Satu Milimeter Kubik Otak Dipetakan pada Resolusi Nanoskala

Studi yang memetakan bagian kecil otak dengan tingkat detail yang menakjubkan

• Para ilmuwan Google memodelkan bagian kecil otak manusia pada resolusi nanoskal
• Sel-sel dengan karakteristik yang sebelumnya belum pernah ditemukan pun terungkap
• Hasil penelitian dipublikasikan hari ini di jurnal Science dan juga dapat dilihat secara online

Hasil pemetaan 3D fragmen otak

• Objek penelitian adalah fragmen otak berukuran sekitar 1 milimeter kubik, hanya sekitar sepersejuta dari keseluruhan otak
• Fragmen ini mencakup sekitar 57 ribu sel dan 150 juta sinapsis (koneksi antar-neuron)
• Totalnya memuat data sangat besar sebesar 1,4 petabyte
• Peneliti Google, Viren Jain, mengatakan bahwa memahami kompleksitas ini tidak akan mudah

Proses persiapan dan pencitraan sampel otak

• Sebagian korteks serebral dari seorang perempuan berusia 45 tahun yang menjalani operasi epilepsi digunakan sebagai sampel
• Sampel direndam dalam bahan pengawet dan diwarnai dengan logam berat agar sel lebih mudah terlihat
• Tim Jeff Lichtman, ahli saraf dari Harvard, membaginya menjadi 5.000 irisan setebal 34 nanometer lalu memotretnya dengan mikroskop elektron
• Tim Google membuat model AI untuk merekonstruksi gambar-gambar mikroskop tersebut menjadi bentuk 3D

Neuron-neuron tidak biasa yang baru ditemukan

• Ditemukan neuron yang membentuk hingga 50 koneksi satu sama lain (biasanya paling banyak sekitar 2)
• Juga ditemukan neuron dengan tonjolan yang melilit dirinya sendiri hingga membentuk simpul
• Ditemukan pula sepasang neuron yang membentuk simetri yang nyaris sempurna satu sama lain
• Peran struktur-struktur ini masih belum jelas

Perlunya verifikasi atas data yang sangat besar

• Sebagian besar data masih belum diverifikasi secara manual, sehingga ada kemungkinan kesalahan dalam proses penggabungan gambar
• Dari 50 ribu sel, baru ratusan yang telah diverifikasi
• Jain berharap para peneliti akan memverifikasi langsung bagian peta yang menjadi bidang minat mereka
• Ke depan, tim ini berencana membuat peta serupa dari sampel otak orang lain, tetapi pembuatan peta seluruh otak diperkirakan masih sulit dalam beberapa dekade mendatang

Makna penelitian dan dampak yang diharapkan

• Hongkui Zeng dari Allen Institute menilai makalah ini sebagai pencapaian besar dalam pembangunan data korteks serebral manusia
• Data yang sangat besar dan dibuka secara bebas ini akan sangat membantu penelitian mikrosirkuit korteks serebral
• Yongsoo Kim dari Pennsylvania State University berharap peta ini akan mengungkap aturan baru konektivitas saraf dan membantu memecahkan cara kerja otak manusia
• Pemahaman yang mendalam tentang prinsip kerja korteks serebral dapat memberi petunjuk untuk pengobatan gangguan mental dan penyakit neurodegeneratif

Opini GN⁺

• Studi ini berskala kecil, tetapi sangat bermakna karena memberikan informasi yang belum pernah ada sebelumnya dengan tingkat detail luar biasa tentang struktur dan koneksi otak. Namun, karena datanya sangat besar, verifikasi dan interpretasinya tampaknya akan membutuhkan banyak upaya.

• Menjelaskan peran dan makna struktur neuron tidak biasa yang baru ditemukan akan menjadi tugas lanjutan yang penting. Melalui hal ini, diharapkan dapat diperoleh wawasan penting untuk memahami prinsip kerja otak dan mekanisme penyakit terkait.

• Jika ke depan lebih banyak peta otak dibuat dan data terus terakumulasi, hal ini diharapkan juga dapat dimanfaatkan untuk pengembangan obat baru maupun pengobatan presisi. Namun, tampaknya juga diperlukan kesepakatan sosial mengenai persoalan etika dan hukum.

• Jalan menuju pemahaman penuh atas kompleksitas otak masih panjang, tetapi penelitian ini tampak layak disebut sebagai tonggak di bidang ilmu otak. Ini juga patut diperhatikan sebagai contoh kolaborasi lintas disiplin antara peneliti Google dan Harvard yang membuahkan hasil baik.

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Visualisasi interaktifnya sangat bagus
  • Coba perbesar irisan dan gulir layer, atau perbesar model 3D
  • Anda bisa melihat bahwa saat kursor diarahkan ke satu bagian neuron, seluruh neuron tersebut akan disorot
• Peta 3D tersebut mencakup volume sekitar 1 milimeter kubik, yang setara dengan sepersejuta dari keseluruhan otak dan mencakup sekitar 57.000 sel serta 150 juta sinapsis (koneksi antar neuron)
• Ini memberikan perhitungan sederhana tentang seberapa besar model jaringan saraf yang dibutuhkan untuk meniru otak manusia
  • Jika diasumsikan ada rata-rata 2.632 sinapsis per neuron, maka 100 miliar neuron pada otak manusia dewasa diperkirakan memiliki total 2.6x10^14 sinapsis
  • Jika diasumsikan 1 parameter per sinapsis, maka ukuran model minimum harus ratusan kali lebih besar daripada GPT-4
  • Namun, jika mempertimbangkan 10-100 kanal ion per sinapsis dan minimal 10 parameter per kanal, tampaknya akan dibutuhkan lebih dari 2.6x10^16 parameter
• Coba baca ulang "There's Plenty of Room at the Bottom" karya Richard Feynman
  • Perhatikan bagian ketika para biolog memintanya membuat mikroskop elektron yang 1000 kali lebih kuat
  • Perhatikan juga teknologi yang digunakan untuk memindai gambar-gambar ini
• Berdasarkan foto satu neuron saja, para peneliti simulasi otak perlu menghitung ulang estimasi mereka tentang daya komputasi yang dibutuhkan
• Apakah ada istilah untuk rasa agak tidak nyaman saat melihat gambar otak mikroskopis seperti ini? Saya penasaran apakah itu reaksi yang normal
• Saya penasaran bagaimana mereka memotong 5.000 irisan setebal 34nm tanpa merusak sampelnya
• Dihitung bahwa untuk memindai seluruh otak manusia yang besar akan dibutuhkan ruang penyimpanan sebesar 1.76 zettabyte
• Disebutkan bahwa potongan otak diambil dari korteks serebral seorang perempuan berusia 45 tahun yang menjalani operasi untuk pengobatan epilepsi. Saya penasaran bagaimana mereka menentukan bagian mana yang harus dipotong
• Merekonstruksi volume 3D secara akurat dari irisan 2D sudah merupakan bidang yang diteliti dengan baik, jadi mengapa para peneliti menggunakan model ML yang berisiko menghasilkan halusinasi yang keliru?
• Satu lagi titik bukti bahwa AGI (Artificial General Intelligence) mungkin tidak mungkin diwujudkan
  • Menumbuhkan otak biologis sungguhan akan jauh lebih mudah
  • Itu tidak akan pernah terjadi di silikon, dan semua mesin pada akhirnya akan memiliki blok jaringan saraf seukuran sentimeter kubik yang tertanam di suatu tempat