Sumber: Universitas Aalto

Otak manusia terdiri dari sekitar 86 miliar neuron, sel saraf yang memproses dan menyampaikan informasi melalui impuls saraf listrik.

Itu sebabnya mengukur aktivitas listrik saraf seringkali merupakan cara terbaik untuk mempelajari otak, kata Hanna Renvall. Dia adalah Universitas Aalto dan Asisten Profesor Rumah Sakit Universitas HUS Helsinki dalam Pencitraan Otak Terjemahan dan mengepalai Laboratorium BioMag HUS.

Electroencephalography, atau EEG, adalah teknik pencitraan otak yang paling banyak digunakan di dunia. Favorit Renvall, bagaimanapun, adalah magnetoencephalography atau MEG, yang mengukur medan magnet yang dihasilkan oleh aktivitas listrik otak.

Sinyal MEG lebih mudah diinterpretasikan daripada EEG karena tengkorak dan jaringan lain tidak terlalu mendistorsi medan magnet. Inilah tepatnya yang membuat teknik ini begitu hebat, Renvall menjelaskan.

“MEG dapat menemukan bagian otak yang aktif dengan akurasi yang jauh lebih tinggi, terkadang mencapai presisi skala milimeter.”

Perangkat MEG sangat mirip dengan pengering rambut kap yang ditemukan di salon rambut. Sensor SQUID yang melakukan pengukuran disembunyikan dan diisolasi secara efektif di dalam kap mesin karena hanya berfungsi pada suhu yang benar-benar beku, mendekati nol mutlak.

Perangkat MEG full-head pertama di dunia dibuat oleh perusahaan yang muncul dari Laboratorium Suhu Rendah Universitas Teknologi Helsinki—dan sekarang menjadi produsen peralatan terkemuka di bidang ini.

MEG memainkan peran utama dalam proyek AI-Mind baru Uni Eropa, yang kontributor Finlandianya adalah Aalto dan HUS. Tujuan dari proyek € 14 juta ini adalah untuk mempelajari cara-cara mengidentifikasi pasien-pasien tersebut, yang demensianya dapat ditunda atau bahkan dicegah.

Agar hal ini terjadi, ilmu saraf dan neuroteknologi membutuhkan bantuan dari para ahli kecerdasan buatan.

Sidik jari otak

Demensia adalah gangguan fungsi saraf yang luas yang secara signifikan mengikis kemampuan penderita untuk mengatasi kehidupan sehari-hari. Sekitar 10 juta orang menderita di Eropa, dan seiring bertambahnya usia populasi, jumlah ini terus bertambah. Penyakit paling umum yang menyebabkan demensia adalah penyakit Alzheimer, yang didiagnosis pada 70-80% pasien demensia.

Para peneliti percaya bahwa komunikasi antar neuron mulai memburuk jauh sebelum gejala klinis awal demensia muncul dengan sendirinya. Ini dapat dilihat pada data MEG—jika Anda tahu apa yang harus dicari.

MEG paling kuat saat mengukur respons otak terhadap rangsangan seperti ucapan dan sentuhan yang terjadi pada saat-saat tertentu dan berulang.

Menafsirkan pengukuran keadaan istirahat jauh lebih kompleks.

Itu sebabnya proyek AI-Mind menggunakan alat yang disebut sidik jari otak. Itu dibuat ketika Renvall dan Profesor Riitta Salmelin dan rekan-rekannya mulai menyelidiki apakah pengukuran MEG dapat mendeteksi genotipe seseorang.

Lebih dari 100 pasangan saudara mengambil bagian dalam penelitian yang mendudukkan subjek dalam MEG, pertama selama beberapa menit dengan mata tertutup dan kemudian selama beberapa menit dengan mata terbuka. Mereka juga menyerahkan sampel darah untuk analisis genetik sederhana.

Ketika peneliti membandingkan grafik dan penanda genetik, mereka memperhatikan bahwa, meskipun ada perbedaan substansial antara individu, grafik saudara kandung serupa.

Selanjutnya, kelompok Profesor Kecerdasan Buatan Universitas Aalto, Samuel Kaski menguji apakah komputer dapat belajar mengidentifikasi bagian grafik yang semirip mungkin antara saudara kandung sementara juga sangat berbeda jika dibandingkan dengan subjek tes lainnya.

Mesin itu melakukannya—dan lebih lagi, secara mengejutkan.

“Ia belajar membedakan individu dengan sempurna hanya berdasarkan grafik, terlepas dari apakah pencitraan telah dilakukan dengan mata subjek tes terbuka atau tertutup,” kata Hanna Renvall.

“Untuk manusia, grafik yang diambil dengan mata tertutup atau terbuka terlihat sangat berbeda, tetapi mesin dapat mengidentifikasi fitur masing-masing. Kami sangat senang dengan sidik jari otak ini dan sekarang berpikir tentang bagaimana kami dapat mengajarkan mesin untuk mengenali kerusakan jaringan saraf dengan cara yang sama.”

