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

Memetakan Pusat Kawalan Tersembunyi Otak

Selama lebih seabad, ahli neurosains mengkaji otak manusia seperti ahli kartografi awal memetakan tanah yang belum diketahui, menghimpunkan gambaran landskap yang luas daripada pemerhatian yang berselerak. Sehingga kini, pakar patologi yang mendiagnosis penyakit Alzheimer lazimnya hanya memeriksa segelintir sampel tisu daripada organ yang mengandungi kira-kira 86 bilion neuron. Pemeriksaan yang terhad itu menyebabkan sebahagian besar otak tidak dapat dilihat.

Saintis di Pusat Otak Sudha Gopalakrishnan (SGBC) di Institut Teknologi India, Madras (IIT-M), percaya mereka telah mengambil langkah besar untuk mengisi jurang itu. Mereka menghasilkan apa yang disifatkan sebagai atlas 3D batang otak manusia paling terperinci di dunia pada resolusi selular. Peta digital itu dinamakan ANCHOR, singkatan bagi Atlas of Neurochemical Characterisation of the Human Brainstem with 3D Reconstruction. Ia membolehkan penyelidik menelusuri imbasan MRI seluruh otak hingga ke sel saraf individu, sambil mengekalkan kedudukan tepat setiap struktur.

Atlas itu menggabungkan lebih 500 keratan tisu daripada otak janin, kanak-kanak dan orang dewasa. Lapan penanda kimia, yang dikenali sebagai imunopewarnaan, membantu membezakan pelbagai jenis sel neurokimia. Hasilnya, lebih 200 kelompok sel otak dan laluan saraf dikenal pasti di seluruh batang otak. Berbeza dengan atlas molekul yang lebih mahal, ANCHOR dibina daripada imej mikroskop beresolusi tinggi, menjadikan pemetaan terperinci pada resolusi sel lebih mampu milik dan mudah diperluas.

Projek itu diperkenalkan semasa Simposium Neurosains BRICS ke-3 2026 di IIT-Madras, yang dihadiri pemimpin kerajaan, ahli akademik dan badan filantropi. Pelancarannya menandakan pencapaian saintifik serta peranan India yang semakin berkembang dalam bidang neurosains global.

Mengapa Batang Otak Kekal Sebagai Sempadan Terakhir Neurosains

Batang otak hanya merangkumi bahagian kecil di dasar otak, namun ia memastikan manusia terus hidup. Ia menghubungkan otak dengan saraf tunjang dan mengawal pernafasan, degupan jantung, tekanan darah, tidur, keadaan berjaga, suhu badan dan pergerakan. Kerosakan pada kelompok kecil sel di dalamnya boleh membawa akibat buruk, tetapi seni binanya yang padat sejak sekian lama menyukarkan usaha untuk memetakan kawasan itu secara terperinci.

Dr. Mihail Bota, saintis kanan di SGBC dan salah seorang penyelidik utama projek itu, berkata batang otak juga berfungsi sebagai penghubung penting antara otak dengan seluruh badan melalui saraf tunjang. Ia mengandungi sepuluh daripada 12 saraf kranial dan memainkan peranan besar dalam fungsi autonomi, pengawalan emosi serta tingkah laku bertujuan.

Pemetaan kawasan ini amat mencabar kerana ribuan sel saraf dan laluan gentian saraf berhimpit dalam ruang yang kecil. Strukturnya sangat heterogen. Nukleus dan pusat kawalan yang berbeza muncul dan menghilang dalam jarak yang amat dekat. Oleh sebab penyelidik tidak boleh mengambil biopsi batang otak dengan selamat daripada pesakit yang masih hidup, mereka perlu bergantung pada tisu bedah siasat, keratan nipis, pewarnaan, pengimejan dan pembinaan semula secara komputasi. Kerja yang perlahan dan teliti ini mengehadkan skala serta perincian peta terdahulu.

Saintis telah memetakan otak beberapa spesies haiwan dengan sangat terperinci, tetapi pemetaan otak manusia masih jauh lebih terbatas kerana kajian terperinci tentang tisu otak manusia jarang dilakukan. Setiap otak manusia berbeza, manakala halangan etika, teknikal dan logistik menyukarkan kajian berskala besar terhadap manusia. ANCHOR membantu menangani jurang itu dengan menyediakan rujukan beresolusi tinggi yang dibina terus daripada tisu manusia.

