Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Implan Saraf Memantau Beberapa Area Otak Sekaligus, Memberikan Pemahaman Ilmu Saraf Baru

Bagaimana bagian otak yang berbeda berkomunikasi satu sama lain selama pembelajaran dan pembentukan memori? Sebuah studi baru oleh para peneliti di University of California San Diego mengambil langkah pertama dalam menjawab pertanyaan ilmu saraf mendasar ini.

Studi ini dimungkinkan dengan mengembangkan implan saraf yang memantau aktivitas berbagai bagian otak secara bersamaan, dari permukaan hingga struktur dalam - yang pertama di lapangan. Dengan menggunakan teknologi baru ini, para peneliti menunjukkan bahwa beragam pola komunikasi dua arah terjadi antara dua wilayah otak yang diketahui berperan dalam pembelajaran dan pembentukan memori - hipokampus dan korteks serebral. Para peneliti juga menunjukkan bahwa pola komunikasi yang berbeda ini terkait dengan peristiwa yang disebut gelombang tajam, yang terjadi di hipokampus selama tidur dan istirahat.

IMAGES

Gambar: www.kelaspintar.id

Para peneliti mempublikasikan temuan mereka pada 19 April di Nature Neuroscience .

"Teknologi ini telah dikembangkan terutama untuk mempelajari interaksi dan komunikasi antara wilayah otak yang berbeda secara bersamaan," kata rekan penulis Duygu Kuzum, seorang profesor teknik listrik dan komputer di UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Implan saraf kami serbaguna; dapat diterapkan ke area mana pun di otak dan dapat memungkinkan studi tentang wilayah otak kortikal dan subkortikal lainnya, tidak hanya hipokampus dan korteks serebral."

"Sedikit yang diketahui tentang bagaimana berbagai daerah otak bekerja sama untuk menghasilkan kognisi dan perilaku," kata Takaki Komiyama, seorang profesor neurobiologi dan ilmu saraf di UC San Diego School of Medicine dan Divisi Ilmu Biologi, yang merupakan rekan penulis studi lainnya. . "Berbeda dengan pendekatan tradisional dalam mempelajari satu area otak pada satu waktu, teknologi baru yang diperkenalkan dalam studi ini akan mulai memungkinkan kita untuk mempelajari bagaimana otak secara keseluruhan bekerja untuk mengontrol perilaku dan bagaimana proses tersebut dapat dikompromikan dalam gangguan neurologis. . "

Implan saraf terdiri dari strip polimer tipis, transparan, dan fleksibel yang dibuat dengan serangkaian elektroda emas berukuran mikrometer, di mana nanopartikel platinum telah disimpan. Setiap elektroda dihubungkan dengan kabel setipis mikrometer ke papan sirkuit yang dicetak khusus. Laboratorium Kuzum mengembangkan implan. Mereka bekerja dengan laboratorium Komiyama untuk melakukan studi pencitraan otak pada tikus transgenik.

Merekayasa probe saraf multi guna

Yang membuat implan saraf ini unik adalah dapat digunakan untuk memantau aktivitas di beberapa wilayah otak secara bersamaan. Ini dapat merekam sinyal listrik dari neuron tunggal jauh di dalam otak, seperti di hipokampus, sambil mencitrakan area yang luas seperti korteks serebral.

"Penyelidikan kami memungkinkan kami untuk menggabungkan modalitas ini dalam eksperimen yang sama secara mulus. Ini tidak dapat dilakukan dengan teknologi saat ini," kata Xin Liu, seorang Ph.D. siswa di lab Kuzum. Liu adalah salah satu penulis pertama studi ini bersama dengan Chi Ren, Ph.D. lulusan yang sekarang menjadi peneliti postdoctoral di lab Komiyama, dan Yichen Lu, Ph.D. siswa di lab Kuzum.

Beberapa fitur desain memungkinkan pemantauan multi-wilayah. Salah satunya adalah probe ini fleksibel. Ketika dimasukkan jauh ke dalam otak untuk memantau daerah seperti hipokampus, bagian yang menonjol dari otak dapat ditekuk ke bawah dan memberi ruang bagi mikroskop untuk diturunkan dekat permukaan untuk melakukan pencitraan korteks serebral di waktu yang sama. Probe saraf konvensional kaku, sehingga menghalangi mikroskop; Akibatnya, mereka tidak dapat digunakan untuk memantau struktur otak bagian dalam sambil mencitrakan permukaan otak. Dan meskipun probe saraf tim UC San Diego lembut dan fleksibel, ia direkayasa untuk menahan tekuk di bawah tekanan selama penyisipan.

