Melihat Bentuk Kenangan: Ilmuwan Memberikan Cahaya Baru tentang Hipokampus
Sebuah studi inovatif yang melibatkan ahli saraf dari Institut Sains dan Teknologi Austria dan Institut Max Planck telah mengungkap mekanisme molekuler baru di hipokampus yang bertanggung jawab atas pembentukan memori. Dengan mempelajari serat berlumut sinapsis dalam sel granula, para peneliti mengidentifikasi protein penting dan dinamikanya, sehingga meningkatkan pemahaman kita tentang bagaimana ingatan diproses dan disimpan.
Henry Gustav Molaison, yang dikenal sebagai pasien 'HM,' menderita epilepsi parah. Karena menderita kejang yang melemahkan, ia berkonsultasi dengan seorang ahli bedah yang menelusuri epilepsi tersebut hingga ke lobus temporal otaknya, tempat hipokampus berada.
Pada tahun 1953, HM menjalani operasi otak untuk mengangkat hipokampusnya dalam upaya menyembuhkan epilepsinya. Operasi tersebut berhasil menghilangkan epilepsi dan kejangnya, namun juga menimbulkan efek samping yang parah. HM menderita amnesia anterograde; dia menyimpan ingatan sebelum operasi tetapi tidak bisa lagi membentuk ingatan baru. Kasusnya sangat penting dalam menghubungkan hipokampus dengan fungsi otak dan pembentukan memori.
Saat ini, hipokampus dikenal luas sebagai wilayah penting dalam otak manusia, memainkan peran penting dalam pembentukan memori dan navigasi spasial. Ini mengubah memori jangka pendek menjadi memori jangka panjang, memfasilitasi revisi pengalaman pribadi.
Kini, tim ahli saraf internasional telah mengungkap rincian baru tentang mekanisme molekuler yang mendorong pemrosesan memori. Para ilmuwan mengamati secara tepat sinapsis serat berlumut—titik koneksi utama antara sel saraf tertentu (neuron) di hipokampus—dengan menggabungkan pendekatan untuk mempelajari struktur, molekul penting, dan fungsinya.
Penelitian tersebut dipimpin oleh Olena Kim, Yuji Okamoto, dan Magdalena Walz Profesor Ilmu Hayati di Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA) Peter Jonas, baru-baru ini diterbitkan di Biologi PLOS.
Pusat Memori
Di dalam hipokampus, beberapa jenis neuron terlibat dalam pemrosesan memori. Sel granul, misalnya, penting untuk menangani informasi yang masuk. “Sel granul menerima berbagai sinyal dari wilayah otak lain, yang harus diproses dan disebarkan lebih lanjut,” jelas Olena Kim, lulusan ISTA dan sekarang menjadi postdoc di Institut Bioteknologi Molekuler (IMBA) dari Akademi Ilmu Pengetahuan Austria (ÖAW).
Sinyal-sinyal ini ditransmisikan melalui akson sel granula—perpanjangannya yang menyerupai lengan, yang dikenal sebagai serat berlumut. Serat-serat ini membentuk titik kontak ke sel-sel piramidal—sinaps serat berlumut. Dalam hubungan ini, molekul pembawa pesan dalam bentuk neurotransmiter memfasilitasi komunikasi, yang pada akhirnya memicu pembentukan dan penyimpanan memori.
Sinapsis serat berlumut dicirikan oleh plastisitasnya yang tinggi, artinya dapat mengubah aktivitas, struktur, dan koneksinya berdasarkan rangsangan. Kemampuan beradaptasi ini membantu hipokampus memproses informasi dengan benar dan membedakan isyarat serupa.
Kim memberi contoh, “Mari kita asumsikan, Anda bertemu macan kumbang dan kucing hitam secara bersamaan, keduanya tampak hitam dan kucing. Namun Anda dapat membedakan satu sebagai kucing dan satu lagi sebagai macan kumbang. Sinapsis serat berlumut memainkan peran penting dalam pengkodean dan pemrosesan fitur-fitur yang membedakan ini, yang pada akhirnya mengambil memori dan informasi.”
