Material Rekayasa Ini Dapat Menyambungkan Kembali Saraf yang Terputus

• Para peneliti Rice University menguji material magnetoelektrik yang mengubah medan magnet menjadi medan listrik untuk stimulasi neuron jarak jauh dan penyambungan saraf skiatik tikus yang terputus
• Material baru ini menunjukkan konversi 120 kali lebih cepat dibanding material serupa sebelumnya, dengan menargetkan masalah bentuk sinyal dan frekuensi yang sulit direspons neuron
• Strukturnya berbasis lapisan piezoelektrik lead zirconium titanate dan lapisan magnetostriktif Metglas, dengan tumpukan platinum, hafnium oxide, dan zinc oxide untuk menghasilkan sinyal listrik nonlinier
• Untuk mengecilkan seluruh perangkat, diperlukan proses pembuatan lapisan tipis di bawah 200nm, dan dalam jangka panjang targetnya adalah bentuk yang dapat diinjeksi ke lokasi yang diinginkan
• Pendekatan ini dapat mengurangi sifat invasif terapi stimulasi saraf, dan juga berpotensi meluas ke aplikasi di luar bioelektronika seperti penginderaan, memori, dan elektronika

---

Menstimulasi Saraf dari Jarak Jauh dengan Material Magnetoelektrik

• Material magnetoelektrik dapat mengubah medan magnet menjadi medan listrik, sehingga telah lama diperhatikan sebagai kandidat terapi untuk menstimulasi jaringan saraf dengan cara yang minim invasif
• Keterbatasan material sebelumnya adalah bentuk dan frekuensi sinyal listrik hasil konversinya sulit direspons oleh neuron
• Tim riset Jacob Robinson dari Rice University merancang material magnetoelektrik baru yang menargetkan masalah ini
  • Menurut studi yang dipublikasikan di Nature Materials, material ini dapat menstimulasi neuron secara presisi dari jarak jauh
  • Digunakan pada model tikus untuk menjembatani celah pada saraf skiatik yang terputus
  • Melakukan konversi magnet-ke-listrik 120 kali lebih cepat dibanding material serupa

Menargetkan Stimulasi Saraf yang Kurang Invasif dibanding Perangkat Implan

• Robinson menilai karakteristik dan performa material ini dapat berdampak besar pada terapi stimulasi saraf
• Alih-alih menanamkan perangkat stimulasi saraf seperti saat ini, nantinya mungkin dimungkinkan untuk menyuntikkan material dalam jumlah sangat kecil ke area yang diinginkan
• Joshua Chen memulai dari pertanyaan apakah ada material yang dapat menstimulasi otak atau sistem saraf hanya dengan ukuran sekecil “debu” atau dalam jumlah yang sangat sedikit di dalam tubuh
• Medan magnet mudah menembus tubuh, dan material magnetoelektrik dapat mengubahnya menjadi medan listrik yang digunakan sistem saraf untuk mengirimkan informasi

Struktur Material dan Prinsip Kerjanya

• Tim peneliti memulai dari material magnetoelektrik yang menempatkan lapisan piezoelektrik lead zirconium titanate di antara dua lapisan magnetostriktif Metglas
• Metglas adalah paduan kaca logam yang dapat dimagnetisasi dan didemagnetisasi dengan cepat
• Saat medan magnet diberikan, elemen magnetostriktif bergetar dan berubah bentuk, lalu material piezoelektrik menghasilkan listrik dari deformasi tersebut
• Dengan menggabungkan dua material itu, medan magnet yang diberikan dari luar tubuh dapat diubah menjadi medan listrik

Sinyal Nonlinier yang Dapat Direspons Neuron

• Material magnetoelektrik sebelumnya memiliki hubungan linier antara medan listrik dan medan magnet
• Yang dibutuhkan tim peneliti adalah hubungan nonlinier yang dapat menghasilkan sinyal listrik yang benar-benar dapat direspons oleh neuron
• Untuk itu, mereka menumpuk material berikut di atas film magnetoelektrik yang sudah ada
  • platinum
  • hafnium oxide
  • zinc oxide
• Tantangannya adalah menemukan teknik fabrikasi yang kompatibel di antara material-material tersebut
• Robinson mengatakan banyak pekerjaan diperlukan untuk membuat lapisan tipis di bawah 200nm yang menghasilkan karakteristik khusus ini
• Bhave menilai proses ini dapat mengecilkan ukuran keseluruhan perangkat dan pada akhirnya mengarah ke bentuk yang dapat diinjeksi

