Simulasi Otak Resolusi Tinggi Ekspos Cara Benih Infeksi Menyebar dalam Penyakit Neurodegeneratif
- Model baru memeriksa bagaimana benih infeksi menyebar melalui struktur otak yang tidak rata.
- Peneliti menggunakan citra MRI otak dewasa untuk menciptakan simulasi resolusi tinggi baik dalam 2D maupun 3D.
- Simulasi ini merekonstruksi pola kerusakan yang diamati dalam berbagai gangguan neurodegeneratif.
Penyakit neurodegeneratif yang terkait dengan usia adalah patologi yang multifaset dan kompleks. Dalam sebagian besar kasus, pertumbuhannya berkaitan erat dengan progresi agregat protein tertentu yang dikenal sebagai prion.
Prion adalah benih infesia yang memicu reaksi rantai agregasi dan lipatan protein yang salah, yang menghasilkan autokatalisis konformasi. Secara bertahap, benih ini melebar, pecah, dan menyebar ke wilayah lain otak. Ini memengaruhi fungsi normal sistem saraf dan menyebabkan atrofi serebral, nekrosis, dan pada akhirnya kematian. Ini tepat yang terjadi pada penyakit Parkinson dan Alzheimer serta ALS.
Sekarang peneliti dari Stevens Institute of Technology, Stanford University, dan University of Oxford telah mengembangkan model baru yang memeriksa bagaimana benih infeksi ini menyebar melalui struktur otak yang tidak rata. Model ini menunjukkan bahwa distribusi molekula toksik dalam semua penyakit bergantung pada lokasi di mana molekula tersebut pertama kali muncul.
Simulasi menunjukkan bahwa kerusakan otak sebagian besar terjadi karena pengeluaran sel otak yang terganggu oleh dampak fisik oleh tubuh. Penulis percaya bahwa alat mereka akan membantu ilmuwan untuk memblokir progresi gangguan otak serius.
Model Ini Mengabaikan Biokimia
Dalam banyak penyakit neurodegeneratif, molekula toksik awal masih kabur tetapi mereka menyalin diri mereka sendiri untuk melipat dengan cara tertentu. Penyakit berkembang seiring protein yang tidak terbentuk merambah melalui otak dan mengagregasi dalam gumpalan dan serat.
Model baru ini mengabaikan mekanisme biokimia dan seluler dan hanya mewakili proses dasar propagasi dan bertambahnya protein berbahaya.
Daripada melintasi fluida di luar sel, molekula toksik di otak bergerak melalui neuron (jaringan sel saraf). Setiap sel saraf terdiri dari inti dan asson yang mentransfer sinyal listrik ke sel saraf lainnya. Asson mencakup sebagian besar materi putih otak, sedangkan tubuh sel mereka mencakup sebagian besar materi abu-abu.
Referensi: APS Physics | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 | Oxford University
Dalam model ini, molekula toksik menyebar di sepanjang asson dengan laju tertentu dan melintasi materi putih. Molekula tersebut juga menyebar ke wilayah ekstraselular tetapi dengan laju yang jauh lebih lambat. Dalam materi abu-abu, molekul ini menyebar isotropik dengan laju menengah. Setelah menyebar ke wilayah baru, mereka membuat salinan diri mereka sendiri dengan laju tertentu yang bergantung pada jumlah protein toksik yang ada di wilayah tersebut.
Mensimulasikan Protein Toksik Dalam Otak
Data klinis (atas) vs. simulasi (bawah) | panah menunjukkan propagasi protein toksik pada penyakit Alzheimer | Kredit: A. Goriely / Oxford University
Untuk menciptakan simulasi resolusi tinggi baik dalam 2D maupun 3D, penulis menggunakan citra MRI otak dewasa. Simulasi komputer 2D dilakukan pada irisan vertikal (baik dari samping ke samping maupun dari depan ke belakang), dan simulasi 3D mencakup seluruh otak.
Kemudian mereka memetakan data klinis progresi penyakit Parkinson dan Alzheimer. Menurut data ini, protein toksik dimulai dari lokasi tertentu dan menyebar dalam pola tertentu. Penulis memberikan kondisi awal ini kepada simulasi mereka dan mereka menemukan bahwa simulasi secara akurat merekonstruksi pola yang terkait dengan setiap gangguan.
Baca: Pemandangan Tak Tertandingi Otak Manusia yang Diperoleh Melalui Organ Chips
Model ini dapat membantu ilmuwan mempelajari lebih banyak tentang biokimia dengan mempertimbangkan aspek fisiknya. Simulasi secara jelas menunjukkan bahwa difusi memainkan peran utama dalam progresi gangguan neurodegeneratif. Ini dapat memberikan arah baru untuk penelitian multidisipiliner di masa depan.
