Mengungkap Penyakit Neurologis - Inovasi dalam Neurosains

Memori adalah aktivitas mental terkait kemampuan otak untuk:

1. Encode information: merujuk pada cara neuron dan jaringan saraf mengubah informasi dari lingkungan menjadi sinyal listrik atau kimia yang dapat diproses oleh otak

2. Storing Information: menyimpan informasi
3. Retrieval Information: merujuk pada proses di mana individu mengakses dan mengambil kembali informasi yang telah disimpan dalam memori. Proses ini sangat penting dalam berbagai aspek kehidupan sehari-hari, seperti belajar, pengambilan keputusan, dan interaksi sosial.

Semua proses diatas memerlukan peran neuron dan active neuronal ensembles*. Penelitian saat ini dilakukan adalah dengan meneliti proses-proses yang terlibat dalam active neuronal ensembles. Penelitian ini sering melibatkan teknik-teknik seperti pencitraan otak, elektrofisiologi, dan analisis data untuk memahami bagaimana neuron-neuron ini berinteraksi, bagaimana mereka berkontribusi pada perilaku dan fungsi otak, serta bagaimana perubahan dalam ansambel ini dapat terkait dengan kondisi neurologis atau psikologis. Dalam penelitian neurosains, saat ini dikembangkan berbagai tools untuk mengamati:

A. Synaptic activity & Synaptic Strenght

Tools/teknik yang saat ini digunakan dalam meneliti aktivitas sinaps adalah dengan menggunakan Robust Activity Marking System dan MAP (Magnified Analysis of the Proteome).

"Robust Activity Marking" (RAM) adalah sistem yang dirancang untuk menandai atau mencatat aktivitas dengan cara yang kuat dan dapat diandalkan. Meskipun istilah ini dapat digunakan dalam berbagai konteks, biasanya berkaitan dengan pengelolaan data, pemantauan aktivitas, atau evaluasi performa dalam sistem tertentu.

Kenapa menggunakan RAM?

1. High Sensitivity (Robust Induction)

Sensitivitas tinggi berarti sistem dapat mendeteksi dan menandai aktivitas dengan sangat baik, bahkan dalam kondisi yang minim. Robust induction menunjukkan bahwa sistem ini dapat menghasilkan respons yang kuat dan dapat diandalkan terhadap rangsangan atau aktivitas yang diinginkan, sehingga memungkinkan deteksi yang lebih akurat dari perubahan dalam aktivitas neuron atau sel.

2. High Selectivity (Low Background)

Selektivitas tinggi berarti sistem dapat membedakan antara aktivitas yang relevan dan yang tidak relevan dengan sangat baik. Low background menunjukkan bahwa ada sedikit "noise" atau gangguan dari sinyal lain, sehingga informasi yang diperoleh lebih bersih dan lebih mudah dianalisis. Ini penting untuk memastikan bahwa hanya aktivitas yang diinginkan yang ditandai, tanpa interferensi dari aktivitas lain yang tidak terkait.

3. Precise Temporal Control (Modified DOX-off)

Kontrol temporal yang tepat berarti sistem dapat mengatur waktu penandaan aktivitas dengan akurasi tinggi. Modified DOX-off merujuk pada modifikasi dari sistem kontrol yang berbasis pada doksisiklin (DOX), di mana penandaan dapat diaktifkan atau dinonaktifkan pada waktu yang tepat. Ini memungkinkan peneliti untuk mengamati aktivitas neuron dalam jangka waktu yang spesifik, memberikan wawasan yang lebih mendalam tentang dinamika aktivitas.

4. Small Size (High Capacity and Versatility)

Ukuran kecil menunjukkan bahwa sistem ini tidak memerlukan banyak ruang fisik dan dapat digunakan dalam berbagai pengaturan. Kapasitas tinggi dan fleksibilitas berarti sistem dapat menangani banyak data atau aktivitas sekaligus, serta dapat disesuaikan untuk berbagai aplikasi atau spesies. Ini membuatnya lebih mudah untuk diintegrasikan ke dalam berbagai eksperimen atau studi.

5. Applicable to Different Species

Dapat diterapkan pada berbagai spesies menunjukkan bahwa sistem ini cukup universal untuk digunakan dalam penelitian yang melibatkan berbagai jenis organisme, baik itu hewan model seperti tikus, ikan, atau bahkan spesies yang lebih kompleks. Ini memungkinkan peneliti untuk melakukan studi yang lebih luas dan relevan secara biologis.

