Di sebuah lubang di medan magnet bumi, para ahli saraf sedang mengintip ke dalam otak manusia

Apa yang terjadi di ruang putih sama pentingnya dengan apa yang tidak .

Di balik dinding tebal dan pintu yang disegel dengan roda tangan, medan magnet dunia pada dasarnya tidak ada apa-apanya. Terbebas dari kebisingan latar belakang ini, medan magnet yang dihasilkan oleh neuron yang bekerja di otak — medan yang satu miliar kali lebih kecil dari Bumi — dapat diukur, memberikan pandangan sekilas ke dalam kotak hitam otak.

Di dalam ruangan, duduk nyaman di kepala Keya Shapiro yang berusia 17 tahun, ada helm, dihiasi dengan persegi panjang hitam kecil — masing-masing berisi sedikit fisika kuantum, yang membantu mengintip cara kerja bagian dalam otaknya.

Terlahir dengan sisi kiri yang lebih lemah dari sisi kanannya, Keya harus menjalani terapi gerakan terinduksi kendala pediatrik (PCIMT) selama bertahun-tahun. Untuk Keya, terapinya melibatkan menempatkan lengan kanannya di gips dan melakukan terapi fisik dengan tangan kirinya, memperkuatnya dan mengembangkan ketangkasan.

Terapinya berhasil: siswa sekolah menengah atas bermain tenis dan memotret.

Tapi sekarang, pengalaman PCIMT Keya akan menjadi uji kasus untuk cara yang berbeda untuk melihat apa yang terjadi di dalam otak manusia.

Di balik dinding tebal ada lubang di medan magnet bumi.

Materi Abu-abu, Kotak Hitam

Ketika berbicara tentang otak, ada banyak hal yang tidak kita ketahui.

Metode pencitraan otak saat ini semuanya memiliki kekurangan. Mereka bisa terlalu lambat untuk menunjukkan apa yang sedang terjadi, seolah-olah menonton View-Master dan bukan film. Mereka bisa tidak tepat, tidak memberi kita detail yang lebih baik tentang apa yang terjadi. Dan, seperti MRI, mereka dapat memerlukan peralatan besar, pengaturan klinis yang tidak biasa, dan berbaring diam secara tidak wajar untuk jangka waktu yang lama.

Kita belum bisa mengukur otak bagaimana kita menggunakannya .

Itulah yang seharusnya diubah oleh eksperimen ini. Para peneliti Virginia Tech di luar kotak tertutup sedang mencitrakan otak Keya menggunakan alat yang mungkin merupakan langkah untuk memecahkan keterbatasan itu. 

Disebut “magnetometer yang dipompa secara optik” (OPM), mereka mengukur medan magnet yang diciptakan oleh neuron yang ditembakkan – itulah sebabnya Keya duduk di lubang di medan magnet bumi, yang biasanya akan meredam sinyal kecil neuron. 

OPM lebih cepat daripada perangkat pencitraan otak lainnya, dan mereka memberikan gambaran yang lebih akurat tentang di mana neuron bekerja daripada mengukur medan listrik sel otak. 

Mereka juga dapat memungkinkan subjek untuk bergerak sambil merekam aktivitas otak mereka, membuat kita selangkah lebih dekat ke cawan suci ilmu saraf, mengukur otak di alam liar. (Namun, harus melakukan sesuatu tentang medan magnet yang menggelegar di luar sana.)

Di sini, di Institut Penelitian Biomedis Fralin Virginia Tech, sebuah tim bekerja untuk mengoptimalkan teknologi, menetapkan praktik terbaik untuk menggunakan OPM untuk mempelajari situasi sosial. 

OPM dan teknologi ruang putih yang sedang dikembangkan para peneliti akan memungkinkan mereka untuk memenuhi mandat mereka “menjadi yang pertama di dunia untuk mempelajari aktivitas otak yang mendasari interaksi sosial selama tatap muka, pertukaran langsung”  — dimulai dengan pasien seperti Keya dan terapis mereka.

Terletak di bawah bayang-bayang Pegunungan Blue Ridge di barat daya Virginia, Institut Penelitian Biomedis Fralin di Virginia Tech-Carilion memelopori bentuk-bentuk baru pencitraan otak fungsional

Otak dan Blue Ridge

Jet regional — jenis yang dicat seperti United tetapi dioperasikan oleh Air Wisconsin — memantul di atas angin di atas Roanoke. Anda melihat ke pegunungan di Blue Ridge Virginia saat Anda mendarat; garis hijau bergerigi mereka mengelilingi cakrawala.

