Beijing, China (Xinhua/Indonesia Window) – Tim ilmuwan China mengembangkan mikroskop nirkabel dengan bobot hanya 1 gram yang dapat merekam aktivitas saraf di korteks serebral tikus dengan resolusi sel tunggal di lingkungan alami.

Dinamai Airscope, perangkat tersebut dikembangkan oleh sebuah tim yang dipimpin Dai Qionghai, seorang akademisi dari Akademi Teknik China sekaligus profesor di Universitas Tsinghua, bekerja sama dengan para peneliti dari institusi lain. Rincian pencapaian itu dipublikasikan di jurnal Nature pada Senin (19/10).

Dai mengatakan mikroskop tersebut menyediakan alat baru untuk memahami dasar saraf kecerdasan dan akan mendorong antarmuka otak-komputer optik menuju deteksi saraf yang lebih berpresisi. Penerapannya di masa depan dapat meluas melampaui ilmu saraf hingga ke berbagai bidang, seperti imunitas dan onkologi, sehingga memungkinkan pelacakan menyeluruh terhadap proses penyakit, tambah Dai.

Dilema metode konvensional

Cara otak mengatur perilaku di lingkungan alami yang kompleks merupakan salah satu pertanyaan paling mendasar dalam ilmu saraf dan sangat penting untuk memahami kecerdasan dan mengembangkan antarmuka otak-komputer. Namun, penelitian semacam itu telah lama terkendala oleh kompromi antara hasil pengamatan saraf yang dapat dicapai pada hewan yang bergerak bebas dan bobot mikroskop.

Untuk mempelajari cara otak mengatur perilaku di lingkungan alami, diperlukan perekaman secara simultan terhadap sejumlah besar neuron di berbagai area otak dengan resolusi sel tunggal sementara hewan dapat bergerak dan berinteraksi secara sosial.

Mikroskop yang ada saat ini, yang mampu memvisualisasikan masing-masing neuron, masih mengharuskan kepala tikus dipasangi instrumen atau dihubungkan dengan kabel, sehingga menyulitkan hewan untuk bergerak bebas dan menghambat studi proses saraf dan perilaku dalam kondisi alami.

Di saat yang sama, mikroskop yang dapat dipasang di kepala yang ada saat ini dan memungkinkan pergerakan hewan secara bebas biasanya memiliki bidang pandang kurang dari 1 mm, sehingga hanya sebagian kecil area otak yang dapat dilihat. Untuk mencakup area kortikal yang lebih luas dengan resolusi yang lebih tinggi, mikroskop menjadi lebih berat dan mengonsumsi lebih banyak daya.

Dengan memecahkan dilema ini, para peneliti dapat mengamati bagaimana ribuan neuron bekerja bersama untuk mendukung perilaku dalam kondisi yang lebih mendekati kehidupan nyata, membuka jalan baru untuk memahami dasar saraf kecerdasan dan menyediakan alat baru untuk pembacaan sinyal saraf berskala besar dalam antarmuka otak-komputer optik.

Mikroskop 1 gram

Melalui desain terintegrasi dan optimasi sistematis, perangkat Airscope hanya berbobot 1 gram dan dapat mencapai resolusi sel tunggal sekitar 4 hingga 6 mikrometer dengan bidang pandang 6 mm.

Airscope dapat dipasang langsung pada kepala tikus dan menggunakan sensor gambar 2 megapiksel untuk melakukan kompresi data di perangkat, sehingga memungkinkan gambar beresolusi megapiksel ditransmisikan secara nirkabel.

Eksperimen menunjukkan bahwa tikus yang mengenakan Airscope dapat memanjat tali dan melewati tabung sempit tanpa perbedaan signifikan dalam jarak tempuh, kecepatan, atau liku-liku lintasan, dibandingkan dengan tikus yang tidak mengenakan perangkat tersebut.

Kualitas sinyal neuron yang direkam oleh Airscope sebanding dengan kualitas sinyal neuron yang direkam oleh mikroskop konvensional laboratorium (conventional benchtop microscope).

Dikombinasikan dengan algoritma ekstraksi neuron yang sebelumnya dikembangkan tim itu, Airscope dapat secara simultan merekam lebih dari 8.500 neuron di 14 area kortikal pada satu belahan otak seekor tikus, sekitar 25 kali lebih banyak dibandingkan perangkat pencitraan nirkabel yang ada. Airscope dapat merekam di lokasi yang sama selama lebih dari 200 hari.

Skenario pengamatan

Dengan perangkat yang dapat dikenakan (wearable) ini, tim peneliti berhasil mengungkap berbagai bentuk eksplorasi bebas yang kompleks oleh tikus dalam kondisi alami dan menyelesaikan eksperimen yang sebelumnya sulit dilakukan akibat kabel atau bobot peralatan.

Hal itu mencakup perekaman aktivitas kortikal secara simultan pada beberapa tikus yang menjelajahi habitat alami seluas 5 meter persegi, dan pelacakan tikus selama periode eksplorasi otonomos dalam jangka panjang di labirin besar dengan 32 ujung.

Kandang laboratorium standar menyulitkan tikus untuk menunjukkan perilaku alami, seperti menggali, menjelajah jarak jauh, dan interaksi sosial yang kompleks. Sebagai gantinya, tim peneliti membangun sebuah habitat seluas 5 meter persegi yang mencakup tempat berlindung, tanjakan, lubang pohon, pondok kayu, dan karakteristik medan lainnya. Di sana, tikus bergerak lebih dari dua kali lebih cepat dibandingkan di dalam kandang dan menunjukkan 16 kategori perilaku, termasuk memanjat, naik dan turun tangga, memasuki lubang, serta melintasi berbagai area medan.

Penelitian ini menemukan bahwa aktivitas kortikal berubah secara sistematis sesuai dengan area medan tempat tikus berada. Dengan hanya menggunakan aktivitas saraf kortikal, model pembelajaran mendalam dapat menentukan area tempat tikus berada, dengan tingkat akurasi yang jauh lebih tinggi di atas peluang acak.

"Airscope memberikan kebebasan perilaku yang lebih besar untuk penelitian ilmu saraf dan memungkinkan pengamatan saraf berskala besar untuk mengikuti hewan ke dalam perilaku alami yang lebih beragam, sehingga membantu kami mempelajari kognisi otak dan penyakit otak dengan lebih baik," ujar Zhang Yuanlong, seorang lektor di Fakultas Ilmu Hayati Universitas Tsinghua. 

Laporan: Redaksi