Secara keseluruhan, istilah-istilah ini menggambarkan karakteristik penting dari sistem penandaan aktivitas yang kuat dan efektif, yang dapat digunakan dalam berbagai konteks penelitian untuk memahami fungsi saraf dan aktivitas biologis lainnya.

Magnified Analysis of the Proteome adalah pendekatan yang digunakan untuk mempelajari dan menganalisis proteom, yaitu keseluruhan protein yang dihasilkan oleh sel, jaringan, atau organisme pada waktu tertentu. Pendekatan ini bertujuan untuk mendapatkan pemahaman yang lebih dalam tentang struktur, fungsi, dan interaksi protein dalam konteks biologis yang spesifik.

Hubungannya dengan Penelitian Neurosains

Memahami Fungsi Neuron: Dalam penelitian neurosains, memahami bagaimana protein berfungsi dalam neuron sangat penting. Protein memainkan peran kunci dalam berbagai proses, termasuk transmisi sinyal, plastisitas sinaptik, dan respon terhadap rangsangan.
Identifikasi Biomarker: Melalui analisis proteom, peneliti dapat mengidentifikasi biomarker yang mungkin terkait dengan gangguan neurologis atau kondisi tertentu, seperti Alzheimer, Parkinson, atau depresi. Ini dapat membantu dalam diagnosis dan pengembangan terapi.
Interaksi Protein: Neurosains sering kali melibatkan pemahaman tentang bagaimana protein berinteraksi satu sama lain dalam jaringan saraf. Analisis yang diperbesar dapat membantu mengidentifikasi jaringan interaksi protein yang kompleks, yang penting untuk fungsi otak.
Perubahan dalam Kondisi Penyakit: Dengan menganalisis perubahan dalam proteom di berbagai kondisi, peneliti dapat memahami bagaimana penyakit memengaruhi fungsi seluler dan jaringan, serta mekanisme yang mendasari perkembangan penyakit.
Pengembangan Terapi: Informasi yang diperoleh dari analisis proteom dapat digunakan untuk mengembangkan terapi yang lebih tepat sasaran, baik dalam bentuk obat yang menargetkan protein tertentu atau strategi lain untuk memodulasi aktivitas protein dalam konteks penyakit neurologis.

B. Neuronal Activity

Untuk mengamati aktivitas neuronal awalnya digunakan tomografi konvensional, namun terdapat beberapa kendala dengan tools ini seperti;

Sangat memakan waktu dan tenaga: Proses tomografi konvensional membutuhkan waktu yang lama dan banyak tenaga untuk dilakukan.
Tidak efisien dari segi biaya: Metode ini sering kali tidak memberikan nilai yang sebanding dengan biaya yang dikeluarkan.
Sebagian besar tidak terarah: Teknik ini umumnya tidak dapat menargetkan area spesifik dalam otak.
Terbatas pada lapisan superfisial korteks (I dan II/III): Tomografi konvensional hanya dapat menjangkau lapisan-lapisan permukaan dari korteks otak, seperti lapisan I dan II/III.

Lalu, kemudian dikembangkan sebuah teknik yaitu LUCA (LUminescence-induced Connectome of Active ensembles). Teknik ini digunakan untuk memetakan konektivitas jaringan saraf dengan cara yang inovatif. Teknik ini memanfaatkan luminesensi untuk menandai dan menganalisis kelompok neuron yang aktif secara bersamaan, sehingga memungkinkan peneliti untuk mengidentifikasi dan memahami interaksi antara neuron dalam konteks aktivitas tertentu. Dengan teknik ini, kita dapat melakukan:

Pemetaan Konektivitas Neuronal: LUCA memungkinkan peneliti untuk memetakan konektivitas antara neuron yang aktif, memberikan wawasan tentang bagaimana kelompok neuron berfungsi bersama untuk menghasilkan perilaku atau proses kognitif tertentu.
Studi Aktivitas Neuron: Dengan menggunakan teknik ini, peneliti dapat mengamati bagaimana neuron berinteraksi dalam waktu nyata selama aktivitas tertentu, seperti pembelajaran atau pengolahan informasi.
Memahami Jaringan Saraf: LUCA membantu dalam memahami organisasi dan struktur jaringan saraf, serta bagaimana perubahan dalam konektivitas dapat berkontribusi pada gangguan neurologis atau kondisi psikologis.
Identifikasi Ansambel Neuron: Teknik ini memungkinkan peneliti untuk mengidentifikasi ansambel neuron yang terlibat dalam fungsi spesifik, yang penting untuk memahami mekanisme dasar dari berbagai proses neurologis.
Pengembangan Terapi: Dengan memahami konektivitas dan interaksi antar neuron, LUCA dapat membantu dalam pengembangan terapi yang lebih tepat sasaran untuk gangguan neurologis, dengan menargetkan kelompok neuron tertentu yang terlibat.

