Ilmuwan India Memperkenalkan ANCHOR, Atlas 3D Batang Otak Manusia Paling Terperinci di Dunia

Memetakan Pusat Kendali Tersembunyi di Otak

Selama lebih dari satu abad, para ahli saraf mempelajari otak manusia seperti para kartografer awal memetakan wilayah yang belum dikenal, menyusun gambaran lanskap luas dari pengamatan yang terpencar. Bahkan hingga kini, patolog yang mendiagnosis penyakit Alzheimer biasanya hanya memeriksa segelintir sampel jaringan dari organ yang memiliki sekitar 86 miliar neuron. Jendela kecil itu membuat sebagian besar otak tetap tak terlihat.

Para ilmuwan di Sudha Gopalakrishnan Brain Centre (SGBC), Indian Institute of Technology, Madras (IIT-M), meyakini mereka telah mengambil langkah besar untuk mengisi kesenjangan tersebut. Mereka membuat atlas 3D batang otak manusia dengan resolusi seluler yang mereka sebut sebagai yang paling terperinci di dunia. Dinamai ANCHOR, singkatan dari Atlas of Neurochemical Characterisation of the Human Brainstem with 3D Reconstruction, peta digital ini memungkinkan peneliti menelusuri dari pemindaian MRI seluruh otak hingga sel saraf individual, sambil mempertahankan posisi tepat setiap struktur.

Atlas ini menggabungkan lebih dari 500 irisan jaringan dari otak janin, anak-anak, dan orang dewasa. Delapan penanda kimia, yang dikenal sebagai imunostain, membantu membedakan berbagai jenis sel neurokimia. Hasilnya mengidentifikasi lebih dari 200 kelompok sel otak dan jalur saraf di seluruh batang otak. Tidak seperti atlas molekuler yang lebih mahal, ANCHOR dibuat dari citra mikroskop beresolusi tinggi, sehingga pemetaan terperinci pada resolusi seluler lebih terjangkau dan mudah diperluas.

Proyek ini diperkenalkan dalam Simposium Neurosains BRICS ke-3 2026 di IIT-Madras, yang dihadiri para pemimpin dari pemerintahan, akademisi, dan filantropi. Peluncuran tersebut menandai pencapaian ilmiah sekaligus meningkatnya peran India dalam neurosains global.

Mengapa Batang Otak Tetap Menjadi Batas Terakhir Neurosains

Batang otak hanya menempati sebagian kecil di dasar otak, tetapi menjaga manusia tetap hidup. Bagian ini menghubungkan otak dengan sumsum tulang belakang serta mengatur pernapasan, detak jantung, tekanan darah, tidur, kondisi terjaga, suhu tubuh, dan gerakan. Kerusakan pada kelompok kecil sel di dalamnya dapat berakibat fatal, tetapi susunannya yang padat sejak lama menyulitkan upaya untuk memetakannya secara terperinci.

Dr. Mihail Bota, ilmuwan senior di SGBC dan salah satu peneliti utama proyek ini, mengatakan batang otak juga menjadi penghubung penting antara otak dan bagian tubuh lainnya melalui sumsum tulang belakang. Bagian ini memiliki sepuluh dari dua belas saraf kranial dan berperan besar dalam fungsi otonom, pengaturan emosi, serta perilaku yang disengaja.

Pemetaan wilayah ini sangat menantang karena ribuan sel saraf dan jalur serabut terkemas rapat dalam ruang kecil. Strukturnya sangat heterogen. Berbagai nukleus dan pusat kendali muncul dan menghilang dalam jarak yang sangat pendek. Karena peneliti tidak dapat mengambil biopsi batang otak dengan aman pada pasien hidup, mereka harus mengandalkan jaringan pascakematian, irisan tipis, pewarnaan, pencitraan, dan rekonstruksi komputasional. Proses yang lambat dan cermat ini membatasi skala dan tingkat detail peta-peta sebelumnya.

Para ilmuwan telah memetakan otak beberapa spesies hewan dengan sangat terperinci, tetapi pemetaan otak manusia masih relatif terbatas karena penelitian terperinci terhadap jaringan otak manusia masih langka. Setiap otak manusia unik, sementara kendala etis, teknis, dan logistik menyulitkan penelitian manusia berskala besar. ANCHOR membantu mengatasi kesenjangan itu dengan menyediakan acuan beresolusi tinggi yang dibuat langsung dari jaringan manusia.