Eksperimen Saraf Tepi pada Tikus dan Potensi Neuroprostetik

• Dalam eksperimen pembuktian konsep, tim peneliti menggunakan material ini untuk menstimulasi saraf tepi tikus
• Hasilnya menunjukkan fungsi dapat dipulihkan pada saraf yang terputus dan membuka kemungkinan aplikasi neuroprostetik
• Chen menjelaskan bahwa metamaterial ini dapat digunakan untuk menjembatani celah pada saraf yang putus dan memulihkan kecepatan sinyal listrik yang cepat
• Tim peneliti menilai kerangka desain material ini telah menghasilkan rancangan metamaterial baru yang dapat melampaui berbagai persoalan dalam neuroteknologi
• Pendekatan desain yang sama juga dapat diterapkan pada aplikasi lain seperti penginderaan dan memori dalam elektronika

Makalah Penelitian dan Dukungan

• Judul makalahnya adalah “Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration”
• Dipublikasikan di Nature Materials dengan DOI 10.1038/s41563-023-01680-4
• Penulis penelitian ini adalah Joshua Chen, Gauri Bhave, Fatima Alrashdan, Abdeali Dhuliyawalla, Katie Hogan, Antonios Mikos, Jacob Robinson
• Riset ini didukung oleh National Science Foundation dan National Institutes of Health

[GN⁺]

Opini Hacker News

• Dari sudut pandang seseorang yang mengenal pasien cedera tulang belakang, rasanya cukup kejam melihat inovasi yang baru akan masuk pasar 20 tahun lagi terus berulang

  • Rasanya terlalu fokus pada hal-hal yang terlihat keren, dan tidak cukup fokus pada kualitas hidup serta hasil bagi pasien yang benar-benar terdampak
    Saya tidak tahu cara memperbaikinya, tetapi sebagai orang yang punya penyakit sulit disembuhkan, praktik seperti ini berdampak buruk langsung pada hidup dan menimbulkan ketakutan besar. Namun ketika membicarakan hal seperti ini di HN, sering kali saya di-downvote, diserang, dan dianggap omong kosong, jadi saya hampir menyerah
    Saya turut prihatin atas apa yang dialami kenalan Anda
  • Saya punya cedera tulang belakang, lebih tepatnya cedera tulang belakang inkomplet, dan fakta bahwa setiap hari sampai saya mati akan sama seperti kemarin menjadi beban mental yang besar; pada satu titik saya bahkan ingin mempercepat akhirnya
    Saya harap semua orang menjaga sistem sarafnya baik-baik
  • Sesuatu yang mungkin terjadi 20 tahun lagi tetap jauh lebih baik daripada sesuatu yang mustahil selamanya
    Ada banyak penyakit yang mengubah hidup dengan prospek masa depan jauh lebih suram, misalnya yang hampir tidak mendapat dana riset atau perhatian
    Meski begitu, benar bahwa penantian panjang itu mengerikan bagi orang-orang yang sedang menderita sekarang

• Saya bukan orang medis, tapi bisakah ada yang menjelaskan seberapa hebat sebenarnya ini?
  Saya penasaran apakah ini sampai level perbaikan sumsum tulang belakang, atau sekadar perbaikan saraf yang terputus

  • Masih terlalu dini untuk menilainya
    Ini mungkin memungkinkan terapi stimulasi saraf yang kurang invasif, tetapi belum tentu efeknya akan lebih baik
    Karena tidak semua neuron tumbuh kembali atau kembali ke posisi semestinya
  • Kerusakan saraf kecil sekalipun bisa sangat mengubah hidup
    Teman saya yang mengendarai motor menabrak pagar pembatas dan saraf di bahu kanannya putus; lengannya tidak punya sensasi dan tidak bisa digerakkan
    Kalau hal seperti itu bisa diperbaiki, itu akan sangat besar bagi orang yang mengalaminya
  • Berdasarkan artikelnya, ini tampak lebih seperti jembatan yang menghubungkan bagian yang terputus, bukan membantu tubuh menyembuhkan dirinya sendiri
  • Neuropati memengaruhi banyak orang
    Misalnya pasien diabetes juga termasuk, dan teknologi ini bisa memperbaiki banyak kehidupan
  • Saya juga penasaran di mana teknologi ini akan diterapkan dan kapan bisa terwujud

