Orang sering berpikir tentang perilaku manusia dalam kaitannya dengan apa yang terjadi di masa sekarang — membaca koran, mengendarai mobil, atau menangkap bola. Tetapi dimensi lain dari perilaku meluas selama berminggu-minggu, berbulan-bulan, dan bertahun-tahun.
Contohnya termasuk seorang anak yang belajar membaca; seorang atlet pulih dari gegar otak; atau seseorang yang berusia 50 tahun dan bertanya-tanya ke mana perginya waktu. Ini bukan perubahan yang dirasakan orang dari hari ke hari. Mereka tiba-tiba menyadari bahwa mereka lebih tua, sembuh, atau memiliki keterampilan pengembangan baru.
“Bidang ilmu saraf melihat otak dalam berbagai cara,” kata Franco Pestilli, ahli saraf di The University of Texas di Austin (UT Austin). “Misalnya, kami tertarik pada bagaimana neuron menghitung dan memungkinkan kami untuk bereaksi dengan cepat — ini adalah respons cepat yang membutuhkan perhatian visual dan kontrol motorik. Memahami otak membutuhkan data besar untuk menangkap semua dimensi perilaku manusia.”
Sebagai ahli dalam ilmu penglihatan, neuroinformatika, pencitraan otak, ilmu saraf komputasi, dan ilmu data, penelitian Pestilli telah memajukan pemahaman kognisi manusia dan jaringan otak selama 15 tahun terakhir.
Pestilli suka membandingkan otak dengan Internet, seperangkat komputer canggih yang dihubungkan dengan kabel secara bersamaan menjaga banyak jendela tetap terbuka dan program tetap berjalan. Jika komputer sehat tetapi kabel tidak, komunikasi jarak jauh antara komputer di berbagai bagian otak mulai gagal. Hal ini pada gilirannya menciptakan masalah bagi perilaku jangka panjang kita.
Pestilli dan tim juga tertarik pada bagaimana perhitungan biologis berubah selama periode waktu yang lebih lama — seperti bagaimana otak kita berubah saat kita kehilangan penglihatan?
“Kami telah menunjukkan bahwa jika Anda mengubah input ke mata, itu dapat mengubah materi putih otak, yang setara dengan sistem kabel otak — seperti halnya komputer yang terhubung dengan kabel, otak kita memiliki jutaan kabel yang menghubungkan jutaan kabel. komputer kecil yang disebut neuron.”
[ads] Penelitian ini dipublikasikan di Nature Scientific Reports pada Maret 2021.
Brainlife.io — Platform yang Dibutuhkan Ilmuwan untuk Melakukan Ilmu yang Mereka Inginkan
Teknologi cloud baru menjadi penting untuk membantu peneliti berkolaborasi, memproses, memvisualisasikan, dan mengelola data dalam jumlah besar pada skala yang belum pernah ada sebelumnya.
Aspek kunci dari pekerjaan Pestilli dimulai pada tahun 2017 ketika ia menerima hibah dari BRAIN Initiative melalui National Science Foundation (NSF) untuk meluncurkan Brainlife.io. Saat itu, ia adalah seorang profesor di bidang Psikologi dan Ilmu Otak dengan Universitas Indiana.
Platform komputasi Brainlife.io menyediakan rangkaian lengkap layanan web untuk mendukung penelitian yang dapat direproduksi di cloud. Lebih dari 1.600 ilmuwan dari seluruh dunia telah mengakses platform sejauh ini. BrainLife.io memungkinkan mereka mengunggah, mengelola, melacak, menganalisis, membagikan, dan memvisualisasikan hasil data mereka.
Saat ini, platform tersebut melayani berbagai komunitas ilmuwan mulai dari psikologi hingga ilmu kedokteran hingga ilmu saraf, dan mencakup lebih dari 600 alat pemrosesan data. Brainlife.io mengintegrasikan keahlian dan mekanisme pengembangan yang berbeda untuk membuat kode dan mempublikasikannya di cloud — sambil melacak setiap detail yang terjadi pada data.
“Kami telah memproses lebih dari 300.000 set data sejauh ini — dan kami melayani banyak pengguna baru karena jumlah ilmuwan yang mengakses platform kami telah meledak selama pandemi,” kata Pestilli. “Banyak orang baru datang ke Brainlife.io karena mereka kehilangan akses ke fasilitas fisik mereka.”
Platform ini mengandalkan infrastruktur superkomputer untuk menjalankan simulasi pada perangkat keras komputasi kinerja tinggi (HPC). “Sistem nasional seperti Jetstream (Indiana University/TACC), Stampede2 (TACC), dan Bridges-2 (Pittsburgh Supercomputing Center) sangat penting untuk apa yang kami lakukan. Kami telah menerima banyak dukungan dari Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE ) didanai oleh NSF.”
BrainLife.io juga didanai melalui penghargaan kolaboratif dari National Institutes of Health (NIH) dan Departemen Pertahanan.
Aina Puce adalah seorang profesor dalam Psikologi dan Ilmu Otak di Universitas Indiana. Dia adalah orang baru yang memproklamirkan diri sehubungan dengan Brainlife.io, namun dia adalah pakar dunia dalam neuroimaging, dan penyelidik utama dari hibah NIH yang mendukung pengembangan manajemen dan analisis data neurofisiologis di platform.
