Insinyur Johns Hopkins Menggunakan AI untuk Melihat Lebih Dalam ke Otak Mencit

Sebuah kelompok insinyur biomedis di Johns Hopkins telah mengembangkan strategi pelatihan kecerdasan buatan (AI) untuk memperoleh pemahaman yang lebih dalam tentang otak mencit. Strategi baru ini menangkap gambar sel otak mencit saat mereka aktif.

Menurut tim, sistem AI dapat digunakan bersama dengan mikroskop ultra-kecil khusus untuk mendeteksi secara tepat di mana dan kapan sel-sel diaktifkan selama gerakan, pembelajaran, dan memori. Dengan mengumpulkan data yang mendalam dengan strategi baru ini, ilmuwan dapat memahami bagaimana otak berfungsi dan bagaimana otak dipengaruhi oleh penyakit.

Penelitian baru ini diterbitkan dalam jurnal Nature Communications.

Xingde Li, Ph.D., adalah profesor teknik biomedis di Sekolah Kedokteran Universitas Johns Hopkins.

“Ketika kepala mencit dibatasi untuk pengambilan gambar, aktivitas otaknya mungkin tidak benar-benar mewakili fungsi neurologisnya,” kata Li. “Untuk memetakan sirkuit otak yang mengontrol fungsi sehari-hari pada mamalia, kita perlu melihat secara tepat apa yang terjadi di antara sel-sel otak individu dan koneksi mereka, sementara hewan bergerak bebas, makan, dan bersosialisasi.”

Mengumpulkan Data Dengan Mikroskop Ultra-Kecil

Tim ini berusaha untuk mengumpulkan data yang rinci dengan menciptakan mikroskop ultra-kecil yang dapat ditempatkan di atas kepala mencit. Dengan demikian, mikroskop ini hanya memiliki diameter beberapa milimeter, sehingga membatasi jumlah teknologi pengambilan gambar yang dapat dibawa. Pernapasan atau denyut jantung mencit juga dapat mempengaruhi akurasi data yang ditangkap oleh mikroskop, sehingga peneliti memperkirakan bahwa mereka perlu melebihi 20 frame per detik untuk menghilangkan gangguan tersebut.

“Ada dua cara untuk meningkatkan frame rate,” kata Li. “Anda dapat meningkatkan kecepatan pemindaian dan Anda dapat mengurangi jumlah titik yang dipindai.”

Tim insinyur sebelumnya melakukan penelitian di mana mereka mencapai batas fisik pemindai pada enam frame per detik. Dalam strategi kedua, mereka meningkatkan frame rate dengan mengurangi jumlah titik yang dipindai. Strategi ini menyebabkan mikroskop menangkap data dengan resolusi yang lebih rendah.

Melatih Program AI

Menurut hipotesis Li, program AI dapat dilatih untuk mengenali dan memulihkan titik-titik yang hilang, yang akan menghasilkan resolusi yang lebih tinggi. Namun, salah satu tantangan utama dari pendekatan ini adalah bahwa tidak ada gambar serupa dari otak mencit untuk melatih AI.

Tim ini berusaha untuk mengatasi hal ini dengan mengembangkan strategi pelatihan dua tahap. Tahap pertama melatih AI untuk mengidentifikasi blok-blok bangunan otak dari gambar sampel jaringan otak mencit yang telah dipasang. Mereka kemudian melatih AI untuk mengenali blok-blok bangunan dalam mencit yang dibatasi kepala dan berada di bawah mikroskop ultra-kecil. Teknik baru ini memungkinkan AI untuk mengenali sel-sel otak dengan variasi struktural alami dan gerakan yang disebabkan oleh pernapasan dan denyut jantung mencit.

“Harapan kami adalah bahwa setiap kali kami mengumpulkan data dari mencit yang bergerak, data tersebut masih cukup mirip untuk jaringan AI mengenali,” kata Li

Peneliti menguji program AI untuk menentukan apakah dapat meningkatkan kualitas gambar otak mencit dengan meningkatkan frame rate secara bertahap. Mereka menemukan bahwa AI dapat memulihkan kualitas gambar hingga 26 frame per detik.

Untuk mengetahui bagaimana alat AI akan berperforma dengan mikroskop mini yang dipasang pada mencit, peneliti dapat melihat puncak aktivitas sel-sel otak individu yang diaktifkan oleh gerakan mencit di lingkungannya.

“Kami tidak pernah bisa melihat informasi ini dengan resolusi dan frame rate yang begitu tinggi sebelumnya,” kata Li. “Pengembangan ini dapat memungkinkan kita untuk mengumpulkan lebih banyak informasi tentang bagaimana otak terhubung secara dinamis dengan aksi pada tingkat seluler.”

Menurut tim, program AI dapat menjalani pelatihan lebih lanjut untuk menginterpretasikan gambar hingga 104 frame per detik.