Sistem Saraf

  English version

Akses cepat: prinsipkoordinasipotensial aksi – epilepsioptogenetikasinaps

Pengantar

Sistem saraf merupakan jaringan tubuh yang mengkoordinasikan perilaku dan fungsi penting tubuh kita, termasuk pernapasan, pencernaan, sirkulasi darah, ekskresi, berkeringat, gerakan, persepsi, ucapan, tidur, belajar dan memori. Otak mengkode identitas pribadi kita, seperti yang dibuktikan secara tragis oleh kasus hilangnya kepribadian pada gangguan otak seperti penyakit Alzheimer atau beberapa kasus stroke. Bayangkan saja, jika memungkinkan untuk mentransplantasi otak Anda, Anda akan terbangun di tubuh asing! Tapi bagaimana sistem saraf bekerja? Laman ini akan menjelaskan beberapa prinsip mengenai sistem saraf kita. Untuk ini, sebuah tugas gerak sederhana akan digunakan sebagai alur cerita:

“Putuskan untuk membengkokkan atau meregangkan lengan anda!” Apa yang terjadi pada tubuh anda?”

Jika anda memutuskan untuk menggerakkan lengan dan kemudian melakukan tindakan ini, sejumlah area yang berbeda dari sistem dan tubuh saraf anda terlibat:

Gambar 1. Keputusan untuk bergerak dikirimkan ke korteks motorik primer (panah kuning) lokasi sumber sinyal dikirimkan untuk menuju ke korda spinalis (panah jingga).

Gambar 1.  Keputusan untuk bergerak dikirimkan ke korteks motorik primer (panah kuning) lokasi sumber sinyal dikirimkan untuk menuju ke korda spinalis (panah jingga).

(1) “Penarikan keputusan” terjadi di jaringan saraf otak anda, kemungkinan korteks prefrontal  (Gambar 1). Hasil keputusan diubah menjadi tindakan/ aksi dengan merangsang daerah tertentu pada korteks motorik primer (Gambar 1, panah kuning). Daerah otak ini berisi saraf motorik bagian atas , yang juga disebut saraf piramid, yang memproyeksikan melalui saluran piramida ke korda spinalis (Gambar.1 dan “1, 2” pada Gambar 2).

 

(2) Seperti tipikal saraf, saraf piramida memiliki tubuh sel yang kecil (diameter ~ 50 μm), yang disebut akson, yang bertindak sebagai kabel yang menghubungkan bagian tubuh kita satu sama lain. Akson menghasilkan proses seluler yang panjang (hingga selebar satu meter pada manusia!) dan ramping ( ~ 1 μm ). Akson saraf piramidal (berwarna biru muda) dari korteks motor utama sepanjang jalan turun ke tanduk ventral (ventral horn) sumsum tulang belakang di mana mereka terhubung ke berbagai saraf motorik bawah (Gambar. 2, “A” dan “B”). Akson piramidal mengirimkan pesan berkecepatan tinggi dalam bentuk impuls saraf (Gambar 2, kanan) dari otak ke sumsum tulang belakang. Sambungan yang mereka bentuk dengan saraf motorik bagian bawah (lower motorneurons) disebut sinapsis, yang bertugas khusus untuk menghantarkan impuls saraf dari satu sel ke sel lainnya (lihat rinciannya di bawah). Dengan cara ini, impuls saraf dapat melanjutkan perjalanannya ke lengan, yaitu di luar jangkauan fisik saraf piramidal.

Figure 2. Korda spinalis menerima informasi dari korteks motor utama melalui jalur piramidal dan menyampaikan informasi tersebut ke otot melalui saraf segmental. Saraf piramidal 1 menstimulasi saraf motorik A yang mengarahkan gerakan lengan untuk membengkok (bending), sedangkan saraf piramidal 2  menstimulasi saraf motorik B yang mengarahkan gerakan lengan untuk meregang (stretch).

Gambar 2. Korda spinalis menerima informasi dari korteks motor utama melalui jalur piramidal dan menyampaikan informasi tersebut ke otot melalui saraf segmental. Saraf piramidal 1 menstimulasi saraf motorik A yang mengarahkan gerakan lengan untuk membengkok (bending), sedangkan saraf piramidal 2  menstimulasi saraf motorik B yang mengarahkan gerakan lengan untuk meregang (stretch).

(3) Korda spinalis merupakan bagian bawah dari sistem saraf pusat yang terletak di dalam dan dilindungi oleh tulang punggung (backbone) dan menghasilkan saraf perifer yang menjangkau ke seluruh wilayah tubuh kita (Gambar 3, kiri). Semua saraf motorik bagian bawah memproyeksikan akson mereka melalui saraf perifer ini (biru tua pada Gambar 2) untuk membentuk sinapsis dengan otot-otot yang sesuai (atau sel kelenjar) pada daerah tubuh yang telah ditentukan, misalnya otot ekstensor atau otot fleksor di lengan anda (Gambar. 2, kanan).

(4) Seperti saraf, otot adalah sel yang dapat tereksitasi sehingga dapat mengirim impuls listrik melalui permukaan selnya, dan sinyal ini diperlukan untuk memicu kontraksi otot (lihat lebih banyak info tentang otot di sini). Oleh karena itu, saraf piramida yang dirangsang saat mengambil keputusan untuk menggerakkan lengan anda, akan menghantarkan impuls saraf secara sinapsis ke saraf motorik yang lebih rendah, yang pada gilirannya akan mengirim impuls saraf ke otot dan pada akhirnya otot akan mengalami kontraksi sebagai hasil yang dari keputusan yang anda ambil (Gambar 2).

——————— kembali ke atas ———————-

Koordinasi: peta “tubuh manusia kecil” di otak kita

Bagaimana keputusan kita untuk menggerakkan lengan menargetkan otot yang sesuai di tubuh kita? Bagaimana kita membedakan antara mengaktifkan otot kaki versus lengan, atau otot fleksor (untuk membengkokkan) versus otot ekstensor (untuk peregangan)?

