Sebuah studi baru dari Yale School of Medicine (YSM) menunjukkan bahwa mata memproses informasi visual dengan cara yang jauh lebih terhubung daripada yang diperkirakan para ilmuwan sebelumnya. Temuan ini menantang pandangan lama tentang bagaimana sinyal visual melewati retina dan dapat membantu menjelaskan bagaimana kita mendeteksi objek yang terlihat samar-samar atau melihat dalam kondisi minim cahaya.
Sistem visual kami dengan cepat menganalisis berbagai fitur pemandangan, termasuk warna, kontras, gerakan, dan bentuk. Proses ini, yang dikenal sebagai pemrosesan visual paralel, memungkinkan otak menafsirkan gambar kompleks hampir secara instan dengan mengirimkan berbagai jenis informasi melalui jalur berbeda.
Para peneliti telah lama percaya bahwa jalur ini sebagian besar tetap independen ketika sinyal visual melewati retina dan masuk ke otak. Namun, studi baru yang dipublikasikan di sarafmenemukan bahwa saluran-saluran ini terhubung erat melalui sambungan listrik tersembunyi. Menurut tim peneliti, kerja sama ini dapat memperkuat sinyal visual yang lemah sebelum menembus lebih dalam ke sistem visual.
“Kami menemukan bahwa meskipun saluran yang berbeda mungkin menawarkan fungsinya masing-masing, saluran tersebut juga saling terhubung oleh sirkuit listrik yang mendasarinya,” kata Yao Xue, PhD, peneliti pascadoktoral di Departemen Oftalmologi dan Ilmu Visual YSM dan penulis pertama studi tersebut.
Sel bipolar membentuk jaringan komunikasi yang tidak terduga
Penglihatan dimulai ketika batang dan kerucut retina mendeteksi cahaya. Sel-sel khusus ini mengirimkan informasi ke neuron yang disebut sel bipolar. Pada titik ini, informasi visual diurutkan ke dalam lebih dari selusin saluran paralel yang memproses fitur-fitur seperti siang hari, penglihatan malam, warna, kontras, dan bentuk.
Ketika para peneliti mengamati sinapsis, persimpangan kecil tempat sel-sel bipolar berkomunikasi, mereka menemukan sesuatu yang tidak terduga. Alih-alih tetap terisolasi, saluran-saluran yang disebut terpisah saling berbagi informasi satu sama lain.
Neuron berkomunikasi melalui dua jenis sinapsis utama: kimia dan listrik. Sinapsis kimia menggunakan neurotransmitter untuk mengirimkan pesan antar sel, sedangkan sinapsis listrik, juga disebut gap persimpangan, mengirimkan sinyal melalui arus listrik searah. Sel bipolar umumnya dianggap bergantung terutama pada komunikasi kimia.
Studi baru ini menemukan bahwa pada retina tikus dan manusia, sinapsis listrik menghubungkan sebagian besar saluran informasi yang berbeda ini. Ketika tim menstimulasi satu sel bipolar secara elektrik, responsnya menyebar jauh melampaui jalur tunggal tersebut. Daripada melihat pelepasan neurotransmitter yang terbatas pada satu saluran saja, mereka mengamati pola aktivitas yang luas seperti awan, mengungkapkan komunikasi yang luas antara berbagai jenis sel bipolar.
“Saat kita menstimulasi sel bipolar, banyak sel bipolar melepaskan neurotransmiter,” kata Z. Jimmy Zhou, PhD, Profesor Oftalmologi dan Ilmu Visual Marvin L. Sears dan peneliti utama.
Para peneliti juga mengidentifikasi jenis sel bipolar, yang dikenal sebagai BC6, yang tampaknya memainkan peran utama dalam mengoordinasikan jaringan ini. Sinyal dari BC6 menyebar melalui berbagai jalur visual dalam pola hierarki yang terorganisir.