“Saya terjun ke dalam untuk membantu Franco dan timnya memperluas fungsionalitas platform ke data neurofisiologis,” kata Puce.
“Brainlife.io memungkinkan kita untuk mulai melakukan analisis mutakhir, mengintegrasikan data neurofisiologis dan data berbasis MRI. Studi termasuk penelitian yang secara eksplisit menghubungkan struktur otak dengan fungsi otak, seperti bagaimana informasi diangkut dari satu wilayah ke wilayah lain, dan bagaimana darah aliran dan aktivitas listrik otak berubah saat melakukan tugas tertentu.”
[ads] Segera, seperangkat alat baru akan tersedia di Brainlife.io bagi pengguna untuk mengintegrasikan data EEG (electroencephalography), MEG (magnetoencephalography), dan MRI (magnetic resonance imaging), yang “unik dan akan sangat membantu baik untuk sains maupun masyarakat,” katanya.
Puce dan tim saat ini sedang mengeksplorasi aktivitas otak dengan merekam output listrik, baik secara non-invasif dari kulit kepala maupun secara invasif dari bagian dalam kepala. Mereka juga mendeteksi medan magnet yang dihasilkan saat seseorang sedang beristirahat dan saat mereka melakukan tugas seperti membaca pesan sosial dari orang lain.
“Inilah yang pertama kali kami bawa ke Brainlife.io,” kata Puce.
Penemuan Drive Data
Bidang ilmu saraf bergerak dari kumpulan data kecil ke kumpulan data besar. Kumpulan data yang lebih besar berarti bahwa para ilmuwan dapat mengekstrak wawasan yang lebih kuat secara statistik dari informasi yang mereka kumpulkan.
Dari 1.000 subjek menjadi 10.000 subjek hingga 500.000 subjek — kumpulan data terus bertambah.
Misalnya, Adolescent Brain Cognitive Development Study adalah salah satu studi jangka panjang terbesar tentang perkembangan otak dan kesehatan anak di Amerika Serikat. Studi ini mengumpulkan data dari lebih dari 10.000 otak remaja untuk memahami perkembangan biologis dan perilaku dari masa remaja hingga dewasa muda. Di bagian lain dunia, UK Biobank berisi informasi kesehatan yang mendalam dari lebih dari 500.000 peserta yang menyumbangkan data genetik dan klinis mereka untuk kepentingan ilmu pengetahuan; 100.000 dari peserta ini menyumbangkan scan otak.
“Seiring dengan peningkatan skala proyek baru,” kata Pestilli, “ukuran kumpulan data juga meningkat, dan akibatnya, kebutuhan penyimpanan dan komputasi berubah. Kami sedang membangun kumpulan data dengan ukuran dan dampak yang hanya dapat dilakukan oleh superkomputer. mengatasinya secara efektif. Dengan munculnya pembelajaran mesin dan metode kecerdasan buatan baru-baru ini, dan potensinya untuk membantu manusia memahami otak, kita perlu mengubah paradigma kita untuk pengelolaan, analisis, dan penyimpanan data.”
Pestilli mengatakan bahwa penelitian ilmu saraf tidak dapat bertahan kecuali ekosistem kohesif dibangun yang akan mengintegrasikan kebutuhan para ilmuwan dengan kebutuhan perangkat keras dan perangkat lunak mengingat jumlah data yang luar biasa dan pertanyaan generasi berikutnya untuk dieksplorasi.
[ads] Dia mengatakan bahwa banyak alat yang dikembangkan sejauh ini tidak mudah diintegrasikan ke dalam alur kerja yang khas atau siap digunakan.
“Untuk membuat dampak dalam ilmu saraf dan menghubungkan disiplin dengan teknologi paling mutakhir seperti pembelajaran mesin dan kecerdasan buatan, komunitas membutuhkan infrastruktur kohesif untuk komputasi awan dan ilmu data untuk membawa semua alat, perpustakaan, arsip data yang luar biasa ini, dan standar yang lebih dekat dengan para peneliti yang bekerja untuk kebaikan masyarakat,” katanya.
Untungnya, Pestilli menemukan kolaborator yang berpikiran sama yang berbagi visi ini di Dan Stanzione, direktur eksekutif Texas Advanced Computing Center (TACC) dan pemimpin HPC yang diakui secara nasional.
Bersama-sama, mereka berencana untuk membuat infrastruktur nasional yang menyediakan registri untuk data permanen dan menganalisis catatan. Peneliti akan dapat menemukan data dan lebih transparan melihat akar bagaimana analisis dilakukan. Infrastruktur akan memfasilitasi apa yang NSF butuhkan dalam proposal data, dan apa yang diinginkan peneliti, yaitu dampak ilmiah dan reproduktifitas.
Selain itu, ini berarti bahwa akses ke data, metode analisis, dan sumber daya komputasi akan bergerak menuju model yang lebih adil, memberikan peluang bagi lebih banyak siswa, pendidik, dan peneliti daripada sebelumnya.
“Prospek ini membuat saya sangat bersemangat untuk bergabung dengan The University of Texas di Austin,” kata Pestilli. Dia pindah ke Austin pada Agustus 2020, tepat di tengah pandemi COVID-19. Berada di UT Austin berarti berkolaborasi dengan TACC — alasan utama mengapa ia menerima jabatan profesor di Departemen Psikologi.
“Saya yakin kami bisa menyelesaikannya — visi ini adalah bagian penting dari upaya saya di sini.”