(1) Sebagai hirarki urutan pertama, tubuh kita diorganisasikan ke dalam beberapa segmen dari kepala ke ekor. Setiap segmen diindikasikan oleh satu vertebra (tulang belakang) di tulang punggung kita, dan menyimpan satu pasang saraf motorik perifer yang mengirimkan informasi ke otot di segmen tubuh tertentu (Gbr.3, kiri). Misalnya, saraf motorik yang menginervasi otot-otot lengan kita berasal dari area C3-T2 (hijau merah & kekuningan pada Gambar 3) dan yang menginervasi kaki kita berasal dari area tulang punggung L1-S3 (hijau kebiruan & biru pada Gambar 3). Oleh karena itu, ketika memutuskan untuk menggerakkan lengan, kita perlu mengaktifkan kelompok saraf piramid tertentu di korteks motor utama yang membentuk sinapsis dengan saraf motorik bagian bawah di wilayah C3-T2.

(2) Di setiap segmen sumsum tulang belakang ada hirarki urutan kedua. Dengan demikian, badan sel saraf motorik bagian bawah terkonsentrasi di satu bagian di setiap sisi materi abu-abu (grey matter), yang disebut tanduk ventral (Gambar 3, kanan bawah). Di dalam tanduk ventral (ventral horn), saraf motorik tidak diposisikan secara acak, namun membentuk peta topografi (bahasa Yunani: “topos” = tempat; “graphos” = sesuatu yang ditarik atau ditulis): saraf yang dekat dengan garis tengah (midline) menginervasi otot-otot di dekat sumbu tubuh. (misalnya bahu), dan saraf pada ujung lateral menginervasi otot-otot yang paling jauh (misalnya tangan). Karena itu, saraf motorik bagian bawah diatur ke dalam pola spasial tetap di dalam sumsum tulang belakang yang secara erat mencerminkan berbagai area tubuh kita. Saraf motorik bagian atas dapat menggunakan koordinat spasial untuk menemukan saraf motorik bagian bawah yang tepat saat mereka membentuk koneksi selama proses perkembangan.

Figure 3. Pyramidal neurons are arranged into a body map (homunculus) in the primary motor cortex and lower motorneurons into segments along the spinal cord, forming a segment-specific muscle map in the ventral horn of each segment.

Gambar 3. Saraf piramida disusun ke dalam peta tubuh (homunculus) di korteks motor primer dan saraf motorik bagian bawah menjadi segmen sepanjang sumsum tulang belakang, membentuk rongga otot segmen tertentu di tanduk ventral setiap segmen.

 (3) Hirarki urutan ketiga adalah pada tingkat saraf piramida di korteks motor primer yang juga disusun menjadi peta topografi. Peta ini mencerminkan seluruh tubuh kita dan karenanya disebut “homunculus” (latin untuk “manusia kecil”). Oleh karena itu, seperti halnya saraf motorik bagian bawah di tanduk ventral sumsum tulang belakang, saraf piramida juga disusun sesuai dengan posisi tubuh yang mereka kendalikan. Seperti yang bisa anda lihat, kepala dan tangan memiliki representasi yang jauh lebih besar pada homunculus daripada tubuh bagian bawah, yang berarti bahwa banyak saraf piramid yang digunakan untuk mengkoordinasikan bagian tangan daripada kaki kita.

(4) Dengan memahami peta tubuh dan tatanan hierarkis ini, setidaknya kita akan menjadi sedikit lebih mudah untuk memahami bagaimana otak dapat mengkoordinasikan gerakan kita. Tentu saja, semua hal tersebut sebenarnya lebih rumit dari yang dipaparkan di sini. Misalnya, ada perbedaan mendasar antara anda mengambil keputusan sukarela untuk menggerakkan lengan anda, versus kejadian tak terduga di mana lengan anda tergerakkan secara pasif. Dalam kasus terakhir, sirkuit refleks diaktifkan sehingga secara otomatis melawan gerakan tak disengaja. Kunjungi link ini jika anda ingin lebih memahami prinsip penghantaran (wiring) sirkuit refleks.

(5) Mari memperdalam pemahaman kita tentang prinsip-prinsip penghantaran (wiring) yang disebutkan di atas dengan melihat sejumlah gangguan saraf yang menyebabkan kelumpuhan di tubuh kita. Untuk ini, lihatlah Gambar. 4 dan cobalah untuk menelusuri mengapa lengan tidak dapat lagi digerakkan dalam berbagai contoh yang diberikan.

neuron-wiring-BrainDisorder

Gambar 4. Berbagai contoh gangguan pada otak yang berujung pada paralisis. Klik gambar untuk pembesaran.