Membina ANCHOR: Daripada 500 Keratan kepada Atlas Digital

Pasukan ANCHOR membangunkan platform pengimejan dan pengkomputeran otak berdaya pemprosesan tinggi yang menukarkan seluruh otak manusia menjadi pangkalan data 3D pada resolusi sel. Proses bermula selepas otak yang didermakan dikumpulkan dan diproses dalam tempoh masa yang dikawal dengan teliti. Batang otak, yang disifatkan Ketua SGBC, Prof. Mohanasankar Sivaprakasam, berbentuk lebih kurang seperti lobak merah, dihiris kepada keratan setebal hanya 10 hingga 20 mikron. Satu mikron bersamaan kira-kira satu perlima lebar sehelai rambut manusia, maka setiap hirisan amat halus.

Keratan itu kemudian menjalani pemprosesan kimia dan biologi sebelum dipetakan serta dianotasi secara digital. Alat pengimejan kecerdasan buatan canggih dan pengkomputeran berprestasi tinggi menjajarkan keratan dengan begitu tepat sehingga batang otak asal dapat dibina semula dalam tiga dimensi. Kira-kira 20 saintis menghabiskan 18 bulan menganalisis secara manual lebih 200 keratan otak dan menggabungkan imbasan MRI, anatomi mikroskopik serta pembinaan semula 3D ke dalam satu atlas.

Lapan imunopewarnaan yang saling melengkapi digunakan pada keratan tisu. Penanda kimia ini berfungsi seperti penapis, menyerlahkan pelbagai jenis sel neurokimia. Hasilnya ialah sumber multimodal yang menggabungkan MRI, pengimejan permukaan blok dan histologi pada resolusi sel. Penyelidik boleh memeriksa mana-mana titik dalam batang otak pada pelbagai resolusi dan kaedah pewarnaan, sekali gus mendedahkan perincian anatomi dan kimia yang sebaliknya kekal tersembunyi.

Otak yang digunakan untuk pemetaan pada resolusi sel seperti ini perlu dikumpulkan dan diproses mengikut syarat yang ketat. Pasukan itu perlu membangunkan protokol khusus untuk mengekalkan keutuhan tisu dan membuang sisa darah yang boleh mengganggu pengimejan. Kerja ini memerlukan kepakaran ahli neurosains, ahli neuroanatomi, pakar histologi, pakar pengimejan dan saintis komputasi.

Merapatkan Jurang antara Imbasan Seluruh Otak dengan Sel Tunggal

Neurosains moden sekian lama bergerak dalam dua dunia yang berasingan. MRI menunjukkan keseluruhan otak tetapi tidak memberikan perincian sel. Mikroskop pula memperlihatkan sel individu, namun hanya dalam keratan yang terasing. Hubungan ruang antara keratan tersebut dengan struktur yang lebih besar sering hilang. Jurang itu menyebabkan doktor dan penyelidik tidak dapat memadankan rupa otak dalam imbasan dengan rupanya di bawah mikroskop.

ANCHOR berusaha merapatkan jurang tersebut. Pengguna boleh mengezum daripada keseluruhan batang otak yang dilihat melalui MRI hingga kepada neuron individu, sambil mengekalkan hubungan ruangnya yang tepat. Penyepaduan inilah yang menjadikan atlas tersebut luar biasa. Ia bukan sekadar rajah anatomi lain; sebaliknya, ia menjadi penghubung antara pengimejan perubatan dengan patologi selular.

Dr. Rebecca Folkerth, pakar neuropatologi yang bergabung dengan Sekolah Perubatan Harvard dan Universiti New York, bekerjasama dengan pasukan SGBC. Beliau telah memeriksa ribuan otak selama lebih tiga dekad. Beliau menyifatkan sumber baharu itu sebagai impian profesional yang sekian lama diidamkannya.

Apa yang dihasilkan oleh pusat India itu pada asasnya ialah sesuatu yang saya impikan pada awal kerjaya saya - agar imbasan otak sepadan dengan anatomi mikroskopik otak.

Dr. Shubha Tole, ahli neurosains India di Institut Penyelidikan Asas Tata, menyifatkan projek itu sebagai "penyepaduan yang belum pernah berlaku sebelum ini" antara kejuruteraan, neurosains dan perubatan. Katanya, program itu meletakkan India di pentas antarabangsa.

Dr. Partha Mitra, saintis otak di Makmal Cold Spring Harbor yang membantu mereka bentuk dan menubuhkan program histologi otak manusia IIT Madras, berkata atlas otak terperinci berpotensi mengubah kajian penyakit neurologi dengan menunjukkan perbezaan antara otak yang terjejas oleh keadaan seperti penyakit Alzheimer atau autisme dengan otak sihat, sel demi sel.