Dan dalam bayang-bayang mereka duduk Institut Fralin.

Keya datang ke Virginia dari rumahnya di Minnesota — tempat dia tinggal bersama ibu, saudara laki-laki, dan mini-Bernedoodle — untuk perawatan PCIMT-nya. Dia bekerja dengan terapis okupasi senior Mary Rebekah Trucks, di lab Stephanie DeLuca, salah satu direktur Neuromotor Research Clinic.

Sekarang, DeLuca bergabung dengan koleganya di Virginia Tech, Read Montague — bersama dengan tim di Universitas Nottingham Inggris — untuk menggunakan OPM untuk mengukur otak pasien PCIMT dan terapis mereka.

DeLuca berharap pengukuran otak dapat membantu mengungkap praktik terbaik dalam terapi. Seberapa penting batasan pada anggota tubuh pasien yang lebih kuat? Berapa banyak pekerjaan yang harus dilakukan pasien? Apakah ada biomarker untuk menunjukkan terapi bekerja?

Data tersebut kemudian dapat digunakan untuk mengoptimalkan PCIMT — dan membantu meyakinkan lebih banyak penyedia asuransi untuk membayarnya.

Bagi Montague, OPM adalah cara lain untuk melihat ke dalam otak. 

Memanfaatkan fisika kuantum, para peneliti dapat membaca medan magnet yang sangat kecil dari neuron yang ditembakkan – mengukur otak dengan kecepatan dan presisi.

Sebagai kepala Fralin’s Center for Human Neuroscience Research, Montague (yang mendapat petunjuk tentang Reed Richards tentang dia) dan rekan-rekannya telah melatih model AI untuk mendiagnosis gangguan kesehatan mental; menggunakan fMRI untuk lebih memahami dan melawan kecanduan; dan menjatuhkan probe ke dalam otak pasien untuk mengukur neurotransmiter mereka secara real-time.

Idenya adalah bahwa pasien masa depan yang datang ke Roanoke untuk menerima PCIMT dengan DeLuca dan Truk akan diukur sesi mereka juga — terapis dan interaksi terdalam pasien diungkapkan oleh efek kuantum pada atom. 

Akhirnya, harapannya adalah bahwa sensor OPM dapat ditempatkan lebih dekat ke kepala pasien, memungkinkan pengukuran yang lebih tepat dan sesuatu yang lebih dekat untuk mengukur otak dalam pengaturan yang realistis. 

“Perlu berkembang menjadi bidang agar benar-benar bergerak,” kata Montague. “Bukan hanya kami di sini di Appalachia.” 

Saat ini, tidak ada orang lain di Amerika Utara yang melakukan pencitraan saraf fungsional persis seperti ini, kata Virginia Tech; ada fasilitas serupa yang lebih kecil di Texas, tetapi belum dirancang untuk mengukur dua orang sekaligus atau memungkinkan untuk bergerak. 

Otak bekerja

Pencitraan saraf fungsional persis seperti yang terdengar: mengambil gambar otak yang sedang bekerja. Ada banyak cara untuk melakukan ini, dan semuanya memiliki pro dan kontra. 

Ambil MRI fungsional. fMRI mengukur perubahan aliran darah. Dengan melihat ke mana darah mengalir di otak, kita bisa menyimpulkan bagian otak mana yang bekerja lebih keras dari biasanya. 

Namun, teknik ini memiliki beberapa kelemahan penting; mengukur aliran darah, bukan sel-sel otak, adalah pengukuran tidak langsung dari aktivitas otak. fMRI juga mengambil keabadian di antara setiap snapshot — mereka memiliki “resolusi temporal” yang rendah.

Ini seperti flipbook aktivitas dibandingkan dengan video.

OPM mungkin selangkah lebih dekat ke cawan suci neurologi: mengukur otak dalam pengaturan naturalistik.

Sebagai perbandingan, magnetoencephalography (MEG) dan electroencephalography (EEG) memberikan pengukuran langsung aktivitas otak. 

MEG, kategori yang mencakup OPM, medan magnet sel otak indra, dan EEG mengukur arus listrik. Dan mereka melakukannya jauh lebih cepat daripada fMRI.

“Yang dilihat MEG dan EEG adalah fungsi otak,” kata Elena Boto, peneliti di Pusat Pencitraan Sir Peter Mansfield di Universitas Nottingham. 

“Otak, kita tahu itu sirkuit listrik. Jadi untuk mengukur fungsi otak, Anda perlu melihat arus — atau medan magnet yang terkait dengan arus ini — yang dihasilkan oleh kumpulan neuron di otak.”