  • Cedera sumsum tulang belakang: Cedera medulla spinalis seringkali merusak jalur akson pada daerah putih (white matter) sumsum tulang belakang yang mengarah ke (naik) atau berasal dari (turun) otak, dan ini termasuk jalur piramidal. Kerusakan pada jalur ini akan memotong akson piramidal yang menginervasi segmen pada dan di bawah lokasi cedera. Oleh karena itu, cedera tulang belakang yang dekat dengan leher akan menyebabkan kelumpuhan total tubuh, sedangkan kerusakan pada daerah pertengahan tubuh akan melumpuhkan tubuh bagian bawah, seperti kaki (lihat Gambar 3). Akson memiliki kapasitas utama untuk beregenerasi, namun ada banyak faktor pada sumsum tulang belakang yang rusak yang mencegah hal ini terjadi. Oleh sebab itu, peneliti mencari trik-trik untuk mengatasi hal-hal yang menghambat pertumbuhan kembali akson-akson yang telah rusak (lihat kasus yang menjanjikan ini).
  • Stroke, tumor, cedera otak: Ada berbagai cara di mana otak kita bisa rusak: misalnya, (1) melalui cedera otak, (2) melalui tumor otak yang dapat mempengaruhi jaringan otak di sekitar mereka, atau (3) melalui stroke yang menggambarkan kematian jaringan mendadak pada daerah otak yang disebabkan oleh hilangnya suplai darah (stroke “iskemik”; akibat adanya bekuan darah) atau pendarahan pembuluh darah (“hemorrhagic” stroke). Jika kondisi ini mempengaruhi korteks motorik utama (atau jalur yang mengarah ke arah atau yang berasal dari korteks motoric utama), kelumpuhan terjadi di semua area tubuh yang rusak pada peta homunculus (Gambar 3). Ini menjelaskan, mengapa stroke cenderung melumpuhkan hanya setengah bagian tubuh dan daerah tubuh tertentu di dalamnya. Sayangnya, hilangnya saraf piramida hingga kini tidak dapat diganti, tapi otak kita memiliki kapasitas “plastis” . Dengan demikian, bagian yang tidak rusak pada korteks motorik primer dapat melakukan proses pengambilalihan kabel (re-wire) dan mendapatkan kontrol terhadap saraf motorik bagian bawah yang kehilangan inervasi asalnya. Ini menjelaskan pemulihan bertahap yang walaupun tidak dapat diprediksi namun memungkinkan untuk terjadi pada pasien stroke.
  • Penyakit saraf motorik: Pada penyakit saraf motorik dan beberapa gangguan neurodegeneratif lainnya (kejang paraplegia), saraf motorik bagian atas dan bawah atau akson-aksonnya mengalami pembusukan dan menyebabkan onset kelumpuhan bertahap yang seringkali dimulai dari otot-otot perifer yang paling utama ( otot-otot iyang diinervasi oleh saraf-saraf terpanjang). Untuk dapat mencegah atau mengobati penyakit ini, kita perlu lebih memahami proses biologis yang mengalami gangguan dalam saraf ini, dan para peneliti di seluruh dunia sedang berupaya memecahkan hal ini (misalnya melihat film ini).
  • Miasthenia gravis: Dalam miastenia gravis, gangguan tidak terjadi pada saraf motorik bagian atas dan bawah atau akson-aksonnya, melainkan pada komponen sinaps dari saraf-ke-otot yang terbentuk antara saraf motorik bagian bawah dan otot (2). Sinaps-sinaps ini berbeda secara kualitatif dengan sinaps saraf-ke-saraf, sehingga menjelaskan efek selektif yang timbul. Penyebab umum penyakit ini adalah sistem kekebalan tubuh mulai menyerang dan merusak reseptor (lihat di bawah) pada sinaps saraf-ke-otot, sebuah kondisi yang disebut sebagai penyakit autoimun. Untuk mencegah atau menyembuhkan penyakit ini, trik-trik perawatan dan pengobatan harus ditemukan untuk menghentikan sistem kekebalan tubuh agar tidak berbalik melawan tubuh kita sendiri.

neuron-connections-epilepsy(6) Atas dasar apa yang telah anda pelajari sejauh ini, apa yang anda prediksikan akan terjadi jika sebagian besar saraf di korteks otak tereksitasi pada saat bersamaan? – Hasilnya adalah kehilangan kontrol tubuh. Namun, dalam kasus ini, kontrol tidak hilang karena aktivasi otot yang gagal, namun karena kontraksi yang tidak terkontrol yang menyebabkan serangan epilepsi. Dalam serangan epilepsi, daerah otak besar menjadi aktif tanpa kendali yang akibatnya diteruskan ke saraf motorik bagian bawah dan otot-otot di seluruh tubuh. Aktivasi otot dan antagonisnya (misalnya fleksor dan ekstensor) secara bersamaan menyebabkan kekakuan tubuh yang disertai dengan tremor dan kejang (lihat singa di video di bawah ini).

Tapi mengapa epilepsi bisa terjadi? Sebelum kita dapat menjelaskan mekanisme penyakit yang mendasarinya, pertama-tama kita perlu sedikit memahami impuls saraf yang berjalan di sepanjang akson dan sinapsis di mana impuls bisa diteruskan ke sel lain. Apa yang sebenarnya terjadi dan mekanisme-mekanisme sel apa yang terlibat dalam kejadian tersebut?

——————— kembali ke atas ———————-

5 langkah menuju impuls saraf (potensial aksi)

Selain sel saraf, ada sel-sel lain yang dapat dieksitasi di tubuh kita, termasuk otot, berbagai sel kelenjar atau organ listrik dari belut listrik . Sel-sel ini memiliki kesamaan di mana semuanya dapat menghantarkan potensi listrik melintasi membran sel dan menyebarkan kejadian tersebut sebagai impuls yang dipertahankan secara aktif dan dapat melintas secara cepat di sepanjang permukaan sel-sel tersebut. Bagaimana hal tersebut bekerja? Mari kita bahas selangkah demi selangkah:

Gambar 5. Empat langkah pertama menuju potensial aksi. Gambar di baris tengah menunjukkan bagian membran akson yang memisahkan bagian dalam / bagian luar sel

Gambar 5. Empat langkah pertama menuju potensial aksi. Gambar di baris tengah menunjukkan bagian membran akson yang memisahkan bagian dalam / bagian luar sel (in/out), dan kotak biru di bagian bawah menggambarkan ukuran potensial membrannya. Klik gambar untuk melihat versi animasi.