Daripada Penyakit Parkinson kepada Strok: Perkara yang Mungkin Didedahkan ANCHOR

Atlas itu bukan alat diagnostik. Nilai terbesarnya terletak pada persoalan yang boleh dibantu untuk dikaji oleh para saintis. Dengan membandingkan peta batang otak yang sihat dengan tisu berpenyakit, penyelidik mungkin dapat memahami dengan lebih baik gangguan daripada penyakit Parkinson dan strok hingga penyakit Alzheimer serta sindrom kematian bayi mengejut, atau SIDS.

Penyakit Parkinson dikaitkan dengan kehilangan beransur-ansur sel saraf penghasil dopamin di substantia nigra, struktur yang terletak dalam batang otak. Strok boleh mencederakan tisu dengan cara yang masih belum difahami sepenuhnya. Penyakit Alzheimer pula dikaitkan dengan perubahan di kawasan batang otak. Peta yang lebih tepat boleh membantu pakar bedah saraf bergerak di salah satu kawasan otak yang paling sensitif dengan lebih yakin.

Dr. Folkerth menggunakan strok sebagai contoh. Katanya, atlas itu telah mendedahkan ciri baharu yang boleh membantu doktor memelihara tisu otak yang cedera tetapi belum rosak secara kekal, sekali gus berpotensi memperbaik hasil rawatan pesakit.

Dr. Mitra turut berkata atlas seperti ANCHOR boleh membantu menjelaskan bagaimana jangkitan, termasuk Covid-19, mencetuskan kerosakan neurologi jangka panjang. Memandangkan batang otak mengawal fungsi seperti pernafasan dan rangsangan, pemahaman tentang kesan virus atau keradangan terhadap selnya boleh membuka ruang kajian baharu berkaitan keadaan selepas jangkitan.

Aplikasi lain mungkin merangkumi perubatan tidur, gangguan perkembangan dan kajian perubahan berkaitan usia. Batang otak mula berkembang pada peringkat awal pertumbuhan embrio dan dengan pantas membina hubungan saraf penting ketika janin masih dalam kandungan. Kemudian, beberapa struktur batang otak mula kehilangan neuron. Memahami perubahan normal dalam perkembangan dan penuaan ini penting sebelum penyelidik dapat mengenal pasti apa yang tidak kena dalam penyakit.

Sains Terbuka, Kerjasama Global dan Pelancaran BRICS

ANCHOR diperkenalkan semasa Simposium Neurosains BRICS ke-3 2026, yang berlangsung dari 5 Jun hingga 7 Jun di IIT Madras. Simposium itu menghimpunkan ahli neurosains, doktor, ahli akademik dan penyelidik dari negara-negara BRICS. Pelancaran tersebut dihadiri Prof. Ajay Kumar Sood, Penasihat Saintifik Utama kepada Kerajaan India, yang menjadi tetamu utama. Turut hadir Kris Gopalakrishnan, pengasas bersama Infosys dan penyokong utama SGBC; Pengarah IIT Madras, Prof. V. Kamakoti; serta Ketua SGBC, Prof. Mohanasankar Sivaprakasam.

Prof. Sood menyampaikan ucapan pada majlis itu dan berkata peta tersebut boleh membantu mengenal pasti populasi sel tertentu yang terjejas dalam lesi batang otak, yang mungkin penting untuk aplikasi klinikal. Beliau menyifatkan projek itu sebagai pencapaian besar dalam neurobiologi dan memuji pusat tersebut kerana merentasi institusi, negara dan disiplin.

Ini pencapaian penting dalam bidang neurobiologi. Ia merupakan kerangka multimodal yang menyepadukan MRI, histologi dan seni bina kimia terperinci. Peta ini akan menjadi peta batang otak manusia paling terperinci dan menyeluruh, serta akan disediakan kepada orang ramai dalam bentuk digital.

Projek itu turut bergantung pada institusi perubatan India untuk mendapatkan tisu. CMC Vellore, Kolej Perubatan Kerajaan Kilpauk, Institut Pendidikan Tinggi dan Penyelidikan Sri Ramachandra serta MediScan Systems membantu mendapatkan otak daripada individu pelbagai usia dan latar belakang. Kerjasama antara hospital, jurutera dan ahli neurosains ini penting dalam menghasilkan atlas tersebut.

Para penyelidik menyediakan ANCHOR kepada orang ramai melalui laman web anchor.humanbrain.in. Akses terbuka merupakan teras reka bentuk projek itu. Pasukan berkenaan mahu atlas tersebut menjadi prasarana bersama dan bukannya sumber dalaman yang terhad.