Membangun ANCHOR: Dari 500 Irisan Menjadi Atlas Digital

Tim ANCHOR mengembangkan platform pencitraan dan komputasi otak berkapasitas tinggi yang mengubah seluruh otak manusia menjadi basis data 3D beresolusi seluler. Proses dimulai setelah otak yang didonasikan dikumpulkan dan diproses dalam rentang waktu yang dikendalikan secara ketat. Batang otak, yang menurut Prof. Mohanasankar Sivaprakasam, kepala SGBC, kira-kira berbentuk seperti wortel, diiris menjadi bagian setebal 10 hingga 20 mikron. Satu mikron kira-kira seperlima lebar sehelai rambut manusia, sehingga setiap irisan dibuat dengan sangat tipis.

Irisan-irisan tersebut kemudian menjalani pemrosesan kimia dan biologis sebelum dipetakan dan diberi anotasi secara digital. Perangkat pencitraan kecerdasan buatan canggih dan komputasi berkinerja tinggi menyelaraskan irisan-irisan tersebut dengan sangat presisi sehingga batang otak aslinya dapat direkonstruksi dalam tiga dimensi. Sekitar 20 ilmuwan menghabiskan 18 bulan menganalisis secara manual lebih dari 200 irisan otak dan menggabungkan pemindaian MRI, anatomi mikroskopis, serta rekonstruksi 3D ke dalam satu atlas.

Delapan imunostain yang saling melengkapi diterapkan pada irisan-irisan jaringan. Penanda kimia ini berfungsi seperti filter yang menonjolkan berbagai jenis sel neurokimia. Hasilnya adalah sumber multimodal yang menggabungkan MRI, pencitraan permukaan blok, dan histologi beresolusi seluler. Peneliti dapat memeriksa titik mana pun di batang otak dengan beragam resolusi dan metode pewarnaan, sehingga mengungkap detail anatomi dan kimia yang sebelumnya tersembunyi.

Otak untuk pemetaan beresolusi seluler semacam ini harus dikumpulkan dan diproses dalam kondisi ketat. Tim perlu mengembangkan protokol khusus untuk menjaga keutuhan jaringan dan menghilangkan sisa darah yang dapat mengganggu pencitraan. Pekerjaan ini membutuhkan keahlian ahli saraf, neuroanatom, spesialis histologi, spesialis pencitraan, dan ilmuwan komputasi.

Menjembatani Kesenjangan antara Pemindaian Seluruh Otak dan Sel Tunggal

Neurosains modern sejak lama berjalan di dua ranah terpisah. MRI memperlihatkan seluruh otak, tetapi tidak menampilkan detail seluler. Mikroskop memperlihatkan sel individual, tetapi hanya pada irisan yang terpisah-pisah. Hubungan spasial antara irisan tersebut dan struktur yang lebih besar sering kali hilang. Kesenjangan itu membuat klinisi dan peneliti kesulitan mencocokkan tampilan otak pada hasil pemindaian dengan tampilan otak di bawah mikroskop.

ANCHOR berupaya menutup kesenjangan tersebut. Pengguna dapat memperbesar tampilan dari seluruh batang otak pada MRI hingga ke neuron individual, sambil mempertahankan hubungan spasial yang presisi. Integrasi inilah yang membuat atlas tersebut berbeda. Ini bukan sekadar diagram anatomi lain, melainkan jembatan antara pencitraan medis dan patologi seluler.

Dr. Rebecca Folkerth, seorang ahli neuropatologi yang berafiliasi dengan Harvard Medical School dan New York University, bekerja sama dengan tim SGBC. Selama lebih dari tiga dekade, ia telah memeriksa ribuan otak. Ia menyebut sumber daya baru ini sebagai perwujudan impian profesional yang telah lama ia dambakan.

Yang dibuat oleh pusat di India ini pada dasarnya adalah sesuatu yang saya impikan sejak awal karier: pemindaian otak yang sesuai dengan anatomi mikroskopis otak.

Dr. Shubha Tole, ahli saraf India di Tata Institute of Fundamental Research, menggambarkan proyek ini sebagai "integrasi yang belum pernah terjadi sebelumnya" antara rekayasa, neurosains, dan kedokteran. Menurutnya, program ini menempatkan India di panggung internasional.

Dr. Partha Mitra, ilmuwan otak di Cold Spring Harbor Laboratory yang membantu merancang dan membangun program histologi otak manusia di IIT Madras, mengatakan atlas otak terperinci dapat membawa perubahan besar dalam penelitian penyakit saraf dengan mengungkap, sel demi sel, perbedaan antara otak yang terdampak kondisi seperti penyakit Alzheimer atau autisme dan otak yang sehat.

