Peneliti mengembangkan mikroskop 1 gram untuk deteksi saraf yang akurat.

Beijing (ANTARA) – Tim peneliti China telah menciptakan mikroskop nirkabel seberat hanya 1 gram yang mampu merekam aktivitas saraf di korteks serebral tikus dengan resolusi sel tunggal dalam situasi alami.

Dikenal sebagai Airscope, perangkat ini dikembangkan oleh tim yang dipimpin oleh Dai Qionghai, seorang akademisi di Akademi Teknik Tiongkok dan profesor di Universitas Tsinghua, bekerja sama dengan peneliti dari berbagai lembaga lainnya. Rincian inovasi ini dipublikasikan di jurnal Nature, menurut laporan Xinhua.

Dai menjelaskan bahwa mikroskop ini memberikan alat baru untuk memahami dasar saraf kecerdasan dan akan mempercepat pengembangan antarmuka otak-komputer dengan deteksi saraf yang lebih akurat. Di masa depan, penerapannya dapat meluas dari ilmu saraf ke bidang lainnya, seperti imunitas dan onkologi, memungkinkan pemantauan menyeluruh terhadap proses penyakit, tambah Dai.

Salah satu pertanyaan paling mendasar dalam ilmu saraf adalah bagaimana otak mengatur perilaku dalam lingkungan alami yang rumit, yang sangat penting untuk memahami kecerdasan serta mengembangkan antarmuka otak-komputer. Namun, penelitian semacam ini sering terhambat oleh dilema antara kualitas pengamatan saraf pada hewan yang bergerak bebas dan bobot mikroskop yang digunakan.

Untuk mempelajari bagaimana otak mengatur perilaku di lingkungan alami, diperlukan perekaman simultan dari banyak neuron di berbagai area otak dengan resolusi sel tunggal, sementara hewan tetap dapat bergerak dan berinteraksi secara sosial.

Mikroskop yang ada saat ini, meskipun dapat memvisualisasikan setiap neuron, seringkali memerlukan kepala tikus dipasangi perangkat atau terhubung dengan kabel, sehingga menghalangi pergerakan bebas hewan dan membatasi studi proses saraf serta perilaku dalam kondisi alami.

Di sisi lain, mikroskop yang dapat diinstal di kepala hewan saat ini dan memungkinkan pergerakan sering kali memiliki bidang pandang kurang dari 1 mm, sehingga hanya sebagian kecil area otak yang dapat diamati. Untuk mencakup area kortikal yang lebih luas dengan resolusi yang lebih baik, mikroskop menjadi lebih berat dan memerlukan lebih banyak daya.

Dengan mengatasi masalah ini, para peneliti dapat mengamati bagaimana ribuan neuron bekerja sama untuk mendukung perilaku dalam kondisi yang lebih mendekati kenyataan, membuka jalan baru untuk memahami dasar saraf kecerdasan dan menyediakan alat baru untuk pembacaan sinyal saraf berskala besar dalam antarmuka otak-komputer.

1 Gram

Melalui desain yang terintegrasi dan pengoptimalan sistematis, perangkat Airscope hanya berbobot 1 gram dan mampu 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, memungkinkan transmisi gambar beresolusi megapiksel secara nirkabel.

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

Kualitas sinyal neuron yang direkam oleh Airscope sebanding dengan kualitas sinyal dari mikroskop konvensional laboratorium (conventional benchtop microscope). Dikombinasikan dengan algoritma ekstraksi neuron yang sebelumnya dikembangkan oleh tim, Airscope dapat secara simultan merekam lebih dari 8.500 neuron di 14 area kortikal pada satu belahan otak tikus, sekitar 25 kali lebih banyak dibandingkan perangkat pencitraan nirkabel yang ada. Airscope dapat merekam di lokasi yang sama selama lebih dari 200 hari.

Dengan perangkat wearable ini, tim peneliti berhasil mengungkap berbagai bentuk eksplorasi kompleks oleh tikus dalam kondisi alami dan menyelesaikan eksperimen yang sebelumnya sulit dilakukan karena kabel atau beratnya peralatan.

Ini termasuk perekaman aktivitas kortikal secara bersamaan pada beberapa tikus yang menjelajahi habitat alami seluas 5 meter persegi, serta pelacakan tikus selama periode eksplorasi otonom jangka panjang dalam labirin besar dengan 32 ujung.

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

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

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