Chip Otak Nirkabel KAIST Melacak Respons Obat Alzheimer pada Babi Mini

Bahan kimia otak terlacak saat obat mulai bekerja

Sebuah chip nirkabel yang ditanamkan di korteks prefrontal babi mini melacak peningkatan zat kimia yang terlibat dalam memori setelah hewan tersebut diberi donepezil, obat yang digunakan untuk mengobati penyakit Alzheimer. Sinyal itu kemudian berangsur kembali ke tingkat awal, sehingga peneliti dapat memantau respons kimia otak terhadap obat secara berkelanjutan.

Penelitian yang dipimpin Profesor Kyung-In Jang dari Departemen Teknik Mesin KAIST ini menggabungkan sensor asetilkolin, sumber cahaya kecil, dan perangkat elektronik pengukuran nirkabel. Tujuannya adalah membantu ilmuwan memantau perubahan di bagian tertentu otak saat perubahan itu terjadi, alih-alih menunggu sampel diambil kemudian atau menilai obat terutama dari perubahan perilaku.

Temuan ini diterbitkan pada 14 Oktober 2026 di Device, jurnal yang diterbitkan oleh Cell Press. KAIST mengumumkan penelitian tersebut pada 27 Oktober. Kolaboratornya meliputi Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), Korea Brain Research Institute (KBRI), dan Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB).

Eksperimen tersebut mengukur respons kimia di otak hewan. Penilaian manfaatnya bagi pasien memerlukan penelitian lebih lanjut, termasuk pengujian apakah implan dapat tetap aman dan menghasilkan pengukuran yang andal dalam jangka panjang.

Mengapa peneliti memantau asetilkolin

Asetilkolin adalah neurotransmiter, yakni pembawa pesan kimia yang mengirimkan informasi antarsel saraf. Zat ini membantu mendukung proses belajar dan memori, sehingga menjadi sasaran yang berguna bagi peneliti untuk mengkaji pengaruh obat terhadap fungsi tersebut.

Donepezil bekerja pada asetilkolinesterase, enzim yang menguraikan asetilkolin. Dengan menghambat enzim itu, obat tersebut membuat pembawa pesan ini tetap aktif lebih lama. Memantau asetilkolin setelah pemberian dosis memberi peneliti cara untuk mengamati sebagian proses tersebut di dalam otak.

Tim memilih korteks prefrontal, bagian otak yang berperan dalam penilaian, perhatian, dan memori. Setelah menanamkan chip dan memberikan donepezil, peneliti merekam peningkatan sinyal asetilkolin, yang kemudian berangsur kembali mendekati garis dasar, yakni tingkat yang tercatat sebelum pengobatan.

Perubahan sinyal tersebut berguna karena kerja obat berlangsung seiring waktu. Pengukuran pada satu momen saja dapat menangkap peningkatan atau pemulihan, sedangkan perekaman berkelanjutan dapat menunjukkan urutan kedua tahap tersebut.

Perubahan yang dibawa pengukuran nirkabel berkelanjutan

Peneliti kerap menilai obat untuk penyakit otak melalui tes memori, perilaku, atau pencitraan. Metode-metode itu menjawab pertanyaan yang berbeda dari sensor yang ditempatkan langsung di bagian otak: metode tersebut dapat melacak kinerja atau aktivitas yang lebih luas, sedangkan chip memantau respons kimia tertentu di lokasi implan.

Pengambilan sampel cairan langsung dari otak dapat memerlukan waktu beberapa menit atau lebih untuk setiap sampel. Perangkat baru ini digunakan untuk memantau perubahan dari detik ke detik, sehingga menghasilkan catatan lebih terperinci tentang sinyal yang berubah dalam waktu singkat.

Sirkuit miniatur memproses hasil pengukuran dan mengirimkannya melalui Bluetooth ke perangkat eksternal. Dengan demikian, peneliti dapat menerima hasil pembacaan tanpa kabel data yang menambatkan hewan ke peralatan perekam.

