Cahaya Baru Pada Ilmu Otak

Balikkan sakelar dan Anda dapat menghidupkan atau mematikan lampu, kipas, dan segala hal lainnya. Sel-sel saraf individu di otak sekarang adalah tambahan terbaru untuk daftar ini. Selama dekade terakhir, para ilmuwan telah menemukan cara untuk menggunakan cahaya untuk mengendalikan sel-sel saraf otak, atau neuron.

Bidang baru ini disebut optogenetika (OP-toh-jeh-NEH-tix). Opto- adalah awalan yang mengacu pada cahaya. Genetika berkaitan dengan instruksi biologis yang dikodekan dalam gen kita. Seperti namanya, teknologi baru ini menggunakan cahaya untuk menghidupkan atau mematikan aksi yang diprogram secara genetis dalam sel-sel otak.

Keith Bonin menyebut teknologi ini “revolusioner.” Dia mengatakan itu “akan memungkinkan kita untuk lebih memahami bagaimana otak bekerja.” Seorang fisikawan, Bonin bekerja di Wake Forest University di Winston-Salem, N.C.

Otak bertindak sebagai pusat perintah untuk semua yang kita lakukan. Ini adalah sarang neuron – diperkirakan 86 miliar di antaranya. Otak juga mengandung berbagai jenis neuron. Sebanyak 100.000 dari yang paling kecil akan muat di kepala pin.

Untuk memahami bagaimana hewan bergerak, belajar atau berperilaku, para ilmuwan biasanya harus menunggu dan menonton, berharap mereka akan ada di sana ketika peristiwa atau perilaku yang diantisipasi mungkin terjadi. Tidak lagi. Dengan optogenetika, para ilmuwan sekarang dapat menghidupkan tugas atau perilaku ini dengan membalik saklar. Sakelar lampu.

Teknologi baru ini membuka jalur baru untuk penelitian. Sebagai contoh, para ilmuwan belajar lebih banyak tentang apa yang benar dalam otak yang sehat – dan salah ketika otak dipengaruhi oleh berbagai gangguan.

Dalam banyak hal, otak adalah komputer yang hidup. Ini menerima data, mengolahnya menjadi informasi dan kemudian menghasilkan respons. Dan otak melakukan hal-hal ini dengan listrik, seperti halnya komputer.

Namun, dengan komputer, Anda dapat dengan mudah memasukkan data dan kemudian menjalankan program untuk melihat apa yang terjadi. Para peneliti telah lama ingin melakukan itu dengan otak. Tapi itu tidak mudah.

“Tidak ada keyboard untuk otak,” kata Ed Boyden. Dia adalah seorang ahli saraf di Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge. Dia berada di tim peneliti pada tahun 2004 yang pertama kali menggunakan optogenetika untuk bekerja.

Protein adalah molekul yang membentuk dasar sel hidup dan jaringan lain. Banyak juga berfungsi sebagai molekul yang melakukan aksi di dalam dan di sekitar sel. Kelompok Boyden mengidentifikasi protein yang sensitif terhadap cahaya. Mereka menjadi kunci untuk optogenetika.

Mata Anda mengandung opsin (OP-sin), salah satu protein ini. Ketika cahaya mencapai sel-sel retina di bagian belakang mata, opsin memicu sinyal listrik. Segera, sinyal-sinyal itu menembak ke otak. Otak kemudian menerjemahkan sinyal-sinyal itu menjadi penglihatan.

Banyak bakteri, jamur, alga, dan tanaman juga mengandung opsins. Banyak opsins bekerja seperti penjaga gerbang. Pikirkan gerbang sebagai pintu putar satu arah, kata Bonin. Ketika cahaya mengenai pintu putar, opsin memungkinkan ion (atom atau molekul dengan muatan listrik) melewatinya. Bergantung pada gerbang, opsin dapat mengaktifkan atau menonaktifkan aksi neuron.

Memata-matai Otak Dalam Aksi

Anda biasanya tidak diam. Begitu pula kebanyakan hewan. Sekarang tiga alat baru memungkinkan para ilmuwan melihat apa yang terjadi di dalam otak dan sistem saraf – bahkan ketika seekor binatang bergerak.

Ini mungkin terdengar seperti bukan masalah besar. Kecuali itu makhluk hidup cenderung bergerak. Mendapatkan gambar beresolusi tinggi dari sesuatu yang kecil (misalnya sel) cenderung mengharuskan mereka tidak bergerak. Sehingga bisa menghadirkan masalah besar bagi peneliti. Dan masalah itulah yang coba ditaklukkan oleh teknik baru.

Setiap inovasi dibangun di atas yang lain. Salah satunya adalah mikroskop baru yang dapat memfilmkan sel-sel otak, atau neuron, pada hewan kecil saat mereka bergerak atau melakukan hal-hal lain. Alat lain menggunakan medan magnet atau gelombang radio untuk menghidupkan atau mematikan neuron pada hewan hidup. Teknologi ketiga menawarkan alat portabel untuk melihat apa yang terjadi di otak manusia.

Alat-alat baru ini dapat membantu para ilmuwan mempelajari lebih banyak tentang otak yang hidup. Dan itu selalu menjadi tantangan. Sebagai permulaan, tengkorak menutupi otak pada banyak hewan. Tulang itu, seperti jaringan otak, adalah buram. Jadi Anda tidak bisa melihat melalui mereka. Dan melihat potongan-potongan itu – dikeluarkan dari tubuh dan di bawah mikroskop normal – tidak menunjukkan apa yang terjadi di otak hidup. Namun aktivitas otak itulah yang sangat diinginkan oleh banyak ilmuwan untuk dipahami dengan lebih baik.

Untungnya, itulah yang dapat ditampilkan oleh alat-alat baru ini.

Otak Anda adalah pusat komando tubuh. Ia mengirim dan menerima sinyal dari seluruh penjuru. Sinyal-sinyal itu mengendalikan apa yang tubuh kita lakukan dan bagaimana kita bertindak. Mempelajari pesan-pesan ini dapat menjelaskan bagaimana otak biasanya berinteraksi dengan bagian tubuh lainnya. Dan itu dapat lebih membantu para ilmuwan menemukan – dan mengobati – apa yang salah dalam penyakit yang mempengaruhi otak.

Elizabeth Hillman adalah seorang insinyur biomedis di Universitas Columbia di New York City. Mikroskop baru timnya dapat membuat film tentang apa yang terjadi di otak hewan – bahkan yang bergerak.

Hewan seperti lalat buah, cacing gelang dan ikan zebra sering berfungsi sebagai organisme model. Mereka “mendukung” orang dalam eksperimen tertentu. Ya, otak mereka cenderung sangat kecil. Mereka mungkin memiliki kurang dari setengah juta neuron, dibandingkan dengan hampir 100 miliar di otak manusia. Namun pusat saraf pada hewan-hewan ini melakukan banyak hal yang sama seperti otak manusia. Dan mereka sering melakukannya menggunakan jenis sel, organ, atau molekul pemberi sinyal yang sama.