Dari Penyakit Parkinson hingga Stroke: Hal yang Dapat Diungkap ANCHOR

Atlas ini bukan alat diagnostik. Nilai terbesarnya terletak pada pertanyaan yang dapat dibantu untuk diajukan oleh para ilmuwan. Dengan membandingkan peta batang otak yang sehat dengan jaringan yang mengalami penyakit, peneliti dapat lebih memahami gangguan mulai dari penyakit Parkinson dan stroke hingga penyakit Alzheimer dan sindrom kematian bayi mendadak, atau SIDS.

Penyakit Parkinson berkaitan dengan hilangnya secara bertahap sel saraf penghasil dopamin di substantia nigra, struktur yang berada di dalam batang otak. Stroke dapat merusak jaringan dengan cara yang belum sepenuhnya dipahami. Penyakit Alzheimer dikaitkan dengan perubahan pada wilayah batang otak. Peta yang lebih presisi dapat membantu ahli bedah saraf menavigasi salah satu bagian otak yang paling rentan dengan lebih yakin.

Dr. Folkerth menggunakan stroke sebagai contoh. Ia mengatakan atlas ini telah mengungkap fitur-fitur baru yang dapat membantu dokter menyelamatkan jaringan otak yang mengalami cedera tetapi masih bisa dipulihkan, sehingga berpotensi memperbaiki kondisi pasien.

Dr. Mitra juga menyebutkan bahwa atlas seperti ANCHOR dapat membantu menjelaskan bagaimana infeksi, termasuk Covid-19, memicu kerusakan saraf jangka panjang. Karena batang otak mengendalikan fungsi seperti pernapasan dan kondisi terjaga, memahami dampak virus atau peradangan terhadap sel-selnya dapat membuka peluang penelitian baru mengenai kondisi pascainfeksi.

Penerapan lainnya mungkin mencakup kedokteran tidur, gangguan perkembangan, dan penelitian perubahan yang berkaitan dengan usia. Batang otak mulai berkembang sangat dini pada masa embrio dan dengan cepat membentuk koneksi saraf penting saat janin masih berada di dalam rahim. Kemudian, pada usia lanjut, sejumlah struktur batang otak mulai kehilangan neuron. Memahami perubahan normal dalam perkembangan dan penuaan ini sangat penting sebelum peneliti dapat mengidentifikasi gangguan yang terjadi akibat penyakit.

Sains Terbuka, Kolaborasi Global, dan Peluncuran di BRICS

ANCHOR diperkenalkan dalam Simposium Neurosains BRICS ke-3 2026, yang berlangsung pada 5 hingga 7 Juni di IIT Madras. Simposium ini mempertemukan ahli saraf, klinisi, akademisi, dan peneliti dari negara-negara BRICS. Peluncuran tersebut dihadiri Prof. Ajay Kumar Sood, Penasihat Ilmiah Utama Pemerintah India, yang bertindak sebagai tamu kehormatan. Hadir pula Kris Gopalakrishnan, salah satu pendiri Infosys dan pendukung utama SGBC; Prof. V. Kamakoti, Direktur IIT Madras; serta Prof. Mohanasankar Sivaprakasam, kepala SGBC.

Prof. Sood menyampaikan pidato dalam acara tersebut dan mengatakan peta ini dapat membantu mengidentifikasi populasi sel tertentu yang terdampak lesi batang otak, yang mungkin penting bagi penerapan klinis. Ia menyebut proyek ini sebagai pencapaian besar dalam neurobiologi dan memuji pusat tersebut karena melibatkan institusi, negara, dan disiplin ilmu yang beragam.

Ini merupakan pencapaian penting di bidang neurobiologi. Ini adalah kerangka multimodal yang mengintegrasikan MRI, histologi, dan arsitektur kimia terperinci. Peta ini akan menjadi peta batang otak manusia yang paling terperinci dan menyeluruh, serta akan tersedia untuk publik dalam bentuk digital.

Proyek ini juga bergantung pada institusi medis India untuk memperoleh jaringan. CMC Vellore, Government Kilpauk Medical College, Sri Ramachandra Institute of Higher Education and Research, serta MediScan Systems membantu memperoleh otak dari individu dengan beragam usia dan latar belakang. Kolaborasi antara rumah sakit, insinyur, dan ahli saraf ini sangat penting bagi pembuatan atlas tersebut.