  • Langkah 1: Hidup tiba di samudera kita, yaitu air yang kaya akan ion anorganik seperti sodium, kalium, kalsium, klorida dan banyak lainnya. Sel dikelilingi oleh membran lipid, dan ion-ion pada umumnya tidak bisa melewati membran tersebut. Hal ini memungkinkan sel untuk mengubah komposisi ion sitoplasma mereka relatif terhadap sekitarnya, misalnya menyimpan sejumlah besar ion tertentu di dalam interiornya seperti kelereng dalam tas yang tidak dapat dilepaskan. Untuk membawa ion tertentu masuk dan mengeluarkan yang lain, sel menggunakan protein yang disebut pompa ion yang khusus mengangkut ion tertentu melintasi membran sel. Ini adalah proses aktif yang membutuhkan energi dalam bentuk ATP (kebanyakan dihasilkan di mitokondria sel yang bersangkutan). Untuk meningkatkan efisiensi dan mengurangi kebutuhan energi, pompa ion seringkali mengangkut ion berbeda secara bersamaan, misalnya proses ekspor (mengeluarkan) natrium (Na+) dari sel dapat digabungkan dengan proses impor (memasukkan) kalium (K+) ke dalam sel, sebuah proses yang disebut antiport. Aktivitas konstan dari pompa tersebut menghasilkan konsentrasi natrium yang tinggi di bagian luar dan kalium di bagian dalam (“1” pada Gambar 5). Proses ini tidak spesifik untuk sel yang dapat dieksitasi saja namun juga terjadi di semua sel.
  • Langkah 2: Apa yang akan terjadi jika anda membuat lubang pada membran tersebut? Semua upaya yang dilakukan oleh pompa ion akan terbuang percuma dan difusi akan menyebabkan distribusi ion yang sama pada kedua sisi membran. Apa yang akan terjadi jika anda membuat lubang kecil yang hanya membiarkan transportasi sejumlah terbatas kalium, tapi bukan natrium? Kekuatan difusi akan mendorong kalium keluar dari sel, mengikuti peningkatan gradien konsentrasi melintasi membran. Melalui arus searah yang terus berlanjut ini, bagian luar membran akan memiliki muatan lebih positif (penambahan ion positif) dan bagian dalamnya lebih negatif (kehilangan ion positif), dan ini dapat diukur sebagai tegangan yang meningkat di membran (monitor biru di bagian bawah Gambar 5). Memang, membran sel bersifat semi permeabel, yaitu secara selektif akan memberikan akses kepada ion spesifik untuk melewatinya pada kecepatan tertentu. Hal ini terjadi melalui protein khusus yang disebut sebagai kanal istirahat atau kebocoran (resting or leak channels) yang membentuk pori-pori yang dapat dilalui oleh kalium (“2” pada Gambar 5). Namun, potensial membran yang dapat dicapai melalui saluran ini terbatas: semakin negatif bagian dalam sel, semakin sulit ion bermuatan positif meninggalkannya karena ion-ion tersebut tertarik kembali oleh gaya listrik (panah merah pada “2” dari Gambar 5). Pada tegangan tertentu, gradien kimia yang menggerakkan kalium keluar dari sel sama besar dengan gaya listrik yang menarik ion tersebut kembali (Gambar 5 “2 ii”). Persamaan elektrokimia ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus khusus yang disebut persamaan Nernst. Pada sebagian besar sel saraf, keadaan mapan seperti itu dapat dicapai pada kondisi sekitar -70 mV, terutama melalui kalium dan sedikit kontribusi arus natrium. Potensi ini disebut sebagai potensi istirahat (resting potential), sebuah fenomena yang terjadi di semua sel, namun tinggi tegangannya tergantung pada jenis sel.
  • Langkah 3: Sel yang tereksitasi dapat memanfaatkan potensi istirahat melalui kelas protein khusus, yang disebut kanal ion tergantung tegangan (voltage gated ion channels). Kanal ini bersifat selektif terhadap ion dan dapat dibuka maupun ditutup. Pemicu yang membukanya adalah penurunan potensial membran. Misalnya, menempelkan jarum kaca halus ke dalam sel tidak hanya memungkinkan untuk mengukur potensi di seluruh membrannya (Gambar 5, sisi kiri), tetapi juga untuk secara aktif memberikan arus listrik ke dalam sel untuk mengurangi potensinya secara artifisial. Ketika potensial membran diganti misalnya menjadi -30 mV, sel yang dapat tereksitasi memperlihatkan arus masuk mendadak dari ion natrium (“3” pada Gambar 5). Ini adalah arus kanal natrium tergantung-tegangan (voltage gated sodium channels), yang berada dalam keadaan tertutup (“c”) pada kondisi istirahat namun terbuka untuk aliran ion (“o”) bila potensial membran bergeser di atas ambang batas tertentu. Kanal ini cenderung tetap terbuka hanya dalam waktu singkat sebelum akhirnya terinaktivasi secara otomatis (“i”) dan kemudian masuk ke tahap konfirmasi tertutup, siap untuk dibuka kembali setelah periode refraktori Periode refraktori ini penting untuk mencegah potensial aksi berbalik arah dan mengalir ke belakang.
  • Langkah 4. Saat menggeser potensi membran bahkan lebih tinggi lagi menjadi sekitar 0 mV, arus keluar kalium terjadi (“4”). Ini adalah kanal kalium tergantung-tegangan (voltage gated potassium channels) yang terbuka (“o”) pada ambang yang lebih tinggi daripada saluran natrium dan tertutup (“c”) lebih perlahan dan bertahap. Seperti akan menjadi jelas pada langkah 5, adalah sangat penting bahwa saluran natrium dan kalium terbuka pada ambang batas yang berbeda.
 Gambar 6. Langkah 5 adalah potensial aksi yang sebenarnya (A) yang dicapai melalui pengintegrasian langkah 1-4 (BD) dalam urutan yang benar; bandingkan Gambar. 5 untuk penjelasan dan simbol. B) Ketika stimulus eksternal menggeser potensial membran di atas ambang batas (segmen kurva merah), saluran natrium tergantung-tegangan akan terbuka dan dengan cepat menutup kembali (zona biru), mendorong potensial membran menuju ke nilai positif (di atas garis merah). C) Potensi membran yang meningkat memicu pembukaan saluran kalium tergantung-tegangan yang hanya menutup secara bertahap, mendorong potensial membran kembali ke nilai di bawah potensial istirahat. D) Pompa dan kanal istirahat (resting channels) berkontribusi terus menerus; Ketika terjadi perubahan potensial membran, laju masuk/influks (panah merah) dan laju keluar/efluks (panah jingga) dari ion kalium melalui kanal istirahat secara otomatis bergeser sehingga membawa potensial istirahat kembali ke nilai normal secara bertahap.

