Allan Jones: Sebuah peta otak

Manusia sudah lama terpesona dengan otak manusia. Kita memetakan, melukiskan, dan menggambarkannya, kita memetakannya. Lalu seperti peta fisik dari dunia kita yang telah banyak dipengaruhi oleh teknologi -- seperti Google Maps, atau GPS -- hal yang sama juga terjadi dalam pemetaan otak melalui transformasi ini.

Lalu mari kita melihat pada otak. Kebanyakan orang saat pertama kali melihat otak manusia yang segar mereka berkata, "Itu tidak seperti apa yang biasa anda lihat saat ada orang yang menunjukkan sebuah otak." Biasanya, yang Anda lihat adalah otak yang kaku, berwarna kelabu. Dan lapisan luar ini, ini adalah pembuluh darah yang sangat luar biasa, mengelilingi otak manusia. Ini adalah pembuluh darah. 20 persen dari oksigen yang masuk ke paru-paru Anda, 20 persen dari darah yang dipompa dari jantung Anda melayani organ tubuh yang satu ini, yang ukurannya, jika Anda mengepalkan kedua tangan, ukurannya hanya sedikit lebih besar daripada kedua kepalan tangan ini.

Ilmuwan, pada sekitar akhir abad 20 menyadari bahwa mereka dapat melacak aliran darah untuk memetakan kegiatan yang terjadi di otak manusia tanpa mengganggu otak. Sebagai contoh, mereka dapat melihat pada bagian belakang otak yang ada di sana. Itulah cerebellum, bagian yang membuat Anda tegak sekarang. Bagian ini membuat saya tetap berdiri. Ia mengatur gerakan terkoordinasi. Bagian ini adalah temporal cortex. Inilah bagian pengolahan pendengaran utama -- sehingga Anda bisa mendengar suara saya, Anda mengirimkannya ke pusat pengolahan bahasa yang lebih tinggi. Di bagian depan otak adalah tempat di mana pemikiran yang lebih sulit, pengambilan keputusan -- inilah bagian yang paling akhir menjadi dewasa. Inilah tempat di mana semua proses pengambilan keputusan dilakukan. Inilah tempat di mana saat ini Anda memutuskan mungkin Anda tidak mau memesan steak untuk makan malam.

Jadi jika Anda melihat otak lebih dalam jika Anda melihat pada penampang melintangnya, salah satu yang Anda lihat adalah Anda tidak benar-benar melihat struktur yang utuh. Namun ada banyak struktur di sana. Sel-sel dan kabelnya saling terhubung. Sekitar 100 tahun yang lalu, beberapa ilmuwan menemukan pewarna yang dapat menandai sel. Pewarna itu ditunjukkan dengan warna biru muda ini. Anda bisa melihat daerah di mana sel-sel tubuh normal sedang ditandai. Dan yang Anda lihat pewarna ini tidak seragam. Anda melihat banyak sekali struktur di sana. Jadi bagian luar dari otak itu adalah neocortex. Bisa dianggap sebuah unit pengolahan kontinu. Namun Anda juga bisa melihat beberapa hal di bawahnya. Dan semua daerah kosong ini adalah daerah di mana kabel-kabel itu berada. Mungkin daerah ini tidak terlalu padat. Jadi ada sekitar 86 milyar neuron di dalam otak kita. Dan seperti yang Anda lihat, mereka tersebar dengan tidak merata. Dan bagaimana mereka tersebar benar-benar berkontribusi pada fungsi mereka. Dan tentu saja, seperti yang telah saya sebutkan karena kita dapat mulai memetakan fungsi otak, kita dapat mulai mengaitkan hal ini dengan sel-sel tunggal.

Jadi mari kita melihat lebih jauh. Mari kita melihat pada neuron, jadi seperti yang saya sebutkan, ada 86 milyar neuron. Ada juga sel-sel yang lebih kecil ini. Ini adalah sel-sel pendukung -- astrosit glia. Dan sel saraf itu sendiri adalah sel-sel yang menerima masukan. Mereka menyimpan dan mengolahnya. Setiap neuron terhubung dengan sinapsis dengan hingga 10.000 neuron lain dalam otak Anda. Dan setiap neuron itu sendiri sangat unik. Sifat unik dari setiap neuron itu dan neuron di dalam bagian tertentu dari otak ditentukan oleh sifat-sifat dasar dari biokimia dasarnya. Ini adalah protein yang mengendalikan hal-hal seperti pergerakan saluran ion. Protein ini mengendalikan siapa rekan dari sistem sel-sel syaraf. Dan mereka mengendalikan semua yang harus dilakukan oleh sistem syaraf.

