Bayangkan Anda berdiri di tepi sungai dan mencoba mengenali setiap daun yang mengapung melewati Anda-bukan hanya warnanya, tetapi juga bentuk, ukuran, dan apakah daun tersebut memiliki bintik-bintik kecil atau sobekan. Sekarang, bayangkan Anda melakukan hal ini ribuan kali setiap detiknya. Pada dasarnya, itulah yang dilakukan para ilmuwan saat menyortir sel, namun alih-alih daun, mereka memeriksa unit biologis mikroskopis, yang masing-masing membawa petunjuk penting tentang kesehatan, penyakit, atau potensi pengobatan baru.
Selama beberapa dekade, para ilmuwan mengandalkan mesin pemilah sel tradisional, yang seperti kamera berkecepatan tinggi, yang mengambil foto cepat setiap sel yang lewat. Namun, inilah masalahnya: satu foto tidak dapat menceritakan keseluruhan cerita. Ini seperti mengidentifikasi spesies burung dari satu gambar buram daripada menonton video burung yang sedang terbang, berkicau, dan berperilaku secara alami.
Di sinilah NEVACS- Penyortiran Sel yang Diaktifkan oleh Video dengan Kemampuan Neuromorfik-memasuki gambarannya. NEVACS bukan hanya mesin penyortir/pemilah sel yang baru; NEVACS merupakan sebuah lompatan ke depan, menggabungkan kamera peristiwa, komputasi yang terinspirasi oleh otak, dan teknologi mikrofluida untuk menciptakan cara yang lebih cerdas, lebih cepat, dan lebih berwawasan untuk memahami sel.
NEVACS mengintegrasikan kamera peristiwa, Memicu Jaringan Saraf, dan chip neuromorfik untuk memungkinkan strategi pengurangan redundansi demi efisiensi yang melampaui batasan penyortiran sel yang diaktifkan oleh gambar tradisional.
Wenhui Wang
Bagaimana NEVACS melihat sel yang bergerak: Keajaiban kamera peristiwa
Inti dari NEVACS adalah sesuatu yang disebut kamera peristiwa-teknologi yang mungkin terdengar futuristik, tetapi sudah membuat gebrakan di berbagai bidang, seperti robotika dan mobil swakemudi. Mari kita bandingkan dengan kamera biasa untuk memahami cara kerjanya.
Kamera tradisional menangkap gambar penuh (atau “bingkai”) setiap kali rana diklik. Apakah ada sesuatu dalam gambar yang bergerak atau diam sama sekali, kamera akan merekam setiap piksel secara merata. Sekarang, bayangkan menggunakan metode ini untuk memantau lalu lintas di jalan raya. Setiap mobil, setiap pohon, dan setiap titik jalan akan terekam dalam setiap bingkai, menciptakan data yang sangat banyak-bahkan jika sebagian besar piksel tidak berubah. Namun demikian, kamera peristiwa, cara kerjanya sama sekali berbeda.
Alih-alih menangkap seluruh bingkai secara berkala, kamera ini hanya merekam perubahan kecerahan pada tiap piksel. Anggap saja seperti stadion yang penuh dengan penggemar yang memegang senter. Kamera biasa akan menangkap setiap lampu senter, baik yang menyala maupun yang tidak, dalam setiap bingkai. Tetapi kamera peristiwa hanya akan merekam ketika lampu senter menyala, mati atau bergerak.
Untuk penyortiran sel, pendekatan ini adalah pengubah permainan. Saat sel mengalir melalui saluran mikrofluida kecil di NEVACS, kamera peristiwa tidak membuang waktu untuk menangkap setiap piksel diam dari latar belakang atau cairan yang tidak bergerak. Sebaliknya, kamera ini hanya berfokus pada hal-hal yang penting: tepi sel, gerakannya, dan perubahan bentuknya saat sel berguling dan jatuh melalui saluran.
Kemampuan untuk fokus pada “peristiwa” alih-alih bingkai memungkinkan NEVACS beroperasi pada kecepatan yang sangat tinggi dan menghasilkan data yang jauh lebih sedikit. Ini seperti mendengarkan seseorang yang menceritakan kepada Anda hanya bagian yang menarik dari sebuah cerita panjang, bukan setiap kata yang mereka ucapkan. Dan karena datanya sudah disederhanakan, data tersebut dapat diproses jauh lebih cepat-keuntungan yang sangat berarti ketika Anda mencoba memilah 1.000 sel per detik. Namun, video saja tidak cukup. Bahkan dengan data visual yang tepat dan efisien ini, NEVACS perlu memutuskan apa yang dilihatnya-dan melakukannya secara instan.
Kredit. Penulis
Otak di balik NEVACS: Memicu jaringan saraf
Setelah NEVACS menangkap video sel, NEVACS harus memutuskan apa yang dilihatnya-dan NEVACS harus melakukannya dengan cepat. Masuklah ke dalam Pemicu Jaringan Saraf (Spiking Neural Network, SNN). Bayangkan ini sebagai otak buatan kecil yang dirancang untuk bekerja seperti otak kita. Mirip dengan perbedaan antara kamera peristiwa dan kamera tradisional, SNN dapat memproses input non-statis dibandingkan dengan jaringan saraf tiruan tradisional, dan hanya informasi penting yang ditransmisikan di antara neuron-neuronnya dengan cara yang digerakkan oleh peristiwa dan lonjakan. Pola ini secara alami cocok untuk memproses data peristiwa dan lebih jauh lagi, memiliki banyak keuntungan.
