang membuat masing-masing komponen lebih terlihat, namun juga merupakan representasi sebenarnya dari sebuah jaringan.

“Warnanya benar-benar (menakjubkan, apa adannya). Kami tidak mengada-ada – ini adalah neuron sebenarnya, ‘kabel’ nyata di dalam otak, dan kami hanya membuatnya nyaman dan mudah diakses oleh para ahli biologi untuk dilihat dan dipelajari.”

Data tersebut memperlihatkan beberapa kejutan. Misalnya, daripada membentuk satu sambungan, satu jaringan neuron mempunyai lebih dari 50 pasang neuron.

“Ini seperti dua rumah dalam satu blok yang mempunyai 50 saluran telepon terpisah yang menghubungkannya. Apa yang sedang terjadi di sana? Mengapa mereka mempunyai hubungan yang sangat erat? Kita belum tahu apa fungsi dan signifikansi fenomena ini, kita harus mengkajinya lebih jauh,” ujarnya.

Potret 3D gambar neuron di otak manusia. Foto: D. Berger/Harvard University

Mengamati otak pada tingkat detail seperti ini dapat membantu peneliti memahami kondisi medis yang belum terselesaikan, menurut Lichtman.

“Apa yang dimaksud dengan memahami otak kita? Yang terbaik yang dapat kita lakukan adalah mendeskripsikannya, dan berharap dari uraian tersebut akan muncul sebuah kesadaran, misalnya tentang bagaimana otak normal berbeda dengan otak yang tidak normal, pada penyakit kejiwaan orang dewasa atau gangguan perkembangan seperti spektrum autisme — perbandingan seperti itu akan sangat berharga,” ujarnya.

“Pada akhirnya, hal ini akan memberi kita wawasan tentang apa yang salah, yang, dalam banyak kasus, masih belum kita ketahui.”

Lichtman juga percaya bahwa kumpulan data tersebut mungkin berisi detail menakjubkan lainnya yang, karena ukurannya, belum ditemukan. Oleh sebab itu, ia memutuskan untuk membagikannya datanya secara online, agar siapa pun dapat melihatnya dan menemukan sesuatu.

Selanjutnya, tim di balik proyek ini bertujuan untuk membuat peta lengkap otak tikus, yang memerlukan 500 hingga 1.000 kali jumlah data sampel otak manusia.

Penelitian ini mendapat sambutan positif dari para akademisi di dunia. Salah satunya asisten profesor fisiologi dan ilmu saraf di Keck School of Medicine, Universitas Southern California.

“Penelitian ini luar biasa, dan ada banyak hal yang bisa dipelajari dari data seperti ini,” kata Michael.

Ia bilang, kalau memvisualisasikan neuron dan sel-sel otak lainnya benar-benar menantang karena kepadatan dan kompleksitasnya.

“Melihat semua jenis sel yang berbeda dan interaksinya sungguh luar biasa dan membuat Anda mengapresiasi mahakarya arsitektur yang telah diberikan kehidupan kepada kita,” tambahnya.

Andreas Tolias, seorang profesor oftalmologi di Universitas Stanford di California, juga sepakat. Menurutnya, ini adalah studi teknis luar biasa yang merekonstruksi struktur korteks manusia dengan resolusi tinggi,” katanya.

“Saya sangat gembira dengan penemuan akson langka yang mampu membentuk hingga 50 sinapsis. Temuan ini menarik dan menimbulkan pertanyaan penting tentang peran komputasinya.”