Lalu jika kita memperbesarnya lebih jauh, semua protein ini tersandikan dalam genom kita. Kita semua masing-masing memiliki 23 pasang kromosom. Kita mendapat 1 dari ibu dan 1 dari ayah. Dan di dalam kromosom ini ada sekitar 25.000 gen yang tersandikan di dalam DNA. Dan sifat dasar dari setiap sel dalam menentukan biokimia yang ada di dalamnya ditentukan oleh gen mana di antara 25.000 gen itu yang aktif dan sejauh mana gen itu aktif.

Jadi, proyek kami adalah melihat pada bacaan ini, memahami gen yang mana yang diaktifkan dari 25.000 gen yang ada. Jadi untuk melakukan proyek seperti ini, kami memerlukan otak. Jadi kami mengirimkan teknisi lab kami. Kami mencari otak manusia normal. Kami akhirnya mulai dari kamar otopsi. Inilah tempat penampungan orang meninggal. Kami mencari otak manusia normal. Ada banyak syarat dalam memilih otak-otak ini. Kami ingin memastikan bahwa kami mendapat otak orang normal berusia antara 20 hingga 60 tahun, mereka meninggal secara alami tanpa cedera di otak, tanpa sejarah penyakit kejiwaan, tanpa obat-obatan -- kami melakukan pemeriksaan racun. Dan kami sangat berhati-hati dengan otak yang kami ambil. Kami juga memilih otak di mana kami bisa mendapatkan jaringannya, kami dapat memperoleh persetujuan untuk mengambil jaringan itu dalam 24 jam setelah kematian. Karena apa yang kami coba ukur, RNA -- yang merupakan bacaan dari gen kita -- sangat labil, sehingga kami harus bergerak sangat cepat.

Salah satu catatan dalam mengambil otak ini: karena cara kami mengambilnya dan karena kami memerlukan persetujuan, kami mendapat lebih banyak otak pria dibandingkan otak wanita. Pria jauh lebih mungkin meninggal dalam usia emas kehidupannya. Dan pria jauh lebih mungkin memiliki orang untuk memberi persetujuan, yaitu pasangannya, ketimbang sebaliknya.

(Tawa)

Jadi hal pertama yang kami lakukan saat mengambilnya adalah kami mengambil apa yang disebut MR. Pemindaian resonansi magnetik -- MRI. Ini adalah prosedur standar di mana kami akan meletakkan data selanjutnya. Jadi kami mengumpulkan data MR ini. Anda bisa menganggap ini adalah tampak atas dari peta kami. Selanjutnya kami mengumpulkan apa yang disebut pencitraan penyebaran otot. Pencitraan ini memetakan kabel-kabel besar di otak. Dan Anda dapat membayangkan hal ini hampir seperti memetakan jalan raya antarnegara bagian. Otak ini dipisahkan dari tengkorak lalu diiris menjadi irisan setebal 1 cm. Selanjutnya otak dibekukan dan dikirim ke Seattle. Dan di Seattle, kami mengambil ini -- ini adalah belahan manusia -- dan kami menaruhnya di dalam pemotong daging yang "mulia." Di sana ada pisau yang akan memotong bagian dari jaringan ini dan memindahkannya ke kaca objek mikroskop. Kami akan memasukkan pewarna ke dalamnya dan memindainya. Lalu apa yang kami dapatkan adalah peta pertama.

Jadi di sinilah para ahli terlibat dan mereka membuat anatomi dasarnya. Anda dapat menganggap garis-garis yang cukup luas itu sebagai batas negara bagian. Dari sana, kita dapat memotong otak itu menjadi bagian-bagian kecil yang dapat kita masukkan ke dalam alat pembeku yang lebih kecil. Dan ini hanyalah contohnya -- jaringan beku ini sedang dipotong. Jaringan ini tebalnya 20 mikron, setebal sekitar rambut bayi. Dan ingat, jaringan ini beku. Dan anda bisa melihat, kami menerapkan teknologi lama bernama kuas. Kami mengambil kaca objek mikroskop. Lalu kami melelehkannya dengan hati-hati. Lelehan ini akan dipasang ke robot yang akan memasukkan pewarna ke dalamnya. Dan ahli anatomi kami akan datang dan melihat lebih jauh akan hal ini.

Kembali, inilah apa yang mereka dapat lihat di bawah mikroskop. Anda bisa melihat kumpulan dan susunan dari sel-sel besar dan kecil dalam gugusan dan di berbagai tempat. Selanjutnya hanya prosedur rutin. Mereka paham apa yang harus dilakukan. Dan mereka dapat membuat peta panduan. Ini adalah peta yang lebih rinci.