Skrining risiko dalam satu minggu

Sebagian besar pasien demensia didiagnosis hanya setelah gangguan tersebut berkembang, yang menjelaskan mengapa perawatan cenderung berfokus pada pengelolaan gejala tahap akhir.

Penelitian sebelumnya, bagaimanapun, menunjukkan bahwa banyak pasien mengalami penurunan kognitif, seperti gangguan memori dan pikiran, selama bertahun-tahun sebelum diagnosis mereka.

Salah satu tujuan dari proyek AI-Mind adalah mempelajari cara untuk menyaring individu dengan risiko lebih tinggi secara signifikan mengembangkan gangguan memori dalam beberapa tahun ke depan dari kelompok yang lebih besar dari mereka yang menderita kerusakan kognitif ringan.

Para peneliti berencana untuk mencitrakan 1.000 orang dari seluruh Eropa yang dianggap berisiko mengalami gangguan memori dan menganalisis bagaimana sinyal saraf mereka berbeda dari orang-orang yang bebas dari kerusakan kognitif. AI kemudian akan menggabungkan data pencitraan otak mereka dengan hasil tes kognitif dan biomarker genetik.

Para peneliti percaya metode ini dapat mengidentifikasi peningkatan risiko demensia hanya dalam waktu seminggu.

“Jika orang tahu tentang risiko mereka pada waktunya, itu dapat memiliki efek motivasi yang dramatis,” kata Renvall, yang memiliki pengalaman bertahun-tahun merawat pasien sebagai ahli saraf.

Perubahan gaya hidup seperti diet yang lebih sehat, olahraga, pengobatan penyakit kardiovaskular dan rehabilitasi kognitif dapat secara signifikan memperlambat perkembangan gangguan memori.

Mengelola faktor risiko dengan lebih baik dapat memberi pasien lebih banyak tahun yang baik, yang sangat berarti bagi individu, orang yang mereka cintai, dan masyarakat, juga, kata Renvall.

Mengidentifikasi individu yang berisiko juga akan menjadi kunci ketika obat pertama yang memperlambat perkembangan penyakit mulai dipasarkan, mungkin dalam beberapa tahun ke depan. Renvall mengatakan ini akan menjadi peristiwa penting, karena pengobatan pengobatan gangguan memori belum melihat kemajuan substansial dalam dua dekade terakhir.

Namun, obat-obatan baru tidak akan cocok untuk semua orang.

“Obat-obatan ini cukup kuat, begitu juga efek sampingnya—itulah mengapa kita perlu mengidentifikasi orang-orang yang paling diuntungkan,” Renvall menekankan.

Mematikan otak

Aktivitas otak melibatkan arus listrik, yang menghasilkan medan magnet yang dapat diukur dari luar tengkorak.

Prosesnya juga bekerja ke arah lain, prinsip yang menjadi dasar stimulasi magnetik transkranial (TMS). Dalam perawatan TMS, sebuah kumparan ditempatkan di kepala untuk menghasilkan medan magnet yang kuat yang mencapai otak melalui kulit dan tulang, tanpa kehilangan kekuatan. Denyut medan magnet menyebabkan medan listrik pendek dan lemah di otak yang memengaruhi aktivitas neuron.

Kedengarannya liar, tapi itu benar-benar aman, kata Profesor Fisika Terapan Risto Ilmoniemi, yang telah mengembangkan dan menggunakan TMS selama beberapa dekade.

“Kekuatan medan listrik sebanding dengan medan listrik otak itu sendiri. Pasien merasakan rangsangan, yang disampaikan dalam bentuk denyutan, saat tepukan ringan pada kulit mereka.”

Stimulasi magnetik digunakan untuk mengobati depresi berat dan nyeri neuropatik. Setidaknya 200 juta orang di seluruh dunia menderita depresi berat, sementara nyeri neuropatik lazim di antara pasien cedera tulang belakang, penderita diabetes, dan penderita multiple sclerosis. Obat-obatan memberikan bantuan yang memadai untuk hanya setengah dari semua pasien depresi; bagian ini hanya 30% dalam kasus penderita nyeri neuropatik.

Seberapa sering pulsa diberikan berdasarkan penyakit yang sedang dirawat. Untuk depresi, komunikasi antar-neuron dirangsang dengan rangkaian denyut frekuensi tinggi, sementara denyut yang lebih jarang menenangkan neuron pasien untuk menghilangkan nyeri neuropatik.

Lihat juga

Stimulasi diberikan ke bagian otak di mana, menurut ilmu kedokteran terbaru, neuron yang terkait dengan penyakit yang sedang dirawat berada.

