Hadiah Nobel ini berawal dari penelitian Peter Hegemann dan Georg Nagel pada awal 2000-an. Keduanya mempelajari Chlamydomonas, sejenis ganggang bersel satu yang mampu merespons cahaya. Organisme kecil ini memanfaatkan informasi cahaya untuk membantu mengarahkan gerakannya menuju kondisi lingkungan yang sesuai.
Penelitian mereka mengungkap peran protein yang kemudian dikenal sebagai channelrhodopsin. Protein ini membentuk saluran pada membran sel yang dapat terbuka ketika terkena cahaya tertentu.
Saat saluran terbuka, partikel bermuatan listrik yang disebut ion bergerak melintasi membran. Pergerakan ion mengubah keadaan listrik sel dan dapat memicu aktivitasnya.
Penjelasannya terdengar teknis, tetapi prinsipnya sederhana. Cahaya menjadi pemicu yang mengendalikan pintu kecil pada permukaan sel. Ketika pintu terbuka, ion bergerak dan mengubah sinyal listrik di dalam sel.
Karl Deisseroth kemudian membawa gagasan itu ke penelitian sel saraf. Ia memperkenalkan gen penghasil protein peka cahaya tersebut ke neuron yang dikembangkan di laboratorium, lalu mengujinya pada hewan hidup, termasuk tikus.
Hasilnya mengubah cara ilmuwan mempelajari otak. Ketika peneliti menyinari neuron yang telah memiliki protein peka cahaya, mereka dapat memicu aktivitas sel itu dengan sangat cepat dan terukur. Dalam kondisi eksperimen yang sesuai, respons dapat dikendalikan hingga skala milidetik, yakni seperseribu detik.
Bayangkan ruang kendali yang memiliki ribuan tombol. Sebelumnya, menekan satu tombol sering ikut mengaktifkan beberapa tombol di dekatnya.
Kini, ilmuwan dapat memilih kelompok tombol tertentu dan mengamati akibatnya. Mereka bisa menguji apakah aktivitas kelompok sel tertentu memicu respons tertentu, atau apakah respons itu memerlukan kerja sama beberapa kelompok sel.
Kemampuan tersebut membuka jalan bagi penelitian yang lebih tajam mengenai ingatan, rasa sakit, respons terhadap hadiah, emosi, dan perilaku. Peneliti dapat mengaktifkan atau menghambat aktivitas kelompok sel yang dipilih, kemudian membandingkan hasilnya dengan keadaan ketika sel tersebut tidak mereka rangsang.
Tentu saja, otak manusia jauh lebih rumit dari panel kendali. Satu kelompok neuron dapat terlibat dalam beberapa fungsi sekaligus. Pengaruh suatu sel juga bergantung pada hubungan dengan sel-sel lain.
Karena itu, optogenetika membantu menguji hubungan sebab-akibat, tetapi tidak otomatis memberikan jawaban lengkap tentang cara kerja otak.
Nilai terbesar optogenetika sejauh ini terletak pada penelitian dasar. Teknik ini membantu ilmuwan memetakan jaringan saraf dan memahami bagaimana aktivitas sel tertentu memengaruhi fungsi otak. Pengetahuan tersebut kemudian dapat mengarahkan pengembangan pengobatan yang lebih tepat.
Salah satu contoh yang menarik datang dari dunia penglihatan. Pada 2021, para peneliti melaporkan keberhasilan memulihkan sebagian kemampuan melihat pada seorang pasien yang mengalami kebutaan akibat retinitis pigmentosa, penyakit yang merusak sel-sel retina penerima cahaya.
Dalam keadaan normal, sel penerima cahaya di retina menangkap cahaya dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Selanjutnya, jaringan retina meneruskan informasi itu ke otak melalui sel saraf lain.
Pada pasien tersebut, kerusakan telah menghilangkan banyak sel penerima cahaya sehingga jalur penglihatan tidak dapat bekerja seperti semula.