Apa yang membedakan MEG dari EEG adalah seberapa akuratnya dapat menentukan lokasi neuron yang menyala.

“Medan magnet menembus tengkorak dan air Anda tanpa gangguan,” kata Svenja Knappe; sinyal listrik tidak, dan hasil akhirnya adalah gambar kabur.  

Knappe adalah profesor riset asosiasi di University of Colorado dan salah satu pendiri FieldLine Inc., pembuat OPM-MEG. Knappe adalah bagian dari tim yang mengembangkan OPM di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST), dan sebelumnya adalah ilmuwan senior di Quspin, yang mengkomersialkan OPM dan membangun yang digunakan di Virginia Tech.

Sebagian besar pembacaan MEG diambil menggunakan sensor yang disebut SQUID. Ini perlu dijaga agar tetap dingin melalui helium cair agar dapat bekerja, jadi cumi-cumi ditempatkan ke dalam penutup kepala yang kaku, seperti Cerebro yang menghambat gerakan dan menjauhkan sensor beberapa sentimeter dari otak. Bahkan jarak kecil itu berdampak pada seberapa baik cumi-cumi dapat mengukur otak.

Sensor OPM di kepala Keya tidak perlu dijaga agar tetap dingin. Tanpa membutuhkan helium cair, mereka dapat ditempatkan lebih dekat ke kulit kepalanya.

“Manfaat utama OPM dari sudut pandang saya adalah mereka dapat ditempatkan di kepala lebih dekat ke sumber yang diinginkan,” kata Samu Taulu, direktur I-LABS MEG Brain Imaging Center di University of Washington. 

Karena medan magnet sangat kecil, bahkan jarak satu menit antara sensor dan otak mengurangi akurasi. Bayi yang diukur melalui MEG di lab Taulu memberikan pembacaan yang lebih baik daripada Anda atau saya; tengkorak mereka lebih tipis! 

Kurangnya helium cair berarti sensor OPM dapat bebas dari helm yang kaku, yang membuat pergerakan lebih mudah. Menurut Taulu, mata pelajaran di MEG tradisional juga bisa bergerak; kami memiliki matematika untuk menyeimbangkannya ketika kami melihat datanya. Meskipun, Knappe menunjukkan, helm kaku itu tidak bergerak, membatasi gerakan apa pun.

Dari Jam Atom ke Kotak Hitam

Masing-masing sensor OPM pada dasarnya adalah jam atom.

Mereka mengandung gas rubidium yang sensitif terhadap medan magnet dan orientasinya. 

“Bergantung pada fluktuasi medan magnet … seberapa keruh [gas] itu berubah,” kata profesor asosiasi Fralin Biomedical Research Institute Stephen LaConte.

Dengan menyinari laser melalui gas, OPM menggunakan jumlah cahaya yang ditransmisikan untuk mengukur keberadaan dan kekuatan medan magnet.

Dengan menghilangkan medan magnet Bumi dan objek lain di dalam ruangan berpelindung mag — dan mengendalikan yang ada di dalam ruangan, seperti jantung dan otot Anda — Anda dapat mengumpulkan gambar di mana neuron menembak di otak dengan kecepatan dan akurasi yang tidak dimiliki teknik neuroimaging lainnya.

Keya duduk dan menatap, dan medan magnet yang dihasilkan oleh otaknya diukur. Dia tidak seharusnya aktif berpikir, yang tentu saja sekarang membuatnya menyadari bagaimana dia berpikir.

Interaksi Terukur

Di dalam ruangan putih, Keya menatap tanda plus yang diproyeksikan di layar. Dia mengenakan gips yang memanjang dari bahu kanannya melewati ujung jarinya. Perangkat sedang membaca pikirannya dalam keadaan istirahat; sensor hangat di kepalanya, hampir menidurkannya. 

Pemeran dilepas, dia duduk dan menatap, dan medan magnet yang dihasilkan oleh otaknya diukur lagi. Dia tidak seharusnya aktif berpikir, yang tentu saja sekarang membuatnya menyadari bagaimana dia berpikir. 

Dia bertanya-tanya apakah Montague dan para peneliti, yang menonton melalui webcam dari ruang observasi, dapat mengetahui bahwa dia dapat mendengarnya melalui sistem komunikasi — dapat mengetahui di mana di otaknya dia mendengarnya.

Dia mengetuk jarinya, kiri atau kanan, mengikuti panduan di layar; dia melakukannya lagi, tapi hanya di kepalanya.

Dan medan magnet menyenandungkan rahasia kepada para ilmuwan di luar.