Sekitar setengah dari pasien yang dirawat menerima bantuan yang signifikan dari stimulasi magnetik. Ilmoniemi yakin ini bisa jauh lebih tinggi—dengan lebih banyak kumparan dan bantuan algoritme.

Clanger satu nada untuk konser virtuoso

Pada tahun 2018, proyek penelitian ConnectToBrain yang dipimpin oleh Ilmoniemi diberikan €10 juta dalam pendanaan Sinergi Dewan Riset Eropa, pertama kalinya dana sinergi diberikan kepada sebuah proyek yang diarahkan oleh universitas Finlandia. Para ahli top di bidangnya dari Jerman dan Italia juga terlibat.

Tujuan dari proyek ini adalah untuk secara radikal meningkatkan stimulasi magnetik dalam dua cara: dengan membangun perangkat stimulasi magnetik dengan hingga 50 kumparan dan dengan mengembangkan algoritma untuk secara otomatis mengontrol stimulasi secara real time, berdasarkan umpan balik EEG.

Ilmoniemi melihat ke dunia musik untuk perbandingan.

“Perbedaan antara teknologi baru dan yang lama dapat dianalogikan dengan seorang pianis konser yang bermain dengan dua tangan, terus-menerus menyempurnakan performa mereka berdasarkan apa yang mereka dengar, daripada menekan satu tombol sambil mengenakan pelindung pendengaran.”

Para peneliti telah menggunakan perangkat dua kumparan untuk menunjukkan bahwa suatu algoritma dapat mengarahkan stimulasi ke arah yang benar sepuluh kali lebih cepat daripada ahli yang paling berpengalaman sekalipun. Ini baru permulaan.

Perangkat lima kumparan yang diselesaikan tahun lalu mencakup area korteks seluas sepuluh sentimeter persegi sekaligus. Sebuah sistem 50-koil akan menutupi kedua belahan otak.

Membangun perangkat semacam ini melibatkan banyak tantangan teknis. Mendapatkan semua gulungan ini agar pas di sekitar kepala bukanlah tugas yang mudah, juga tidak aman menghasilkan arus kuat yang diperlukan.

Bahkan setelah masalah ini diselesaikan, pertanyaan tersulit tetap ada: bagaimana kita bisa merawat otak dengan cara terbaik?

Para peneliti percaya bahwa komunikasi antar neuron mulai memburuk jauh sebelum gejala klinis awal demensia muncul dengan sendirinya. Gambar ada di domain publik

“Informasi seperti apa yang dibutuhkan algoritme? Data apa yang harus menginstruksikan pembelajarannya? Ini adalah tantangan besar bagi kami dan kolaborator kami, ”kata Ilmoniemi sambil berpikir.

Proyek ini bertujuan untuk membangun satu perangkat stimulasi magnetik untuk Aalto, satu lagi untuk Universitas Tübingen di Jerman dan yang ketiga untuk Universitas Chieti-Pescara di Italia. Para peneliti berharap, di masa depan, akan ada ribuan perangkat semacam itu yang beroperasi di seluruh dunia.

“Semakin banyak data pasien yang dikumpulkan, semakin baik algoritma yang dapat dipelajari dan semakin efektif perawatannya.”

Sensor optik kuantum dapat merevolusi cara kita membaca sinyal saraf

Kelompok kerja Profesor Lauri Parkkonen sedang mengembangkan jenis perangkat MEG baru yang menyesuaikan dengan ukuran dan bentuk kepala dan menggunakan sensor berdasarkan optik kuantum. Berbeda dengan sensor SQUID yang saat ini digunakan di MEG, sensor tersebut tidak perlu dibungkus dengan lapisan insulasi yang tebal, sehingga memungkinkan pengukuran dilakukan lebih dekat ke permukaan kulit kepala. Hal ini membuat lebih mudah untuk melakukan pengukuran yang tepat pada anak-anak dan terutama bayi.

Pekerjaan telah berkembang dengan pesat dan memberikan hasil yang menjanjikan: pengukuran yang dilakukan dengan sensor optik sudah mendekati akurasi spasial pengukuran yang dilakukan di dalam tengkorak.

Parkkonen percaya bahwa sistem MEG berdasarkan sensor optik juga bisa lebih murah dan lebih ringkas sehingga lebih mudah ditempatkan daripada perangkat tradisional; sistem MEG seperti itu dapat menggunakan perisai magnet “seukuran orang” alih-alih ruangan berpelindung besar seperti yang dilakukan sistem MEG konvensional.

“Ini akan membawanya ke jangkauan lebih banyak peneliti dan rumah sakit.”

Tentang berita penelitian AI ini

Pengarang: Minna Höltt
Sumber: Universitas Aalto
Kontak: Minna Höltt – Universitas Aalto
Gambar: Gambar ada di domain publik