Peta Otak 3D 1.400 Terabyte yang Sangat Detail

Upaya kolaborasi antara Harvard dan Google telah menghasilkan terobosan dalam ilmu otak, menghasilkan peta 3D ekstensif dari segmen kecil otak manusia, mengungkap interaksi saraf yang kompleks, dan meletakkan dasar untuk memetakan seluruh otak tikus.

Satu milimeter kubik jaringan otak mungkin kedengarannya tidak banyak. Namun mengingat kotak kecil itu berisi 57.000 sel, 230 milimeter pembuluh darah, dan 150 juta sinapsis, semuanya berjumlah 1.400 terabyte data, peneliti Harvard dan Google baru saja mencapai sesuatu yang luar biasa.

Sebuah tim Harvard yang dipimpin oleh Jeff Lichtman, Profesor Biologi Molekuler dan Seluler Jeremy R. Knowles dan dekan sains yang baru diangkat, bersama dengan peneliti Google telah menciptakan resolusi sinaptik terbesar, rekonstruksi 3D dari sepotong otak manusia hingga saat ini, jelas menunjukkan setiap sel dan jaringan koneksi sarafnya dalam sepotong korteks temporal manusia yang berukuran sekitar setengah sebutir beras.

Kemajuan Teknologi dalam Ilmu Saraf

Sebuah pencapaian yang mengesankan, dipublikasikan di jurnal Sains, merupakan kolaborasi terbaru selama hampir 10 tahun dengan para ilmuwan di Google Research, yang menggabungkan pencitraan mikroskop elektron Lichtman dengan algoritme AI untuk memberi kode warna dan merekonstruksi jaringan otak mamalia yang sangat kompleks. Tiga rekan penulis makalah ini adalah mantan peneliti pascadoktoral Harvard Alexander Shapson-Coe; Michał Januszewski dari Google Research, dan peneliti postdoctoral Harvard Daniel Berger.

Tujuan akhir dari kolaborasi ini, yang didukung oleh Inisiatif BRAIN dari Institut Kesehatan Nasional, adalah untuk membuat peta resolusi tinggi dari seluruh sirkuit saraf otak tikus, yang akan membutuhkan sekitar 1.000 kali lipat jumlah data yang mereka hasilkan. 1 fragmen korteks manusia berukuran milimeter kubik.

Wawasan Dari Brain Map Terbaru

“Kata 'fragmen' sungguh ironis,” kata Lichtman. “Satu terabyte, bagi kebanyakan orang, adalah jumlah yang sangat besar, namun sebagian dari otak manusia – hanya sebagian kecil dari otak manusia – masih tetap ribuan terabyte.”

Peta baru dalam Sains berisi rincian struktur otak yang belum pernah dilihat sebelumnya, termasuk serangkaian akson yang langka namun kuat yang dihubungkan oleh hingga 50 sinapsis. Tim juga mencatat keanehan pada jaringan tersebut, seperti sejumlah kecil akson yang membentuk lingkaran besar. Karena sampel mereka diambil dari pasien epilepsi, mereka tidak yakin apakah formasi yang tidak biasa itu bersifat patologis atau hanya langka.

Bidang konektivitas

Bidang Lichtman adalah “connectomics,” yang analog dengan genomik, berupaya menciptakan katalog komprehensif struktur otak, hingga sel-sel individual dan kabel. Peta komprehensif seperti itu akan membuka jalan bagi wawasan baru mengenai fungsi otak dan penyakit, yang masih sedikit diketahui oleh para ilmuwan.

Algoritme AI canggih Google memungkinkan rekonstruksi dan pemetaan jaringan otak dalam tiga dimensi. Tim juga telah mengembangkan serangkaian alat yang tersedia untuk umum yang dapat digunakan para peneliti untuk memeriksa dan memberi anotasi pada hubungan tersebut.

Arah masa depan

“Mengingat besarnya investasi yang dimasukkan ke dalam proyek ini, penting untuk menyajikan hasilnya dengan cara yang dapat dimanfaatkan oleh orang lain,” kata kolaborator Google Research, Viren Jain.

Selanjutnya tim akan membahas pembentukan hipokampus tikus, yang penting bagi ilmu saraf karena perannya dalam memori dan penyakit neurologis.

Referensi: “Sebuah fragmen petavoxel dari korteks serebral manusia yang direkonstruksi di skala nano resolusi” oleh Alexander Shapson-Coe, Michael Januszewski, Daniel R. Berger, Art Pope, Yuelong Wu, Tim Blakely, Richard L. Schalek, Peter H. Li, Shuohong Wang, Jeremy Maitin-Shepard, Neha Karlupia, Sven Dorkenwald, Evelina Sjostedt, Laramie Leavitt, Dongil Lee, Jacob Troidl, Forrest Collman, Luke Bailey, Angerica Fitzmaurice, Rohin Kar, Benjamin Field, Hank Wu, Julian Wagner-Carena, David Aley, Joanna Lau, Zudi Lin, Donglai Wei, Hanspeter Pfister, Adi Peleg, Viren Jain dan Jeff W. Lichtman, 10 Mei 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adk4858