Gambar 6. Langkah 5 adalah potensial aksi yang sebenarnya (A) yang dicapai melalui pengintegrasian langkah 1-4 (BD) dalam urutan yang benar; bandingkan Gambar. 5 untuk penjelasan dan simbol. B) Ketika stimulus eksternal menggeser potensial membran di atas ambang batas (segmen kurva merah), saluran natrium tergantung-tegangan akan terbuka dan dengan cepat menutup kembali (zona biru), mendorong potensial membran menuju ke nilai positif (di atas garis merah). C) Potensi membran yang meningkat memicu pembukaan saluran kalium tergantung-tegangan yang hanya menutup secara bertahap, mendorong potensial membran kembali ke nilai di bawah potensial istirahat. D) Pompa dan kanal istirahat (resting channels) berkontribusi terus menerus; Ketika terjadi perubahan potensial membran, laju masuk/influks (panah merah) dan laju keluar/efluks (panah jingga) dari ion kalium melalui kanal istirahat secara otomatis bergeser sehingga membawa potensial istirahat kembali ke nilai normal secara bertahap.

  • Langkah 5: Bila semua kejadian berbeda yang dijelaskan dalam langkah 1-4 disatukan dalam urutan yang benar, potensial aksi dapat terjadi (Gambar 6 dan 7). Ketika sebuah sel diaktifkan (misalnya melalui input sinaptik), saluran natrium di daerah ini akan terbuka terlebih dahulu, mendorong potensial membran ke nilai positif. Depolarisasi ini secara pasif menyebar di sepanjang membran, dengan cepat mencapai saluran natrium berikutnya yang membuka dan memperkuat depolarisasi, sehingga secara aktif mendorong gelombang depolarisasi sepanjang akson seperti gelombang Meksiko (Mexican wave) di stadion sepak bola. Depolarisasi dengan segera diikuti oleh pembukaan kanal kalium tergantung-tegangan yang dengan cepat merepolarisasi membran. Repolarisasi cepat ini penting untuk mengatur ulang potensial membran untuk potensial aksi yang baru yang masuk dan memungkinkan laju frekuensi depolarisasi yang tinggi dalam kisaran mHz (1 mHz = 1000 kejadian per detik!). Anda mungkin bertanya-tanya mengapa potensi aksi mengalir hanya ke depan dan tidak terjadi secara dua arah. Di satu sisi, ini disebabkan oleh repolarisasi berbasis kalium yang cepat di bawah ambang batas. Di sisi lain, ini disebabkan oleh periode refraktori kanal natrium sehingga tidak dapat diaktivasi dalam waktu yang cukup lama dan dapat membiarkan potensial aksi melintas. Ini sebanding dengan penonton yang baru saja memainkan peran mereka dalam gelombang Meksiko (Mexican wave) dan tahu bahwa mereka tidak perlu berdiri lagi.
AP-axon-slow

Gambar 7.  Aliran potensial aksi dalam akson; bandingkan Gambar. 5 untuk penjelasan dan symbol yang digunakan. Panel atas: potensial aksi pada kecepatan rendah (atas) sehingga anda dapat memahami rangkaian acara. Perhatikan bahwa depolimerisasi membran (tanda +/- pada garis bagian bawah/atas) menyebar di depan area di mana kanal natrium benar-benar terbuka, sehingga memicu pembukaan kanal natrium yang lebih banyak dan mendorong potensial aksi seperti gelombang Meksiko di sepanjang akson. Panel bawah: Kejadian pada panel atas dengan kecepatan yang lebih tinggi untuk memberi sedikit kesan bahwa kecepatan yang sangat tinggi terjadi pada kondisi sebenarnya (gambar paling bawah).

——————— kembali ke atas ———————

Epilepsi

Anda mungkin telah melakukan eksperimen sederhana di mana anda dengan kuat mengguncang botol yang berisi lalat buah mutan yang rentan terhadap serangan epilepsi. Hasilnya? Ketika lalat kontrol tidak terpengaruh dengan perlakuan ini, lalat epilepsi tetap tergeletak di dasar botol dan tidak mampu untuk melakukan gerakan terbang atau berjalan dengan normal. Dengan menggunakan mikroskop, anda akan melihat bahwa lalat-lalat mutan tersebut memperlihatkan getaran dan kejang pada seluruh tubuh (lihat film di bawah), sangat mirip dengan singa epilepsi yang ditunjukkan pada awal-awal laman ini.

Perilaku ini ditampilkan oleh seluruh kelas lalat mutan, yang disebut lalat “bang-sensitive“, dan gen yang terkena dampak pada lalat ini diberi nama yang agak kreatif, seperti  slamdance , kazachoc dan ether go-goLINK ] . Salah satu mutasi yang pertama kali ditemukan pada tahun 1948 ini mempengaruhi gen Shaker , yang ternyata pada akhir 70-an diketahui mengkode kanal kalium, dan kemudian menjadi gen kalium pertama yang diklon pada tahun 1987, sekitar 35 tahun setelah Hodgkin & Huxley menemukan konsep potensial aksi. Banyak lalat “bang-sensitive” ini mengalami mutasi pada gen yang membuat protein kanal membran sel atau faktor yang penting untuk fungsi kanal. Tapi kemudian timbul pertanyaan mendasar, mengapa lalat mutan ini mengalami kejang saat terguncang dengan hebat?

Mari kita ambil contoh mutasi Shaker yang mempengaruhi kanal kalium tergantung-tegangan. Seperti yang dijelaskan pada langkah 4 dari model potensial aksi ( lihat di atas ), kanal ini diperlukan pada proses re-polarisasi sel saraf ( misalnya mengembalikan potensial membran ke nilai negatif ). Jika kanal Shaker tidak bekerja dengan baik, sel saraf akan tetap terdepolarisasi dalam waktu yang lebih lama, sehingga akan timbul kesulitan untuk menurunkan keadaan eksitasi ( Gambar 8 ) dan kemungkinan sel ini akan terus merangsang sel lain yang terhubung dengannya.

Figure. Jika kanal kalium tergantung-tegangan mengalami kerusakan, potensial aksi mengalami repolarisasi yang jauh lebih lambat, sehingga berpotensi menyebabkan potential aksi berada di atas ambang batas saat kanal natrium terlepas dari periode refraksi.