• Kalau saya memahaminya dengan benar, ini tampaknya memungkinkan konversi saraf-ke-digital dan digital-ke-saraf
  Kalau begitu, artinya sebentar lagi kita bisa mengganti tubuh dengan tubuh robot
  Masalah yang tersisa adalah bagaimana menjaga otak tetap hidup di dalam tangki, dan membuat perangkat penunjang kehidupan cukup kecil untuk dimasukkan ke dalam tubuh
  Cukup mengedarkan darah, membuang karbon dioksida, serta memasok oksigen dan glukosa, jadi sepertinya mungkin tidak terlalu sulit, dan otak mungkin bisa dijaga tetap hidup tanpa batas

  • “Sebentar lagi kita bisa mengganti tubuh kita dengan tubuh robot” adalah kesimpulan yang terlalu terburu-buru
  • Ini mirip mengatakan pada tahun 1970, “karena ada komputer yang bisa bermain catur, sebentar lagi manusia bisa digantikan oleh AI”
    Sebelum mengatakan “otak bisa dijaga hidup tanpa batas” atau “itu tidak terlalu sulit”, kita perlu melihat dulu mengapa sepertiga hingga setengah populasi berusia di atas 85 tahun mengalami penyakit Alzheimer, penyakit Parkinson, dan demensia
    Pengembang perangkat lunak cenderung memandang masalah seperti ini terlalu sederhana dan optimistis, padahal tubuh manusia jauh lebih kompleks daripada yang tersirat dari penjelasan seperti itu
  • Cakupan harapannya jauh lebih kecil
    Saya berharap ini bisa dipakai untuk membantu orang yang mengalami kerusakan saraf terputus, atau mewujudkan prostesis yang lebih baik dengan gerakan dan sensor sentuh bagi orang tanpa anggota tubuh
    Secara pribadi, saya juga sangat tertarik pada peningkatan interaksi manusia-komputer
    Kalau bisa tanpa operasi, atau dengan cara yang sangat non-invasif dan cepat, itu akan bagus
  • Ekstrapolasi ekstrem seperti “sebentar lagi kita bisa mengganti tubuh kita dengan tubuh robot” sulit dipercaya
    Apalagi ketika setiap dua hari sekali ada tulisan di HN, dan ratusan di Reddit, yang mengklaim pasti bisa menyembuhkan kanker atau AIDS
  • Sepertinya tulisan yang dimulai dengan “kalau saya memahaminya dengan benar” biasanya diikuti isi yang menunjukkan bahwa penulisnya justru tidak memahaminya dengan benar

• Selalu terasa janggal bahwa tubuh manusia bisa dipindahkan ke sisi lain Bumi sejauh 25 jam dengan kecepatan 900 km/jam seharga kurang dari 1.500 dolar, tetapi bahkan dengan biaya 1.000 kali lipat dan waktu 1.000 kali lipat, kita tetap tidak bisa menjembatani jarak antara otak dan kaki

  • Dengan analogi yang akrab bagi administrator sistem, bayangkan sekumpulan kabel Ethernet atau serat optik menuju rak data center terpotong
    Sekarang setiap port harus disambungkan kembali ke port asalnya
    Selain itu, kabel-kabel itu berukuran mikroskopis, sangat rapuh, dan kita pun tidak benar-benar tahu cara memperbaikinya
    Pada dasarnya kita hanya bisa berharap kabel itu tumbuh kembali di tempatnya
  • Apakah itu aneh?
    Justru terasa wajar
    Presisi memang selalu sulit
    Kebanyakan orang lebih sulit mengenai titik 1 mm pada jarak 1 m dengan tepat daripada menendang bola sejauh 10 m
    Memindahkan tumpukan pasir sejauh 100 m lebih mudah daripada memindahkan satu butir pasir tepat 1 cm tanpa menyentuh butiran di sekitarnya
  • Karena kedua pekerjaan itu sepenuhnya berbeda, membandingkannya berdasarkan jarak tampaknya tidak bermakna
  • Cara kerja pesawat jet bisa dipahami sedalam yang Anda mau selama Anda punya rasa ingin tahu
    Pesawat dirancang manusia dari prinsip pertama, dan kita pandai mendokumentasikan penemuan serta memahami prinsip-prinsipnya
    Namun membuat benda yang terhubung dengan sistem biologis adalah persoalan yang sama sekali berbeda
    Ini seperti merekayasa balik teknologi alien; kita harus menelusuri dan memahami sesuatu yang sangat kompleks yang tidak dirancang oleh peradaban kita
    Saking kompleksnya, baru relatif belakangan ini kemajuan di bidang lain menghasilkan alat yang memungkinkan kita menyelidikinya secara berarti
  • Bidang-bidang sains individual punya titik awal historis yang berbeda dan laju kemajuan yang sangat tidak merata
    Kita selalu, setidaknya sejak Mesir kuno, lebih banyak mengetahui matematika daripada fisika, lebih banyak mengetahui fisika daripada kimia, dan lebih banyak mengetahui kimia daripada tubuh kita
    Teknologi yang tersedia juga mencerminkan perbedaan itu

• Dalam fiksi ilmiah masa depan dekat, mungkinkah teknologi seperti ini digunakan untuk mentransplantasikan tulang belakang baru yang ditumbuhkan di laboratorium?