Dalam NEVACS, SNN menganalisis rekaman video dari setiap sel, mencari pola, bentuk, dan gerakan yang mengindikasikan apakah sebuah sel sehat, sakit, atau sesuatu yang lain sama sekali. Jaringan saraf ini berjalan pada chip komputer khusus yang disebut chip neuromorfik-pada dasarnya adalah prosesor kecil yang dioptimalkan untuk berpikir seperti otak. Sistem komputer tradisional memproses beberapa tugas paralel secara serempak, seperti paduan suara di mana setiap orang harus selaras; jika tidak, maka akan berantakan.
Tetapi chip neuromorfik dengan SNN lebih seperti dapur yang sibuk di mana semua orang - koki, pelayan, dan pencuci piring - bekerja bersama pada saat yang sama, masing-masing menangani tugasnya sendiri tetapi berkoordinasi dengan mulus. Hasilnya? NEVACS dapat menganalisis dan mengklasifikasikan hingga 1.000 sel per detik, dengan konsumsi daya yang jauh lebih sedikit daripada sistem komputer tradisional.
Contoh dunia nyata: Mendeteksi sel darah yang sakit
Mari kita lihat NEVACS beraksi. Bayangkan Anda adalah seorang dokter yang mencoba mengidentifikasi sel darah merah yang sakit (RBC) dalam sampel darah pasien. RBC yang sehat berbentuk seperti cakram yang halus dan fleksibel, sedangkan RBC yang sakit (seperti pada penyakit sferositosis turunan) berbentuk lebih bulat. Dari sudut tertentu, kedua jenis sel ini mungkin terlihat hampir sama dalam satu foto. Itulah mengapa sistem penyortiran tradisional sering salah mengidentifikasi mereka.
Tetapi NEVACS tidak bergantung pada satu cuplikan saja. NEVACS merekam video dari setiap sel saat sel tersebut berguling dan jatuh melalui saluran. Gerakan bergulir ini memberi NEVACS berbagai perspektif-seperti memeriksa patung dari setiap sudut, bukan hanya dari satu sisi. Dengan menggunakan data yang lebih kaya ini, NEVACS dapat secara akurat membedakan RBC yang sehat dengan yang sakit, dengan tingkat kesalahan hanya 0,99%, dibandingkan dengan hampir 20% pada sistem tradisional. Dalam diagnosa medis, tingkat akurasi tersebut dapat berarti perbedaan antara menangkap penyakit secara dini dan melewatkannya sama sekali.
Lebih dari sekadar darah: Keserbagunaan NEVACS
NEVACS tidak terbatas pada sel darah - alat ini seperti mikroskop steroid, yang mampu memilah segala sesuatu mulai dari sel hidup dan sel mati hingga partikel plastik kecil dalam sampel air. Sebagai contoh, para ilmuwan sering menggunakan pewarna fluoresen untuk menandai sel-sel mati, yang bersinar terang di bawah jenis cahaya tertentu. NEVACS dapat menangkap sinyal medan terang dan fluoresen secara bersamaan. Ini berarti NEVACS dapat mengetahui apakah sel hidup atau mati dan menganalisis bentuk, ukuran, dan strukturnya-semuanya sekaligus.
Yang lebih mengesankan adalah bahwa NEVACS melakukan semua ini dengan menggunakan satu kamera peristiwa dan saluran mikrofluida sederhana. Sistem yang lebih lama sering kali memerlukan banyak kamera, perangkat keras yang rumit, dan pengaturan komputasi yang intensif. NEVACS menghilangkan kerumitan tersebut, membuatnya hemat biaya dan mudah untuk ditingkatkan.
Mengapa NEVACS penting untuk masa depan
Implikasi NEVACS jauh melampaui laboratorium. Penelitian medis dapat membantu dokter mengidentifikasi penyakit lebih awal dan lebih akurat. Dalam pengembangan obat, NEVACS dapat memantau bagaimana perawatan eksperimental memengaruhi sel secara langsung. Dalam ilmu lingkungan, alat ini dapat menyaring mikroplastik berbahaya dari sampel air dengan presisi yang tak tertandingi.
Dan NEVACS tidak berhenti sampai di sini. Para peneliti sudah bekerja pada peningkatan: chip neuromorfis yang lebih kuat, kamera peristiwa beresolusi lebih tinggi, dan bahkan sistem yang lebih besar yang mampu menganalisis beberapa saluran sekaligus.
Perspektif baru tentang dunia kecil
Pada intinya, NEVACS mewakili pergeseran mendasar dalam cara para ilmuwan melakukan pendekatan terhadap pemilahan sel. Ini bukan hanya tentang membekukan momen dalam waktu dengan snapshot-ini adalah tentang mengamati sel yang sedang beraksi, memahami perilakunya, dan membuat keputusan cerdas berdasarkan informasi yang dinamis.
Dengan menggabungkan sensitivitas kamera peristiwa, kecerdasan jaringan saraf yang terinspirasi oleh otak, dan efisiensi sistem mikrofluida, NEVACS menetapkan standar baru. Di dunia di mana detail mikroskopis dapat membawa informasi yang menyelamatkan nyawa, teknologi seperti NEVACS mengingatkan kita bahwa terkadang, jawabannya tidak ditemukan dalam satu bingkai tetapi dalam cerita yang terungkap dari waktu ke waktu. Dengan NEVACS, kita tidak hanya melihat sel saja-kita belajar darinya, satu gerakan kecil dalam satu waktu.
🔬🧫🧪🔍🤓👩🔬🦠🔭📚
Referensi jurnal
He, W., Zhu, J., Feng, Y., Liang, F., You, K., Chai, H., … & Wang, W. (2024). Neuromorphic-enabled video-activated cell sorting. Nature Communications, 15(1), 10792. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55094-0