Gambar 8. Jika kanal kalium tergantung-tegangan mengalami kerusakan, potensial aksi mengalami repolarisasi yang jauh lebih lambat, sehingga berpotensi menyebabkan potential aksi berada di atas ambang batas saat kanal natrium terlepas dari periode refraksi. Untuk penjelasan lebih lanjut lihat Gambar. 6

Hal tersebut mungkin akan berjalan baik-baik saja dalam kondisi normal, namun akan menjadi problematik jika terlalu banyak sel dalam sistem saraf menjadi aktif dan saling merangsang, sehingga meningkatkan aktivitas jaringan saraf secara keseluruhan atau bahkan keseluruhan sistem saraf pusat SSP ( begitu juga otot-otot yang diaktifkan oleh neuron motorik! ). Saat lalat mengalami guncangan, sejumlah neuron sensorik mereka akan teraktivasi dan mengirim potensial aksi ke SSP, sehingga membanjiri SSP dengan perintah aktivitas, dan hal tersebut tidak dapat diantisipasi dengan baik oleh lalat mutan Shaker, sehingga menyebabkan kontraksi pada semua otot, yang akhirnya berujung pada kejang.

Saat menonton TV, kita kadang-kadang diberi peringatan tentang kilatan fotografi (flash fotography), dan ini karena ada pemirsa yang mungkin saja menderita jenis epilepsi yang terpicu oleh cahaya (photo-sensitive) dan ini sesuai dengan logika yang sama dengan guncangan pada lalat. Analogi ini, bersama dengan kemiripan gejala serangan epilepsi antara seekor lalat dan seekor singa (lihat film di atas), menunjukkan bahwa ada ciri umum antara lalat, hewan tingkat tinggi, dan manusia. Memang, seperti pada lalat, banyak bentuk epilepsi manusia dikaitkan dengan defek pada protein kanal (disebut “channelopathies“). Oleh karena itu, lalat digunakan untuk mempelajari mekanisme patologis yang mendasari epilepsi dan untuk menguji strategi pengobatan yang lebih baik [ LINK1 ] [ LINK2 ]. Mengingat fakta bahwa lalat mudah disimpan dalam jumlah besar ( Gambar 9 ), penelitian mengenai epilepsi dapat dilakukan dengan lebih cepat dan hasil yang diperoleh dapat diterjemahkan ke dalam model hewan tingkat tinggi atau bahkan dapat langsung diuji secara klinik pada manusia.

Gambar 9. Pengujian obat skala besar dapat dengan mudah dilakukan dan hemat biaya pada lalat. Lalat akan disimpan di dalam vial yang mengandung obat yang berbeda atau konsentrasi obat tertentu selama beberapa waktu dan kemudian selanjutnya diuji: lalat-lalat tersebut akan diberikan perlakuan berupa guncangan dan waktu pulih mereka akan diukur dan digunakan sebagai indikator tingkat keparahan kondisi kejang mereka. Obat yang efektif akan mengurangi waktu pemulihan (recovery time).

——————— kembali ke atas ———————-

Opto- dan termogenetika

Dalam sumber ini, kami terutama membahas jaringan neuron yang agak sederhana. Namun perlu untuk dipahami bahwa jaringan neuron bisa memiliki kompleksitas yang jauh lebih tinggi. Sebagai bentuk tingkat kerumitan berikutnya, mari kita pikirkan tentang rangkaian gerakan refleks : jika dokter menggunakan palu refleks untuk merangsang tendon di lutut anda, ini memunculkan refleks kaki di mana kaki bagian bawah sedikit menendang ke depan ( regangan tendon menunjukkan bahwa kaki anda telah dibengkokkan, memunculkan respons refleks untuk meregangkannya lagi – mekanisme peraturan konstan yang memungkinkan kita menjaga keseimbangan tubuh tanpa harus “memikirkan” tentang hal itu ). Ini masih agak sederhana. Namun, saat menguji refleks, dokter menyarankan pasien untuk rileks atau bahkan berpaling, Dan ini penting untuk dilakukan karena kita bisa menggunakan otak kita untuk menghilangkan efek gerakan refleks ( dan ini memungkinkan kita membengkokkan kaki kita secara sadar tanpa memicu gerakan refleks untuk menangkal gerakan sadar tersebut dan menimbulkan sifat antagonistik yang berbahaya ). Untuk mempelajari bagaimana jaringan refleks ini dihubungkan, dapat dilihat di sini .

Jaringan saraf menjadi semakin rumit saat memikirkan perilaku kompleks, seperti belajar. Misalnya, bagaimana cara menyimpan memori? Mari kita ambil contoh penyakit Alzheimer , di mana pasien kehilangan memori spasial. Kita tahu bahwa daerah otak yang paling banyak terkena dampak pada pasien Alzeimer adalah yang disebut hippocampus ( disebut demikian karena berbentuk seperti kuda laut, dan hippocampus adalah nama ilmiah untuk kuda laut ). Kita telah lama mengetahui bahwa hilangnya hippocampus karena cedera atau operasi menyebabkan hilangnya memori spasial ( dan mode pembelajaran lainnya ), dan telah ditunjukkan pula secara santifik bahwa hippocampus supir taksi sangat aktif saat mereka menelusuri dan mencari tahu rute yang akan dituju oleh konsumen mereka, dan bahwa hippocampus supir taksi tersebut tumbuh dengan ukuran yang lebih besar saat mereka rutin mempelajari peta rute mereka [ LINK ] [ LINK ]. Sebagai contoh lain, lalat buah dapat belajar mengasosiasikan bau tertentu dengan pengalaman buruk ( misalnya kejutan elektro ) dan akan menghindari bau tersebut di masa depan, walaupun eksperimen tidak lagi digabungkan dengan kejutan ( sama seperti jika anda membakar jari anda sekali , apakah anda tidak akan ragu lagi untuk menyentuh piring oven, meskipun ovennya dimatikan? ). Untuk “pembelajaran asosiatif” ini, lalat membutuhkan daerah otak yang disebut mushroom body.