  • Membayangkan tulang belakang hasil kultur laboratorium yang sinyal sarafnya bergerak dengan kecepatan arus listrik
  • Karena sudah membahas SF, setelah membaca tentang orang-orang yang memanipulasi anggota tubuh atau jari yang tidak ada, saya jadi penasaran
    “Sebagian tujuan CTRL-Labs cukup aneh, seperti melatih model untuk mengendalikan jari tambahan”
    https://www.theverge.com/2018/6/6/17433516/ctrl-labs-brain-c...
    Bisakah kita memperkuat atau menyilanghubungkan saraf agar dapat mengendalikan sesuatu yang semula tidak bisa kita kendalikan?
    Misalnya, bagaimana jika kita bisa mengeluarkan hormon sesuka hati untuk melepas adrenalin atau menenangkan diri?
  • Menurut saya, tulang belakang jauh lebih kompleks daripada yang umumnya diketahui orang
    Dari yang saya baca, tulang belakang pun punya kemampuan respons dan berpikir dasar, dan mungkin melampaui tingkat yang bisa dibuat manusia

• Ini harapan besar bagi pasien lumpuh
  Namun saya berharap teknologinya tidak menjadi terlalu mahal sehingga hanya bisa dipakai oleh segelintir jutawan

• Tulisan pengumuman yang diunggah langsung oleh universitas, misalnya rice.edu mengumumkan terobosan besar, kini terasa hampir seperti clickbait karena insentifnya terlalu menyimpang
  Peneliti melebih-lebihkan hasil demi makalah dan pendanaan riset, lalu universitas melebih-lebihkan lagi hasil itu untuk menarik mahasiswa dan investor
  Saya penasaran apakah orang lain juga merasakan hal yang sama, atau saya saja yang sudah terlalu sinis

  • Sinisme itu bisa dimengerti
    Peliputan akademik itu sulit dan imbalannya kecil
    Jika dilihat tanpa sinisme, separuh pekerjaan peneliti adalah menyebarkan hasil kepada peneliti lain dan publik
    Menurut saya, pengumuman universitas yang antusias meski agak berlebihan lebih baik daripada berita pemicu amarah yang mendominasi siaran dan halaman depan “media arus utama”
    Peneliti yang serius pada akhirnya bisa kembali ke materi peer-review yang sebenarnya
    Di artikel juga ada tautannya, dan naskah aslinya di sini: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01680-4
    PDF-nya di sini: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.24.477527v2....
    Dari sudut pandang saya yang hanya mengenal bidang ini secara pinggiran, dan sedikit paham perangkat piezoelektrik/magnetostriktif serta stimulasi/perekaman saraf, saya belum pernah melihat material magnetostriktif yang bisa menghasilkan bias DC
    Selain itu, menggerakkan perangkat dalam mode non-resonan untuk stimulasi saraf juga terasa baru
    Ini hanya pandangan dari jarak 1.000 kaki, tetapi cukup menarik, dan menurut saya artikel ini adalah liputan yang efektif dengan isi yang sepadan dengan hiperbolanya
  • Katanya 30% fisika dan kimia tidak dapat direplikasi, dan 70% ilmu lunak tidak dapat direplikasi
    Banyak hal yang kita ketahui tentang sosiologi mungkin saja palsu, dan jika landasan besar pemikiran progresif tentang ras, seks, dan gender bertumpu di sana, itu masalah besar
    Setidaknya, situasinya tampak tidak jauh berbeda dari ini
  • Saya teringat komik tentang siklus berita ini: https://phdcomics.com/comics/archive.php?comicid=1174

• Kapan kira-kira neural lace akan muncul?

  • Mengingat betapa sulitnya benar-benar memperbaiki kerusakan tak disengaja pada sel otak dan saraf, serta betapa luas dampak kerusakan itu, saya selalu heran ada begitu banyak orang yang ingin menancapkan sesuatu ke sana dan membiarkan kode arbitrer mengirim stimulasi listrik ke otak
    Saya paham potensinya luar biasa besar dan menggoda, tetapi saya tidak ingin menjadi pengguna awal produk seperti itu