Berikut beberapa langkah dalam melakukan LUCA:

Langkah I: labeling the learning-induced active neuronal ensembles
Menandai kelompok (ensemble) neuron yang aktif selama proses pembelajaran atau pengalaman tertentu. Hal ini dilakukan dengan menyuntikkan 2 vektor virus untuk mengantarkan gen ke dalam sel neuron, yaitu: AAV9-RAM-d2tTA-TRE-mKate2 dan AAV9-hSyn-eGFP. AAV9-RAM-d2tTA-TRE-mKate2 memberikan kontrol yang lebih besar atas ekspresi gen, sementara AAV9-hSyn-eGFP digunakan untuk menandai neuron secara spesifik.
Langkah II: labeling single active ensemble neurons
Menandai neuron individu dalam kelompok yang telah diidentifikasi sebelumnya. Jadi, setelah langkah pertama dilakukan, kemudian pilih satu neuron dari ensemble itu dan nyalakan (photo‑activate) rekombinasi Cre hanya di sel itu dengan sistem split‑Cre yang dikendalikan cahaya (CRY2/CIB). Ai9 (Rosa26‑LSL‑tdTomato) kemudian akan mengekspresikan tdTomato secara permanen di sel yang mengalami rekombinasi — sehingga Anda punya label permanen untuk satu neuron yang sebelumnya terlibat dalam ensemble. Pada langkah ini digunakan:
- AAV9‑hSyn‑Cry2‑CreN: mengekspresikan fragmen N‑terminal Cre yang digabung dengan CRY2 (dioda cahaya‑sensitif) di neuron (promotor hSyn = neuron‑preferent).
- AAV9‑hSyn‑CIBN‑CreC: mengekspresikan fragmen C‑terminal Cre yang digabung dengan CIBN (pasangan pengikat CRY2) di neuron.
- AAV9‑RAM‑d2tTA‑TRE‑mKate2: sistem RAM (Robust Activity Marker) yang mengekspresikan d2‑tTA (tetracycline transactivator yang distabilkan/destabilisasi) ketika sel aktif → d2tTA mengaktifkan TRE‑driven mKate2 sehingga sel yang baru saja aktif menampilkan sinyal mKate2 yang bersifat transient (d2 = destabilized untuk kontrol temporal).
- Ai9 mouse: reporter Rosa26‑loxP‑STOP‑loxP‑tdTomato; bila Cre aktif → STOP excised → tdTomato diekspresikan permanen di sel tersebut.
Langkah III: whole brain tissue clearing and light sheet imaging
Membuat jaringan otak transparan untuk memungkinkan pencitraan volumetrik menggunakan mikroskopi lembaran cahaya.
Langkah IV: labeling synaptic partners of the single ensemble neuron
Mengidentifikasi neuron lain yang terhubung secara sinaptik dengan neuron yang telah ditandai.

Metode:
- Trans-synaptic Tracing: Menggunakan virus rabies yang dimodifikasi untuk menginfeksi neuron presinaptik yang terhubung dengan neuron target.
- Luminescence Imaging: Menggunakan teknik pencitraan luminescence untuk mendeteksi aktivitas neuron yang ditandai.
Langkah:
- Virus rabies yang dimodifikasi digunakan untuk menginfeksi neuron presinaptik.
- Aktivitas neuron yang ditandai dideteksi menggunakan pencitraan luminescence.
- Neuron presinaptik yang terhubung dengan neuron target diidentifikasi dan ditandai.

C. Active Synapses Identification

Untuk mengamati sedang dilakukan pengembangan teknik yang disebut EVAN (Enhanced Visualization of Active synapses at the Nanoscale (EVAN), yaitu visualisasi sinaps aktif pada skala nanoskopik yang merupakan integrasi pelabelan aktivitas, pelabelan molekul sinaptik (reseptor NMDA), dan teknik pencitraan resolusi‑tinggi / pelacakan partikel (quantum dots).