Peneliti menggunakan pendekatan optogenetika untuk membuat sel saraf lain di retina menghasilkan protein peka cahaya. Mereka memasukkan gen yang mengode protein tersebut ke mata pasien. Dengan bantuan kacamata khusus yang menangkap dan memperkuat informasi cahaya, pasien kemudian mampu mengenali beberapa objek.
Hasil itu memberi harapan, tapi kita perlu memahami batasnya. Pasien tersebut tidak memperoleh kembali penglihatan normal. Ia mendapatkan kemampuan terbatas untuk mendeteksi dan mengenali objek dalam kondisi tertentu.
Keberhasilan ini menunjukkan kemungkinan baru, bukan bukti bahwa teknologi tersebut sudah dapat menyembuhkan semua bentuk kebutaan.
Para peneliti juga terus mengembangkan pendekatan optogenetika untuk menangani epilepsi dan nyeri. Secara teoritis, jika ilmuwan dapat mengenali kelompok sel yang berperan penting dalam menghasilkan gejala, mereka dapat merancang intervensi yang lebih terarah.
Namun, pengembangan terapi membutuhkan pengujian keamanan, efektivitas, dan ketahanan manfaat pada manusia.
Dalam penyakit Parkinson, peneliti menggunakan optogenetika pada hewan percobaan untuk memahami jaringan saraf yang terlibat dalam stimulasi otak dalam atau deep-brain stimulation (DBS).
Terapi DBS menggunakan elektroda yang ditanam di bagian otak tertentu untuk mengirimkan rangsangan listrik dan membantu mengendalikan gejala pada pasien yang memenuhi kriteria medis.
Penelitian dengan optogenetika membantu ilmuwan mengurai jalur saraf mana yang berperan dalam menghasilkan manfaat terapi tersebut. Pengetahuan itu berpotensi memperbaiki penempatan elektroda, pengaturan rangsangan, dan rancangan terapi pada masa mendatang.
Pendekatan serupa juga dapat membantu penelitian gangguan obsesif-kompulsif dan kecanduan. Akan tetapi, peneliti masih harus memisahkan mekanisme biologis yang benar-benar berperan dari hubungan yang sekadar tampak bersamaan.
Kompleksitas perilaku manusia menuntut kehati-hatian sebelum temuan laboratorium diterapkan sebagai pengobatan.
-000-
Jika cahaya dapat mengendalikan sel saraf dengan sangat presisi, mengapa dokter belum menggunakan teknologi ini secara luas untuk mengobati berbagai penyakit otak?
Persoalannya terletak pada cara penerapannya. Untuk membuat neuron merespons cahaya, peneliti perlu memasukkan gen yang menghasilkan protein peka cahaya ke sel sasaran.
Proses ini biasanya membutuhkan teknik rekayasa genetika dan sistem pengantar gen. Misalnya, virus yang telah direkayasa agar dapat membawa materi genetik ke jenis sel tertentu.
Setelah itu, peneliti harus memastikan protein tersebut bekerja pada sel yang tepat. Mereka juga perlu mengirimkan cahaya ke lokasi yang diinginkan. Untuk jaringan yang terletak jauh di dalam otak, tugas ini jauh lebih sulit daripada menyinari sel di laboratorium atau jaringan retina.
Risiko dan manfaat penyisipan gen juga memerlukan pengujian ketat. Ilmuwan harus menilai apakah protein yang diperkenalkan tetap aman, apakah respons sel berlangsung sesuai harapan, dan apakah intervensi menimbulkan efek samping dalam jangka panjang.
Karena itulah, sejumlah pendekatan lain berkembang dengan mengambil inspirasi dari optogenetika.
Kemogenetika, misalnya, mencoba mengendalikan aktivitas sel melalui reseptor yang merespons senyawa kimia tertentu. Sementara itu, penelitian sonogenetika berupaya memanfaatkan gelombang ultrasonik untuk memengaruhi sel yang dirancang agar peka terhadap rangsangan tersebut.
Kedua pendekatan itu masih menghadapi tantangan ilmiah dan klinis. Meski demikian, keduanya menunjukkan bahwa penemuan tentang protein peka cahaya telah mendorong ilmuwan membayangkan cara-cara baru untuk mengendalikan aktivitas sel secara lebih selektif.