“Orang mengira berbagai jenis sel bipolar kurang lebih bersifat otonom,” kata Zhou. “Tetapi kami menemukan motor di antara semua jenis sel yang menciptakan jaringan hierarkis ini.”
Para ilmuwan mengatakan kombinasi jalur khusus dan komunikasi listrik memberikan retina yang terbaik dari kedua pendekatan tersebut. Saluran terpisah dapat berfokus pada fitur visual tertentu, sementara koneksinya memungkinkan informasi dibagikan ketika sinyal sangat lemah.
“Jika sinyal sudah sangat lemah dan terbagi menjadi beberapa saluran, tidak banyak yang tersisa untuk diproses untuk setiap saluran,” kata Seunghoon Lee, PhD, seorang ilmuwan peneliti di Departemen Oftalmologi dan Ilmu Visual YSM dan salah satu penulis studi tersebut. “Integrasi sangat berguna untuk mendeteksi sinyal kontras rendah atau sinyal dari objek yang sangat kecil.”
“Dan sel tidak bekerja sama secara acak,” tambah Xue. “Ada komandan di dalamnya – BC6 – yang menggerakkan mereka untuk menyampaikan sinyal ke target hilir.”
Merekam sinyal di retina utuh
Untuk memetakan jaringan komunikasi ini, tim menggabungkan beberapa teknik eksperimental. Mereka menggunakan pencitraan canggih untuk memantau bagaimana sel-sel bipolar melepaskan dan merespons neurotransmiter, sekaligus menstimulasi sel-sel individual dan mencatat respons sel-sel di sekitarnya.
Mempelajari sel bipolar sudah lama sulit dilakukan karena letaknya jauh di dalam retina. Eksperimen sebelumnya sering kali memerlukan pemotongan retina menjadi beberapa bagian untuk mencapainya, sebuah proses yang dapat mengganggu sirkuit alami yang ingin diteliti oleh para peneliti.
Untuk penelitian ini, tim Yale berhasil menggunakan teknik double patch-clamp pada retina tikus yang utuh sepenuhnya. Dengan menggunakan elektroda, mereka merangsang jenis sel bipolar tertentu sekaligus merekam respons sel di sekitarnya.
“Tidak ada laboratorium lain di dunia yang mampu melakukan pencatatan seperti ini secara sistematis,” kata Zhou. “Ini adalah tur de force dari karya tesis doktoral Yao Xue, yang menggabungkan pendekatan inovatif dengan keterampilan elektrofisiologi yang luar biasa.”
Para peneliti kemudian mengulangi percobaan dengan menggunakan retina manusia utuh yang diperoleh melalui Program Donasi Jaringan Warisan Departemen Patologi. Menurut tim, ini adalah eksperimen pertama yang dilakukan pada retina manusia yang utuh.
Apa arti penemuan itu?
Karena retina adalah bagian dari sistem saraf pusat, para peneliti mengatakan temuan ini bisa mempunyai implikasi di luar penglihatan. Memahami bagaimana sirkuit retinal memproses informasi dapat memberikan wawasan baru tentang cara kerja jaringan saraf lain di otak.
Penelitian ini juga dapat meningkatkan pemahaman para ilmuwan mengenai penyakit yang merusak retina, termasuk degenerasi makula, glaukoma, dan rabun senja bawaan.
Para peneliti juga mengatakan penelitian ini menyoroti nilai sains yang didorong oleh rasa ingin tahu. Daripada menguji satu ide yang sudah ditentukan sebelumnya, eksperimen ini mengungkap mekanisme yang sebelumnya tidak diketahui yang mengubah cara berpikir para ilmuwan tentang pemrosesan visual.
“Eksperimen kami tidak dimulai dengan hipotesis spesifik, namun mengungkapkan mekanisme pemrosesan mendasar dalam sistem visual,” kata Lee. “Ini adalah pengingat penting akan pentingnya penelitian yang didorong oleh rasa ingin tahu untuk menemukan sesuatu.”