Babi mini digunakan karena ukuran dan struktur otaknya lebih mendekati otak manusia dibandingkan otak hewan pengerat. KRIBB menyediakan hewan dan mendukung prosedur bedah, serta menyumbangkan fasilitas dan keahlian yang diperlukan untuk bagian penelitian ini.

Bagaimana chip mengubah reaksi kimia menjadi sinyal yang dapat dibaca

Asetilkolin perlu diubah menjadi sesuatu yang dapat diukur oleh perangkat elektronik chip. Sensor ini menggunakan enzim untuk memicu reaksi kimia yang menghasilkan hidrogen peroksida. Elektroda kemudian mengubah produk reaksi tersebut menjadi arus listrik.

Lapisan sensor menggabungkan kitosan berpori dengan kawat nano perak dan platinum yang sangat tipis. Kitosan adalah bahan yang dapat diperoleh dari cangkang krustasea seperti udang dan kepiting. Banyak pori kecil di dalamnya menyediakan permukaan luas tempat enzim pendeteksi dapat menempel.

Kawat nano membantu mengubah hidrogen peroksida yang dihasilkan selama reaksi menjadi sinyal listrik. Secara bersama-sama, bahan berpori dan kawat penghantar ini menghubungkan peristiwa kimia di otak dengan pengukuran yang dapat direkam oleh peralatan elektronik.

Molekul lain di otak juga dapat menghasilkan sinyal pada elektroda. Untuk mengurangi gangguan tersebut, probe tipis ini memiliki elektroda yang dilapisi enzim di satu sisi dan elektroda tanpa enzim di sisi lainnya.

Sistem membandingkan kedua hasil pembacaan dan mengurangi sinyal yang sama pada keduanya. Cara ini membantu memisahkan perubahan yang terkait dengan asetilkolin dari aktivitas kimia latar belakang. Hasil pengukuran kemudian diteruskan melalui sirkuit kecil sebelum dikirim ke luar tubuh hewan.

Eksperimen terpisah pada tikus menguji stimulasi cahaya

Chip tersebut juga dilengkapi dioda pemancar cahaya mikro, atau mikro-LED, yang dapat mengirimkan cahaya ke dalam otak. Peneliti menguji komponen ini dalam eksperimen terpisah yang melibatkan tikus transgenik, dengan dukungan KBRI untuk operasi dan eksperimen.

Sel saraf tikus-tikus ini direkayasa agar merespons cahaya. Teknik yang disebut optogenetika ini memungkinkan ilmuwan mengaktifkan sel tertentu dengan cahaya, alih-alih hanya mengandalkan stimulasi listrik.

Saat peneliti menyalakan sumber cahaya pada chip, mereka merekam peningkatan sinyal asetilkolin. Hasil ini menunjukkan bahwa perangkat yang sama dapat memberikan rangsangan sekaligus mendeteksi respons kimia yang terkait dengannya.

Dengan demikian, penelitian ini mencakup dua tahap eksperimen yang berbeda: melacak respons terhadap donepezil pada babi mini dan melacak respons terhadap cahaya pada tikus hasil rekayasa genetika. Masing-masing menguji fungsi yang berbeda dari perangkat gabungan tersebut.

Bisakah pengukuran otak memandu rangsangan berikutnya?

Jang dan koleganya memandang gabungan sensor dan stimulator ini sebagai titik awal bagi antarmuka saraf lingkar tertutup. Sederhananya, ini adalah sistem yang mengukur respons dan menggunakan hasilnya untuk menentukan tindakan berikutnya.

Versi mendatang dapat mendeteksi perubahan kimia setelah stimulasi, lalu menyesuaikan waktu atau kekuatan rangsangan berikutnya. Menggabungkan sensor dan sumber cahaya dalam satu perangkat menyediakan cara untuk meneliti proses tersebut.

Jang, profesor KAIST yang memimpin penelitian dan menjadi penulis korespondensi makalah tersebut, menjelaskan tujuannya:

Studi ini menjadi landasan bagi teknologi yang memantau perubahan di otak dan menyesuaikan stimulasi berdasarkan responsnya,

Penelitian ini memberikan landasan eksperimental bagi pendekatan tersebut. Pengembangan sistem yang dapat secara andal menentukan dan memberikan stimulasi sebagai respons terhadap perubahan sinyal otak masih memerlukan pengujian lebih lanjut.