Misi Lebih Besar: Memetakan 100 Otak Sepanjang Hayat dan Penyakit

ANCHOR sebahagian daripada usaha lebih luas SGBC untuk menghasilkan peta selular menyeluruh bagi otak manusia pada pelbagai peringkat kehidupan dan dalam keadaan neurologi yang berbeza. Pada 2024, pusat itu menerbitkan DHARANI, atlas terperinci otak janin yang sedang berkembang. Para penyelidik kini sedang mengusahakan atlas tambahan yang meliputi trimester ketiga kehamilan, awal kanak-kanak dan pelbagai penyakit neurologi.

Salah satu projek yang sedang dijalankan ialah atlas terperinci otak yang terjejas akibat strok iskemia, yang dijangka diterbitkan oleh pasukan itu dalam tempoh setahun akan datang. Pusat tersebut merancang untuk mengimej lebih 100 otak manusia yang lengkap merentasi jangka hayat dan gangguan neurologi, termasuk penyakit Alzheimer dan demensia, bagi membina perpustakaan rujukan yang boleh mendedahkan bagaimana penyakit membentuk semula otak, sel demi sel.

Prof. Sivaprakasam berkata pencapaian itu bukan sahaja kejayaan saintifik, malah perkembangan yang akan membawa manfaat besar kepada perubatan dan amalan klinikal. Buat pertama kalinya, doktor dapat mengetahui rupa batang otak secara terperinci pada resolusi yang jauh lebih tinggi berbanding MRI atau CT. Beliau menjangkakan atlas itu akan digunakan dalam pembedahan otak dan bidang lain.

Pusat itu menerima sebahagian besar pembiayaannya daripada sumbangan asas Kris Gopalakrishnan, pengasas bersama Infosys, dan isterinya, Sudha Gopalakrishnan. Pusat itu turut menerima geran daripada institusi swasta dan organisasi filantropi, serta sokongan awal daripada Kerajaan India. Pasukan itu kini merangkumi lebih 200 penyelidik, jurutera dan juruteknik yang bekerjasama dengan rakan kongsi dari kira-kira 20 negara.

Saya berharap ini akan memberi sumbangan penting kepada neurosains di seluruh dunia. Di India, kita sedar akan kepentingan sains mampu milik dan teknologi mampu milik kerana pada akhirnya teknologi mesti berkhidmat kepada masyarakat dan rakyat.

Prof. Vidita A. Vaidya, profesor kanan dan pengerusi bersama Jabatan Sains Biologi di Institut Penyelidikan Asas Tata, berkata sumber penyelidikan akses terbuka seperti ANCHOR penting untuk memajukan kerjasama antarabangsa dan mempercepat penemuan. Beliau melihat India muncul sebagai hab global penting bagi penyelidikan neurosains, dengan SGBC menerajui bidang neuroanatomi dan mengembangkan penyelidikan ke dalam transkriptomik spatial bagi melapiskan perincian molekul pada peta selular.

Perkara Utama

• Penyelidik di Pusat Otak Sudha Gopalakrishnan, IIT Madras, telah menerbitkan ANCHOR, atlas 3D batang otak manusia pada resolusi sel yang boleh diakses secara percuma.
• Atlas itu menggabungkan MRI, histologi beresolusi tinggi dan lapan penanda neurokimia merentasi lebih 500 keratan tisu daripada otak janin, kanak-kanak dan orang dewasa.
• Atlas itu mengenal pasti lebih 200 nukleus dan saluran gentian saraf di batang otak, sekali gus membolehkan saintis beralih daripada imbasan seluruh otak kepada sel saraf individu.
• Batang otak mengawal pernafasan, degupan jantung, tekanan darah, tidur, keadaan berjaga dan pergerakan, menjadikan peta terperinci penting untuk penyelidikan klinikal.
• Aplikasi berpotensi termasuk kajian penyakit Parkinson, strok, penyakit Alzheimer, gangguan tidur, SIDS dan perancangan pembedahan saraf.
• ANCHOR pada masa ini merupakan sumber penyelidikan, bukannya alat diagnostik, dan hasil kerjanya diterbitkan sebagai pracetak bioRxiv yang menunggu semakan rakan sebaya.
• SGBC merancang untuk memetakan lebih 100 otak manusia lengkap merentasi jangka hayat dan penyakit neurologi, dengan mengembangkan hasil kerja terdahulu seperti atlas otak janin DHARANI.