Fitur penting lainnya adalah probe ini transparan, sehingga memberikan mikroskop bidang pandang yang jelas. Itu juga tidak menghasilkan bayangan atau noise tambahan selama pencitraan.

Menjelajahi pertanyaan ilmu saraf dasar

Motivasi untuk penelitian ini adalah sampai ke akar bagaimana proses kognitif yang berbeda, seperti pembelajaran dan pembentukan memori, terjadi di otak. Proses tersebut melibatkan komunikasi antara hipokampus dan korteks serebral. Tetapi bagaimana tepatnya komunikasi ini terjadi? Dan wilayah otak manakah yang memulai komunikasi ini: hipokampus atau korteks serebral? Jenis pertanyaan ini tidak terjawab karena sangat sulit untuk mempelajari dua wilayah otak ini secara bersamaan, kata Kuzum.

"Kami tertarik untuk menyelidiki sifat interaksi kortikal-hipokampus, jadi kami membangun teknologi untuk mengeksplorasi masalah ilmu saraf ini," katanya.

Para peneliti menggunakan probe mereka untuk memantau aktivitas hipokampus dan korteks serebral pada tikus transgenik. Secara khusus, mereka memantau aktivitas sebelum, selama, dan setelah osilasi yang terjadi di hipokampus yang disebut riak gelombang tajam.

Eksperimen mereka mengungkapkan bahwa komunikasi antara hipokampus dan korteks serebral adalah dua sisi: terkadang korteks memulai komunikasi, di lain waktu hipokampus. Ini adalah petunjuk pertama yang penting untuk memahami komunikasi antar wilayah di otak, kata para peneliti.

"Interaksi hipokampus-kortikal penting dalam konsolidasi dan pengambilan memori," kata Ren. "Komunikasi dua sisi yang kami laporkan di sini berbeda dari gagasan konvensional bahwa korteks secara pasif menerima informasi dari hipokampus. Sebaliknya, korteks secara aktif terlibat dalam penyandian informasi ke dalam otak dan mungkin memainkan peran instruktif selama konsolidasi dan pengambilan memori. . "

"Kami sekarang dapat memulai studi baru untuk membuka kunci bagaimana proses seperti pembelajaran dan memori terjadi," kata Kuzum. "Misalnya, ketika otak memperoleh informasi baru, bagaimana hipokampus mentransfer memori ke korteks untuk disimpan, atau apakah korteks mengirimkan isyarat untuk mentransfer memori? Penemuan kami menunjukkan bahwa komunikasi dapat dimulai dengan salah satunya, tetapi untuk pergi lebih dari itu kita perlu melakukan studi perilaku. "

Studi ini juga mengungkapkan bahwa ada mode komunikasi yang beragam dan berbeda antara hipokampus dan korteks serebral. Para peneliti menemukan bahwa hipokampus berkomunikasi dengan setidaknya delapan bagian berbeda dari korteks serebral setiap kali riak gelombang tajam terjadi. Selanjutnya, masing-masing dari delapan pola aktivitas kortikal ini terkait dengan populasi neuron yang berbeda di hipokampus.

“Penemuan ini menunjukkan bahwa interaksi antara daerah otak, tidak hanya antara korteks dan hipokampus, secara fundamental dapat beragam dan fleksibel. Oleh karena itu, banyak daerah otak dapat bekerja sama secara efisien untuk menghasilkan kognisi dan perilaku yang cepat beradaptasi dengan lingkungan yang berubah,” kata Ren.

Penelitian ini didukung oleh Office of Naval Research (N000142012405 dan N00014162531), National Science Foundation (ECCS-2024776, ECCS-1752241 dan ECCS-1734940), dan National Institutes of Health (R21 EY029466, R21 EB026180, DP2 EB030992, R01 NS091010A, R01 EY025349, R01 DC014690, R21 NS109722 dan P30 EY022589).

Powered By NagaNews.Net