Untuk memahami perilaku belajar yang rumit ini, langkah pertama yang diperlukan adalah mengidentifikasi daerah otak spesifik yang dibutuhkan untuk hal tersebut. Sebagai langkah selanjutnya, penting untuk secara anatomi menggambarkan sel saraf dan jaringan yang mereka bentuk di wilayah tersebut, sehingga kita dapat menspekulasikan/berhipotesis mengenai peran spesifik neuron yang berbeda pada jaringan tersebut. Namun, untuk membuktikan dan memahami sepenuhnya fungsi dan kontribusi saraf-saraf yang berbeda tersebut akan memerlukan analisis yang lebih kompleks. Kita perlu mengetahui (1) pola di mana sel-sel saraf aktif di jaringan tersebut (Dapatkah kita mengidentifikasi aturan atau prinsip yang mendasarinya? ), (2) jenis-jenis sinapsis apa yang digunakan oleh sel saraf yang satu dengan sel saraf yang lain dalam jaringan ( lihat bagian selanjutnya ), dan (3) bagaimana output fungsional / perilaku dari jaringan tersebut berubah saat kita memanipulasi (sekelompok) sel saraf dalam jaringan tersebut secara eksperimental ( dengan cara mengaktifkan atau menonaktifkannya ). Untuk melakukan tugas eksperimental ini, peneliti telah menemukan strategi cerdas, yang disebut OPTO dan termogenetika ( bahasa Yunani: θερμός / thermós, “hangat, panas”; ὀπτικός / optikós, berkaitan dengan “cahaya / penglihatan” ). Prinsip utama di balik strategi ini adalah dengan menggunakan teknik genetika molekuler untuk menyisipkan hasil desain cerdas berupa protein yang sensitif terhadap cahaya, atau yang dapat memancarkan cahaya, atau yang sensitif terhadap suhu ( light-sensitive or emitting  or temperature-sensitive proteins ) ke dalam sub kelompok sel saraf tertentu. Ini dilakukan untuk dua tujuan yang berbeda: (A) protein yang memancarkan cahaya tertentu dapat bertindak sebagai sensor yang dapat membuat pola aktivitas terlihat ( misalnya menyala saat sel mengeksekusi impuls saraf; lihat film di bawah ); (B) beberapa protein yang sensitif terhadap suhu atau cahaya tertentu dapat mengubah status aktivitas sel saraf jika suhu dinaikkan atau cahaya dari panjang gelombang tertentu digunakan untuk menyinari neuron tersebut. Konsep untuk metode optogenetika dari kategori terakhir (B) dijelaskan pada Gambar. 10.

Film berikut memperlihatkan sistem saraf pusat larva Drosophila di mana saraf-saraf pada larva tersebut mengekspresikan sebuah protein penginderaan kalsium ( calcium-sensing protein ) yang bersinar di bawah mikroskop fluoresensi ketika konsentrasi kalsium pada sel-sel saraf meningkat saat aktivasi. Larva ini merangkak yang membutuhkan gelombang kontraksi otot yang digerakkan oleh gelombang aktivitas saraf motorik di sistem saraf.

Gambar 10. Menggunakan teknik optogenetika untuk mengaktifkan sel saraf. Ganggang Chlamydomonas memiliki titik mata yang peka cahaya sehingga membantu bergerak menuju cahaya ( diperlukan untuk fotosintesisnya ). Bagian tersebut memiliki protein kanal selektif-natrium (channel-rhodopsin, ChR) yang terbuka sebagai respon terhadap cahaya biru (ini dipicu oleh perubahan konformasi retinal, zat yang sama dengan reseptor cahaya yang digunakan oleh mata kita). Gen untuk ChR telah dikloning dan dapat disisipkan ke dalam sel saraf tertentu yang kemudian mengekspresikannya ke permukaan membran. Penyinaran sel saraf tersebut dengan cahaya biru akan membuka ChR dan membiarkan natrium masuk. Seperti yang dijelaskan pada langkah 3 dari model potensial aksi (lihat di atas), hal ini akan memicu impuls saraf. Oleh karena itu, cahaya biru yang bersinar pada neuron ini memicu saraf-saraf tersebut untuk menjadi aktif.

Kekuatan pendekatan metode optogenetika dijelaskan dengan contoh sederhana: lalat menunjukkan respons terbang saat melihat rangsangan visual yang berbahaya (respons inilah yang membuatnya begitu sulit ditangkap!). Peran kunci saraf spesifik (saraf serat raksasa) dalam respons terbang ini dapat ditunjukkan dengan jelas menggunakan metode optogenetika pada lalat tanpa kepala (Gambar 11).

Gambar 11. Saraf serat raksasa dibutuhkan untuk respons terbang. Informasi visual dari mata mereka dikirim dengan cepat melalui saraf serat raksasa ke neuron motorik di SSP bagian bawah untuk mengaktifkan otot yang membuat lalat melompat dan dan terbang menjauh. Seluruh hal tersebut dapat direproduksi saat merangsang saraf ini melalui channelrhodopsin, walaupun ketika kepala lalat dipenggal (lihat film di bawah).

Para peneliti menemukan sel saraf lain yang terletak dari otak ke SSP bagian bawah (Gambar 12). Untuk menjelaskan peran sel saraf tersebut, mereka mengekspresikan protein peka-cahaya (thermo-sensitive) di dalam neuron ini yang secara khusus akan teraktivasi ketika suhu lingkungan mencapai sekitar 30°C. Hasil mengejutkan ditunjukkan pada film di bawah ini: pengaktifan sel saraf ini membuat lalat berjalan mundur ( serupa pada moonwalk Michael Jackson ).

Gambar 12. When the MDN (Moonwalker Descending Neuron) is stimulated, flies start walking backwards (see movie)Ketika MDN (Moonwalker Descending Neuron) distimulasi, lalat mulai berjalan mundur (lihat film)

 ———————- kembali ke atas ———————-

Sinaps

Sinaps atau sinapsis adalah kontak jarak dekat antara saraf dan saraf lain atau jenis sel lain yang dapat dieksitasi (misalnya otot atau sel kelenjar). Sinapsis sangat terspesialisasi untuk menghantarkan impuls saraf (Gambar). Saraf yang melewati impuls saraf disebut sel pre-sinaptik, sel penerima disebut sebagai sel post-sinaptik. Ada dua jenis sinapsis:

Peristiwa-peristiwa penting transmisi sinaps listrik versus sinaps kimiawi.