Ilmuwan kami menggunakan peta ini untuk kembali pada jaringan itu dan melakukan apa yang disebut pemindaian laser pembedahan mikro. Jadi para teknisi mengambil petunjuknya. Mereka menuliskannya di sana. Lalu laser itu mulai memotong. Anda melihat titik-titik biru yang terpotong itu. Dan jaringannya terlepas. Anda dapat melihat pada penampang mikroskopis ini, itulah yang sedang terjadi. Di bawahnya ada wadah yang mengumpulkan jaringan ini. Kami mengambil jaringan ini dan memurnikan RNAnya menggunakan teknologi dasar lalu kami menandainya dengan floresens. Kami mengambil bahan itu dan meletakkannya di wadah yang disebut mikroarray.

Mungkin ini hanya tampak seperti titik-titik bagi Anda, namun setiap titik ini sebenarnya bagian unik dari genom manusia yang kami lihat dengan kaca. Genom ini memiliki sekitar 60.000 elemen, jadi kami mengukur berbagai macam gen berulang-ulang dari 25.000 gen di dalam genom ini. Lalu kami mengambil contoh dan menggabungkannya, kami lalu mendapat sidik jari yang unik, secara quantitatif mengenai gen apa yang aktif pada contoh ini.

Kami melakukan ini berulang-ulang, pada semua otak yang ada. Kami mengambil lebih dari seribu contoh untuk setiap otak. Daerah yang ditunjukkan di sini disebut hippocampus yang terlibat dalam pembelajaran dan ingatan. Dan bagian ini meliputi 70 contoh dari ribuan contoh itu. Jadi setiap contoh memberikan kami sekitar 50.000 titik data dengan pengukuran berulang, dengan seribu contoh.

Jadi kami memiliki sekitar 50 juta titik data untuk setiap otak manusia. Saat ini kami telah menyelesaikan data dari 2 otak manusia. Kami menggabungkannya menjadi satu hal dan saya akan menunjukkan bagaimana penampakannya. Ini adalah sekelompok data yang besar yang tersedia dengan gratis bagi semua ilmuwan di seluruh dunia. Mereka bahkan tidak perlu mendaftar untuk menggunakannya, untuk mengambil data ini dan menemukan hal-hal menarik di sana. Inilah pengandaian yang kita satukan bersama. Anda akan mulai mengenali hal ini dari apa yang telah kami ambil sebelumnya. Inilah MR, yang menyediakan kerangka bagi hal itu. Ada bagian operator di sebelah kanan yang memungkinkan Anda memutar, juga memperbesar dan menandai struktur-struktur tunggal.

Namun yang paling penting, kami kini memetakannya dalam kerangka anatomi, yang merupakan kerangka umum bagi orang-orang untuk memahami gen mana yang aktif. Jadi warna merah itu menunjukkan gen yang sangat aktif. Hijau adalah daerah sejuk di mana gen itu tidak aktif. Dan setiap gen memberikan sidik jari. Harap diingat bahwa kami menguji 25.000 gen di dalam genom dan memiliki semua data itu.

Jadi apa yang dapat dipelajari para ilmuwan dari data ini? Kami baru saja mulai melihat sendiri pada data ini. Ada beberapa hal dasar yang ingin Anda pahami. Dua contoh yang bagus adalah obat-obatan, Prozac and Wellbutrin Ini adalah obat antidepresi yang biasa diresepkan. Ingatlah bahwa kami menguji gen ini. Gen-gen ini mengirimkan petunjuk untuk membuat protein. Protein adalah sasaran obat-obatan. Sehingga obat-obatan terikat pada protein dan akan menonaktifkan atau melakukan hal lainnya. Jadi jika Anda ingin memahami pengaruh dari obat-obatan, Anda ingin memahami bagaimana obat itu bereaksi dalam cara yang Anda inginkan dan dalam cara yang tidak Anda inginkan. Contohnya dalam efek sampingnya, Anda ingin melihat di mana gen-gen yang diaktifkan itu. Dan untuk pertama kalinya, kami dapat melakukan hal itu. Kami dapat melakukannya dalam otak banyak orang yang kami uji.