Sinapsis Serat Berlumut dalam Jarak Dekat
Detail molekuler yang tepat tentang cara kerja pemrosesan sinyal dalam sinapsis serat berlumut masih belum diketahui. Pada tahun 2020, Peter Jonas, Carolina Borges-Merjane, dan Olena Kim mulai mempelajari struktur sinapsis serat berlumut, dengan menggunakan teknik baru yang disebut 'Flash and Freeze'—alat yang ampuh, di mana neuron dibekukan segera setelah distimulasi.
“Saat itu, kami dapat mengkorelasikan perubahan struktural pada sinapsis serat berlumut dengan fungsinya,” kata Kim. “Namun, kami ingin mengembangkan teknik ini lebih jauh dan tidak hanya melihat struktur sinapsis, namun juga perubahan yang terjadi pada tingkat molekuler saat sinyal diproses.”
Para ilmuwan secara khusus tertarik pada dua protein yang terletak di neurotransmiter zona pelepasan: saluran kalsium Cav2.1, yang sangat penting karena masuknya kalsium melalui saluran tersebut memicu pelepasan neurotransmitter, dan Munc13, faktor kunci yang mengisyaratkan kesiapan neurotransmitter untuk dilepaskan.
“Sebelum penelitian kami, semua penelitian pada kedua protein ini dilakukan dengan sampel otak yang telah diperbaiki secara kimia,” lanjut Kim. Karena sampel tersebut tidak hidup, sampel tersebut tidak memberikan wawasan tentang proses dinamis. “Untuk penelitian baru kami, kami sangat ingin menggunakan jaringan otak hidup untuk menjaga dinamika, komposisi alami, dan lokalisasi protein ini.”
Permukaan Seperti Bulan
Dengan bantuan rekan-rekan mereka di ISTA, Profesor Ryuichi Shigemoto dan Staf Ilmuwan Walter Kaufmann, para ilmuwan menggunakan teknik 'pelabelan fraktur beku'. Mereka secara kimia merangsang sel granula dalam sampel jaringan otak tikus untuk mengaktifkan proses pembentukan memori. Kemudian, jaringan otak langsung membeku dan terbelah menjadi dua bagian. Sisi bagian dalam mewakili permukaan jaringan yang terbuka di dalamnya—jejak 3D jaringan pada momen tertentu, dengan protein dan molekul yang tertanam.
Setelah memberi label Cav2.1 dan Munc13 agar terlihat, para peneliti menggunakan mikroskop elektron untuk menemukan lokasi tepatnya. Gambar-gambar tersebut, yang menyerupai bulan dari jarak dekat, mengungkapkan bahwa ketika distimulasi, kedua protein ini disusun ulang dan bergerak semakin berdekatan.
Pengujian lebih lanjut mengungkapkan bahwa penataan ulang berkorelasi erat dengan fungsi sinapsis serat berlumut. Peter Jonas merangkum, “Saat aktivasi, ada dua perubahan. Pertama, jumlah vesikel di dekat membran meningkat. Kedua, ada penataan ulang nano Cav2.1 dan Munc13, membuat sinapsis lebih kuat dan presisi. Kedua perubahan tersebut mungkin berkontribusi pada pembentukan memori.”
Studi ini menyoroti hubungan antara struktur dan fungsi pada sinapsis kunci di hipokampus. Ingatan kita sering kali membangkitkan gambaran yang jelas. Namun hingga saat ini, kami belum mampu menangkap sinyal molekuler yang memicu pembentukan memori. Penelitian ini menjadi landasan untuk hal tersebut.
Referensi: “Potensiasi yang dimediasi cAMP-PKA presinaptik menginduksi konfigurasi ulang kumpulan vesikel sinaptik dan penggandengan saluran-vesikel pada buton serat berlumut hipokampus” oleh Olena Kim, Yuji Okamoto, Walter A. Kaufmann, Nils Brose, Ryuichi Shigemoto dan Peter Jonas, 18 November 2024, Biologi PLOS.
DOI: 10.1371/jurnal.pbio.3002879