Gambar 13. Peristiwa-peristiwa penting transmisi sinaps listrik versus sinaps kimiawi.

  • Pada sinapsis listrik, sel pasangan sinaptik saling merajut dengan sangat ketat sehingga kadangkala protein khusus di membran mereka dapat saling menempel dan membentuk pori-pori dari satu sel ke sel lainnya. Ini serupa dengan perangkat tautan roket yang terpasang di stasiun antariksa internasional (International Space Station), membentuk gerbang yang bisa dilalui oleh astronot dan material. Dalam sinapsis elektrik, perangkat tautan antara sel pra- dan sel post-sinaptik disebut gap junction. Setiap impuls saraf yang mencapai terminal pre-sinaptik dapat langsung melewati junction ini, yaitu pesan dapat diteruskan dengan kecepatan tinggi.
  • Sinapsis kimia jauh lebih lambat, karena impuls saraf diterjemahkan menjadi pesan kimia, untuk kemudian akan dikembalikan menjadi impuls saraf. Untuk ini, sinapsis kimia mengandung sedikit vesikel membran yang diisi dengan zat kimia yang disebut neurotransmitter (titik merah pada Gambar). Vesikel-vesikel ini “berlabuh” ke membran pre-sinaptik. Ketika impuls saraf mencapai sinapsis, kanal ion tergantung-tegangan (hijau pada Gambar) terbuka untuk memicu masuknya ion kalsium (Ca2+) ke dalam terminal pre-sinaptik. Kalsium mengikat protein “fusi” khusus yang merupakan bagian dari perangkat tautan (docking) vesikel. Melalui rangsangan kalsium, protein-protein ini secara aktif menyatukan membran vesikel dengan membran pre-sinaptik. Proses ini menyebabkan tereksposnya bagian dalam vesikel ke ruang luar (ekstraseluler) dan neurotransmitter pun dilepaskan ke celah sinaptik dan sekarang dapat menyebar ke membran post-sinaptik. Pada membran post-sinaptik terdapat protein reseptor neurotransmitter (merah pada Gambar.) yang merupakan kanal ion khusus. Saat neurotransmitter terikat pada reseptor, hal tersebut memicu kanal ion yang terkait dengan reseptor tersebut untuk membuka dan membiarkan ion natrium (terutama) untuk masuk. Arus natrium ini mendepolarisasi membran post-sinaptik. Jika depolarisasi ini cukup kuat untuk mencapai dan membuka kanal ion tergantung-tegangan (putih pada Gambar), impuls saraf akan dilepaskan pada sel post-sinaptik. Perhatikan bahwa gambar tersebut menunjukkan sebuah proses penting: vesikel bergerak dari membran pre-sinaptik ke arah bagian interior terminal post-sinaptik. Proses ini disebut sebagai endositosis vesikel sinaptik dan diperlukan untuk menjaga kolam vesikel sinaptik. Vesikel ini dilengkapi dengan protein pengangkut neurotransmiter khusus yang memuat molekul neurotransmiter. Untuk informasi lebih rinci tentang sinapsis, dapat melihat “Panduan awam untuk sinapsis“.

Anda mungkin merasa heran dengan fakta bahwa mayoritas sinapsis di sistem saraf kita lebih bersifat kimiawi daripada menggunakan listrik, walaupun transmisi pada sinaps kimiawi jauh lebih rumit dan lamban. Penjelasan untuk ini terletak pada kemampuan sistem saraf yang sangat besar untuk memproses informasi, belajar dan beradaptasi.

  • Pertama, sinapsis kimia tidak hanya menyampaikan pesan, namun bisa mengubah maknanya. Misalnya, potensial aksi yang mencapai sinapsis eksitatoris (stimulasi)dapat menghasilkan potensial aksi di sel post-sinaptik. Sebaliknya, potensial aksi yang mencapai sinapsis inhibitor (penghambat), mencegah sel post-sinaptik untuk melepaskan potensial aksi (lihat penjelasan lebih lanjut di sini).
  • Kedua, sinapsis kimia dapat mengubah kualitas transfer informasi dari waktu ke waktu. Untuk ini, proses menerjemahkan impuls saraf menjadi sinyal kimia dan akhirnya akan diterjemahkan kembali menjadi impuls saraf akan melibatkan berbagai langkah yang kemudian bisa dimodifikasi. Misalnya, ketika banyak digunakan, sinapsis dapat diadaptasi dengan desensitisasi (misalnya untuk secara selektif menghalangi kebisingan latar yang tidak relevan selama percakapan) atau dengan cara meningkatkan transmisi sinaptik (disebut sebagai “peningkatan kekuatan sinaptikmisalnya selama proses belajar). Kekuatan sinaptik dapat ditingkatkan melalui penurunan ambang batas yang digunakan untuk pelepasan neurotransmiter, meningkatkan jumlah neurotrasnmiter yang dilepaskan per satuan waktu kejadian, meningkatkan jumlah atau probabilitas pembukaan reseptor neurotransmiter. Satu dari sekian perubahan tersebut memungkinkan transmisi pada sinapsis ini menjadi jauh lebih efektif dan mungkin akan mengubah cara potensial aksi diteruskan ke sel lain. Ketika kita belajar atau melatih tubuh kita, perubahan sinapsis kimiawi kita terjadi secara konstan, dan kemampuan mereka untuk “menyesuaikan” membuat sinapsis kimia menjadi komponen “cerdas” penting jaringan saraf. Sebaliknya, gap junction pada sinapsis listrik membatasi kemungkinan untuk mengenalkan perubahan “cerdas” tersebut.

——————— kembali ke atas ———————-

Ucapan terima kasih

Saya ingin berterima kasih kepada Prof. Andreas Prokop untuk bantuan, gambar-gambar, dan komentar-komentarnya pada seluruh bagian tulisan ini.

Diterjemahkan secara bebas dari website Droso4schools, salah satu bentuk outreach Manchester Fly Facility, atas persetujuan Prof. Andreas Prokop (FBMH, The University of Manchester).

Advertisements