Jadi kami dapat melihat melalui otak dan melihat sidik jari unik itu. Dan kita dapat memastikan bahwa, gen-gen ini sungguh menjadi aktif -- karena sesuatu seperti Prozac, dalam struktur serotonergik, hal-hal yang sudah diketahui terkena pengaruhnya -- namun kami juga dapat melihat gambaran besarnya. Kami juga melihat daerah yang belum pernah dilihat sebelumnya dan kami melihat gen-gen itu diaktifkan. Efek samping ini dapat menjadi sangat menarik. Hal lain yang dapat Anda lakukan dengan itu adalah, karena ini adalah sistem pencocokan pola dan karena ada sidik jari yang unik, kami dapat memindai seluruh genom ini dan menemukan protein lain yang menunjukkan sidik jari yang sama. Sehingga jika Anda bekerja untuk menemukan obat, Anda dapat melihat seluruh daftar yang mungkin dari genom itu untuk menemukan sasaran yang lebih baik dan mengoptimalkannya.

Kebanyakan dari Anda mungkin akrab dengan kajian yang berhubungan dengan genom di mana orang-orang meliput berita yang mengatakan, "Para ilmuwan telah menemukan gen yang mempengaruhi X." Jadi kajian seperti ini diterbitkan secara rutin oleh para ilmuwan dan mereka luar biasa. Mereka menganalisis banyak data. Mereka melihat seluruh genomnya dan mereka mencoba menemukan pusat kegiatan yang terhubung dengan gen ini. Namun apa yang Anda dapatkan dari hal itu hanyalah daftar gen yang memberitahukan tentang apa, namun tidak memberitahu di mana. Jadi penemuan sumber daya ini akan sangat penting bagi para ilmuwan itu. Kini mereka dapat bekerja dan mulai mendapat petunjuk tentang kegiatan itu. Mereka dapat mulai melihat rute umum -- suatu cara lain yang belum pernah dapat mereka lakukan sebelumnya.

Jadi saya rasa para penonton di sini dapat memahami pentingnya suatu kepribadian. Dan saya rasa setiap manusia memiliki latar belakang genetik yang berbeda, kita semua hidup secara terpisah. Namun pada kenyataannya genom kita lebih dari 99 persen serupa. Kita semua serupa dalam tingkatan genetik. Dan apa yang kami temukan adalah , bahkan pada tingkat biokimia otak, kita semua cukup serupa. Dan tingkat keserupaannya bukanlah 99 persen, namun sekitar 90 persen dengan tingkat penyisihan tertentu, jadi pada dasarnya semuanya berhubungan. Lalu kami menemukan beberapa keganjilan, bebarapa hal di luar kewajaran. Dan gen-gen itu sangat menarik namun juga sangat tersembunyi. Jadi saya rasa ini adalah pesan yang penting untuk dibawa, bahwa walaupun kita mensyukuri semua perbedaan kita, kita cukup serupa bahkan pada tingkatan otak.

Kini bagaimana perbedaan itu? Ini adalah contoh kajian yang kami lakukan untuk menindaklanjuti tentang bagaimana perbedaan itu sebenarnya -- dan perbedaan itu cukup tersembunyi. Ini adalah tempat di mana gen menjadi aktif pada sel tunggal. Ini adalah dua gen yang kami anggap merupakan contoh yang bagus. Salah satunya adalah RELN -- yang berhubungan dengan perkembangan awal. DISC1 adalah gen yang hilang pada penderita skizofrenia. Orang ini bukan penderita skizofrenia, namun mereka menunjukkan variasi populasi. Jadi apa yang Anda lihat di sini pada pendonor pertama dan keempat, yang merupakan pengecualian dibandingkan dua donor lainnya, bahwa gen yang aktif pada kelompok sel yang khusus. Warna ungu gelap ini mengendap di dalam sel yang memberi tahu bahwa gen ini diaktifkan. Apakah hal itu merupakan petunjuk akan latar belakang genetik atau pengalaman orang itu, kami masih tidak tahu. Kajian seperti ini memerlukan contoh yang jauh lebih banyak.

Jadi saya akan meninggalkan satu catatan tentang kompleksitas dari otak dan seberapa jauh lagi kita harus melangkah. Saya rasa sumber daya ini sangatlah berharga. Mereka memberikan pegangan kepada para ilmuwan tentang ke mmana harus melangkah. Namun kami hanya melihat beberapa orang pada saat ini. Sudah pasti kami akan melihat lebih banyak orang lagi. Saya akan menutup dengan mengatakan bahwa alatnya ada di sana dan ini adalah daratan yang belum ditemukan dan terjamah. Ini adalah batas yang baru. Jadi bagi mereka yang tidak takut namun kesulitan akan kompleksitas otak, masa depan telah menanti.

Terima kasih.

(Tepuk tangan)