Para peneliti menyediakan ANCHOR untuk diakses publik melalui situs web anchor.humanbrain.in. Akses terbuka merupakan bagian inti dari rancangan proyek ini. Tim ingin atlas tersebut menjadi infrastruktur bersama, bukan sumber daya internal yang terbatas.

Misi yang Lebih Besar: Memetakan 100 Otak Sepanjang Usia dan Kondisi Penyakit

ANCHOR merupakan bagian dari upaya lebih luas SGBC untuk membuat peta otak manusia yang komprehensif pada resolusi seluler, mencakup berbagai tahap kehidupan dan kondisi saraf. Pada 2024, pusat tersebut merilis DHARANI, atlas terperinci otak janin yang sedang berkembang. Para peneliti kini mengerjakan atlas tambahan yang mencakup trimester ketiga kehamilan, masa kanak-kanak awal, dan berbagai penyakit saraf.

Salah satu proyek yang sedang berjalan adalah atlas terperinci otak yang terdampak stroke iskemik, yang menurut perkiraan tim akan dirilis dalam setahun ke depan. Pusat tersebut berencana mencitrakan lebih dari 100 otak manusia utuh yang mencakup berbagai tahap kehidupan dan gangguan saraf, termasuk penyakit Alzheimer dan demensia, untuk membangun pustaka acuan yang dapat mengungkap bagaimana penyakit mengubah otak, sel demi sel.

Prof. Sivaprakasam mengatakan pencapaian ini merupakan keberhasilan ilmiah sekaligus perkembangan yang akan sangat bermanfaat bagi kedokteran dan praktik klinis. Untuk pertama kalinya, klinisi dapat mengetahui tampilan batang otak secara terperinci dengan resolusi yang jauh lebih tinggi daripada MRI atau CT. Ia memperkirakan atlas ini akan digunakan antara lain dalam bedah otak.

Pusat tersebut terutama didanai melalui sumbangan awal dari Kris Gopalakrishnan, salah satu pendiri Infosys, dan istrinya, Sudha Gopalakrishnan. Pusat ini juga menerima hibah dari institusi swasta dan organisasi filantropi, serta dukungan awal dari Pemerintah India. Kini, tim tersebut terdiri atas lebih dari 200 peneliti, insinyur, dan teknisi yang bekerja sama dengan kolaborator dari sekitar 20 negara.

Saya berharap ini akan memberikan kontribusi penting bagi neurosains di dunia. Di India, kami memiliki kesadaran akan pentingnya sains dan teknologi yang terjangkau karena pada akhirnya teknologi harus melayani masyarakat dan rakyat.

Prof. Vidita A. Vaidya, profesor senior dan ketua bersama Departemen Ilmu Biologi di Tata Institute of Fundamental Research, mengatakan bahwa sumber penelitian akses terbuka seperti ANCHOR sangat penting untuk memajukan kolaborasi internasional dan mempercepat penemuan. Ia melihat India berkembang menjadi pusat penting penelitian neurosains global, dengan SGBC memimpin bidang neuroanatomi dan memperluas penelitian ke transkriptomik spasial untuk menambahkan detail molekuler pada peta seluler.

Hal-Hal Utama

• Peneliti di Sudha Gopalakrishnan Brain Centre, IIT Madras, telah merilis ANCHOR, atlas 3D batang otak manusia beresolusi seluler yang dapat diakses secara gratis.
• Atlas ini menggabungkan MRI, histologi beresolusi tinggi, dan delapan penanda neurokimia pada lebih dari 500 irisan jaringan dari otak janin, anak-anak, dan orang dewasa.
• Atlas ini mengidentifikasi lebih dari 200 nukleus batang otak dan traktus serabut, sehingga ilmuwan dapat menelusuri dari pemindaian seluruh otak hingga sel saraf individual.
• Batang otak mengendalikan pernapasan, detak jantung, tekanan darah, tidur, kondisi terjaga, dan gerakan, sehingga peta terperinci sangat penting bagi penelitian klinis.
• Penerapan potensialnya mencakup penelitian penyakit Parkinson, stroke, penyakit Alzheimer, gangguan tidur, SIDS, serta perencanaan bedah saraf.
• ANCHOR saat ini merupakan sumber daya penelitian, bukan alat diagnostik, dan hasilnya telah dirilis sebagai pracetak bioRxiv yang menunggu penelaahan sejawat.
• SGBC berencana memetakan lebih dari 100 otak manusia utuh yang mencakup berbagai tahap kehidupan dan penyakit saraf, melanjutkan penelitian sebelumnya seperti atlas otak janin DHARANI.