Saat ini sedang dilakukan perancangan teknik dengan melibatkan beberapa komponen, NMDA Reseptor, QDots, dan MK801.

NMDA receptor (N‑methyl‑D‑aspartate receptor) adalah tipe reseptor ionotropik glutamat yang sangat penting dalam transmisi sinaptik dan plastisitas sinaptik di sistem saraf pusat. NMDA receptor (NMDAR) kritikal untuk plasticity sinaptik (LTP/LTD) dan merupakan salah satu molekul yang berubah lokasinya dan fungsinya selama aktivasi sinaps. Aktivitas NMDAR terkait langsung dengan influx Ca2+ yang memicu jalur molekuler remodeling sinaps; perubahan densitas/klaster NMDAR di sinaps/eksrasinaptik sering menunjukkan plasticity.

Patologi dan relevansi klinis NMDAR:

Eksitotoksisitas: overstimulasi NMDA → masuknya Ca2+ berlebihan → kematian neuron; mekanisme penting pada stroke, trauma otak, dan beberapa gangguan neurodegeneratif.
Schizophrenia: hipotesis NMDA‑hypofunction (obat‑antagonis NMDA seperti ketamine/PCP menghasilkan gejala seperti skizofrenia).
Terapeutika: antagonis nonkompetitif (MK‑801, PCP), antagonis ketat (APV/D‑AP5), obat klinis seperti ketamine (antagonis nonkompetitif, juga digunakan sebagai antidepresan dosis rendah) dan memantine (antagonis low‑affinity yang digunakan untuk Alzheimer).
Ko‑agonis site modulators (mis. D‑cycloserine) sedang dieksplorasi untuk terapi plastisitas.

Oleh karena perannya dalam plasticity dan Ca2+ signaling, NMDA receptor menjadi target utama untuk studi mekanisme pembelajaran, memori, dan penyakit saraf. Selain itu, sifat subunit‑spesifik memungkinkan pemahaman regional/developmental fungsi dan menawarkan strategi terapeutik yang lebih spesifik.

QDs digunakan sebagai probe fluoresen nanoskala untuk mempelajari perilaku, lokalisasi, dinamika dan interaksi NMDA receptor di permukaan neuron — terutama lewat teknik single‑particle tracking, imaging super‑resolution, dan FRET‑type assays.

Kenapa QDs?

Kecerahan dan stabilitas fotofisika: QDs jauh lebih terang dan tahan bleaching dibanding pewarna organik, memungkinkan imaging jangka panjang di tingkat single‑molecule/single‑particle.
Spektrum: spektrum serapan lebar dan emisi sempit/multiband mempermudah multiplexing (label beberapa target dengan warna berbeda).

MK‑801 (dizocilpine) adalah antagonis non‑kompetitif kanal NMDA. QDs dipakai untuk memvisualisasi dan melacak NMDA receptor (lokalisasi, difusi, internalisasi), sedangkan MK‑801 dipakai sebagai alat fungsional untuk memblok kanal NMDA (menghentikan aliran ion/Ca2+) sehingga memungkinkan menilai bagaimana aktivitas kanal memengaruhi perilaku molekuler yang diamati dengan QDs. Saat ini sedang dilakukan modifikasi MK-801 menjadi alkyne-terminated MK-801.

Catatan:
*merujuk pada penelitian kelompok neuron yang berfungsi bersama-sama dalam otak untuk menghasilkan aktivitas tertentu. Ansambel neuron ini terlibat dalam berbagai proses kognitif, seperti memori, pembelajaran, dan pengolahan informasi.

Catatan ini dibuat berdasarkan kuliah dari Eddie Feng-Ju Weng, PhD, Graduate institute of biomedical sciences, Neuroscience and brain disease center, China Medical University, Sept 26th 2025 at Ying Cai Campus.

Bacaan lain terkait neurosains research bisa dibaca disini;

1. Pengaruh Fluvoxamine dalam Meningkatkan Transportasi Nukleus

2. Sistem Penandaan Aktivitas Neuronal Robust (RAM) dalam Penelitian Neurosains

3. Peran Npas4 dalam Pembentukan Memori Kontekstual Melalui Regulasi Sinaps MF-CA3

Terima kasih telah mengunjungi dan membaca artikel di website kami. Dapatkan Update Artikel dengan cara mengikuti beberapa Link berikut:

Facebook: https://web.facebook.com/OfficialCatatanDokter

Telegram : https://t.me/catatandokter atau @catatandokter

Artikel Lainnya