Potensi manfaat perangkat bagi penelitian obat

Peneliti dapat menggunakan perekaman asetilkolin berkelanjutan untuk membandingkan respons setelah pemberian dosis obat yang berbeda atau dengan jeda antardosis yang berbeda. Alih-alih hanya merekam apakah sinyal meningkat, mereka dapat mengamati kapan sinyal naik, bagaimana perubahannya, dan kapan kembali mendekati tingkat awal.

Pengukuran tersebut dapat membantu menghubungkan jadwal pengobatan dengan respons kimia di bagian otak tertentu. Pengukuran itu juga dapat dipertimbangkan bersama tes perilaku dan pengukuran lainnya saat peneliti mengkaji cara kerja obat.

Penelitian ini menyisakan sejumlah pertanyaan praktis untuk pengembangan berikutnya, termasuk keamanan selama implan dipasang dalam waktu lama dan kestabilan hasil pembacaan dari waktu ke waktu. Bagi ilmuwan yang membandingkan eksperimen yang dilakukan dengan jeda beberapa hari atau minggu, sensor harus mampu melakukan pengukuran secara cukup konsisten agar perbandingan tersebut bermanfaat.

Bagi orang yang hidup dengan penyakit Alzheimer, pengembangan ini untuk saat ini merupakan perangkat penelitian. Penggunaan pada manusia memerlukan validasi lebih lanjut, dan belum ada tanggal uji coba pada manusia yang diumumkan.

Publikasi, kolaborasi, dan komersialisasi

Studi ini memadukan bidang teknik, sensor kimia, dan eksperimen hewan di empat institusi Korea Selatan. Peneliti DGIST Son Ji-eun, Oh Se-hyeok, dan Ha Jeong-dae menjadi penulis pertama bersama, sedangkan Jang menjadi penulis korespondensi yang bertanggung jawab atas komunikasi terkait makalah tersebut.

Publikasi dan pengumuman penelitian ini mengikuti jadwal berikut:

• 14 Oktober 2026: Device menerbitkan studi tentang chip implan dan eksperimen hewannya.
• 27 Oktober 2026: KAIST mengumumkan penelitian tersebut beserta rencana pengembangan lebih lanjut.

Makalah ini berjudul "Implantable neural chip with electrochemical sensing and optogenetic stimulation for monitoring of cholinergic pharmacological responses." DOI-nya adalah 10.1016/j.device.2026.101329. Dalam judul tersebut, penginderaan elektrokimia berarti mengubah reaksi kimia menjadi pengukuran listrik, sedangkan kolinergik merujuk pada pensinyalan yang melibatkan asetilkolin.

Tim berencana mengupayakan komersialisasi melalui N-Side Inc., perusahaan rintisan yang didirikan oleh dosen dan dipimpin Jang. Mengubah perangkat eksperimental ini menjadi produk penelitian yang andal akan memerlukan perhatian pada hal-hal yang sama pentingnya di laboratorium: keamanan implan dan keandalan pengukuran.

Poin Utama

• Tim yang dipimpin KAIST menggunakan chip nirkabel implan untuk memantau sinyal asetilkolin setelah memberikan donepezil kepada babi mini.
• Sinyal meningkat setelah pengobatan, lalu berangsur kembali mendekati tingkat awal.
• Perangkat ini menggabungkan sensor kimia, sumber cahaya kecil, dan transmisi Bluetooth.
• Eksperimen terpisah pada tikus hasil rekayasa genetika merekam peningkatan sinyal asetilkolin setelah stimulasi cahaya.
• Potensi penggunaannya mencakup perbandingan respons terhadap obat dan pengembangan stimulasi yang menyesuaikan diri dengan aktivitas otak yang terukur.
• Pengujian lebih lanjut perlu menilai keamanan implan jangka panjang dan kestabilan pengukuran sebelum penggunaan pada manusia.