Saraf dan otak: neuron, potensial aksi, sinaps dan neurotransmiter, bagian-bagian otak, refleks dan waktu reaksi, serta efek arus listrik pada saraf

Di dapur sebuah hotel, juru masak menyentuh gagang wajan panas, dan tangannya sudah tertarik sebelum ia sempat berkata "panas". Pada minggu yang sama, operator laundry memegang rangka mesin cuci yang bocor arus; tangannya "menempel" sampai RCD trip. Mengapa tangan pertama bergerak lebih cepat daripada pikiran, sedangkan tangan kedua tidak bisa dilepas? Gerak menarik tangan adalah refleks yang diatur sumsum tulang belakang tanpa menunggu otak. Arus listrik dari luar merangsang saraf dan otot seperti sinyal saraf biasa, dan otot penutup jari lebih kuat daripada otot pembukanya. Bab ini menjelaskan dasar biologinya, supaya teknisi paham mengapa pengaman mesin dan proteksi listrik tidak dapat digantikan oleh "refleks yang cepat".

Batas pembahasan

Bab ini membahas sistem saraf dari sisi biologi, dari sel saraf sampai efek arus listrik dari luar pada saraf dan otot. Hukum Ohm dan daya ada di Bab 1 · Kelistrikan & Kendali tentang tegangan, arus, resistansi, dan daya. Zona efek arus menurut IEC 60479-1, luka bakar listrik, dan pertolongan pertama ada di Bab 75 · Kelistrikan & Kendali tentang bahaya listrik pada tubuh. Proteksi dasar, proteksi gangguan, dan pemutusan otomatis ada di Bab 21 · Kelistrikan & Kendali tentang proteksi kejut listrik, dan pemilihan RCD di Bab 22 · Kelistrikan & Kendali tentang RCD. Tidur, jam biologis, dan kelelahan dibahas di Bab 34 tentang tidur dan kerja shift malam, sedangkan pertanyaan tentang kesadaran di Bab 35 tentang kesadaran.

Sumber utamanya OpenStax Biology 2e bab 35 dan Psychology 2e bab 3, ditambah OpenStax University Physics untuk bahaya kejut dan waktu reaksi. Sumber setiap klaim dan penalaran editorial dicatat di peta sumber. Bab ini tidak memberi diagnosis; keluhan saraf, cedera kepala, dan korban sengatan listrik dinilai tenaga kesehatan.

Neuron dan sel glia

Neuron (neuron) adalah sel khusus yang dapat menerima dan meneruskan sinyal listrik dan kimia. Sel glia (glial cell) adalah sel sistem saraf yang menopang neuron secara fisik dan metabolik, termasuk menyekat akson serta mengangkut nutrien dan sisa metabolisme. Biology 2e membandingkan neuron dengan kawat dan glia dengan petugas perusahaan listrik yang merawat kawat itu.

Badan sel (soma) berisi inti sel. Dendrit menerima pesan dari neuron lain, bukit akson menjumlahkan sinyal dari banyak sinaps, dan akson meneruskan sinyal ke terminal akson yang melepas zat kimia ke sel berikutnya. Akson neuron motorik manusia dapat sepanjang satu meter, dari pangkal tulang belakang sampai jari kaki. Mielin (myelin) adalah lapisan lemak yang dibuat sel glia untuk menyekat akson sehingga sinyal merambat jauh lebih cepat. Celah berkala di sepanjang selubung mielin disebut nodus Ranvier, tempat sinyal "diisi ulang".

Tabel disusun dari Biology 2e subbab 35.1, yang juga menyebut otak manusia berisi sekitar 86 miliar neuron. Dua buku OpenStax berbeda tentang jumlah glia. Biology 2e menulis glia sepuluh kali lebih banyak daripada neuron, sedangkan Psychology 2e menyebut riset laboratorium Herculano-Houzel yang memberi nisbah hampir 1:1. Bab ini mengikuti Psychology 2e karena mengutip riset yang lebih baru (penalaran editorial).

Potensial membran istirahat

Potensial membran (membrane potential) adalah beda muatan listrik antara bagian dalam dan bagian luar sel. Neuron yang beristirahat bermuatan negatif di dalam, sekitar 70 mV lebih negatif daripada di luar (−70 mV), dan angkanya berbeda menurut jenis neuron dan spesies. Lapisan lipid membran tidak dapat dilewati ion, sehingga ion keluar masuk lewat protein saluran ion. Saluran yang membuka dan menutup karena perubahan tegangan disebut saluran ion bergerbang tegangan.

Tabel dari Biology 2e subbab 35.2. Saluran bocor kalium jauh lebih banyak daripada saluran bocor natrium, sehingga K⁺ keluar lebih cepat daripada Na⁺ masuk dan bagian dalam sel menjadi negatif. Pompa natrium-kalium memindahkan tiga Na⁺ ke luar dan dua K⁺ ke dalam untuk setiap ATP, sehingga muatan negatif di dalam terjaga. Membran istirahat mirip baterai kecil sekitar 0,07 V yang terus diisi ulang pompa (penalaran editorial).

Potensial aksi dan rambatannya

Potensial aksi (action potential) adalah pembalikan singkat potensial membran istirahat yang merambat sendiri di sepanjang akson. Rangsang dari sel indra atau neuron lain mendepolarisasi membran sampai potensial ambang, sekitar −55 mV. Saluran Na⁺ di bukit akson lalu membuka, ion positif masuk, dan membran naik sampai sekitar +40 mV. Peristiwa ini bersifat semua-atau-tidak-sama-sekali: begitu ambang tercapai, neuron selalu berdepolarisasi penuh. Saluran Na⁺ lalu menutup dan untuk sementara tidak dapat dibuka, sedangkan saluran K⁺ membuka sehingga K⁺ keluar dan membran kembali negatif, sempat lebih negatif daripada istirahat (hiperpolarisasi) sebelum kembali ke −70 mV.

Periode refrakter (refractory period) adalah selang sesudah potensial aksi ketika neuron sulit atau tidak dapat melepaskan potensial aksi baru. Ukuran ayunan potensial dihitung dengan

$$\Delta V = V_\text{akhir} - V_\text{awal}$$

dengan $\Delta V$ perubahan potensial membran (mV), $V_\text{akhir}$ potensial sesudah perubahan (mV), dan $V_\text{awal}$ potensial sebelum perubahan (mV). Potensial aksi dibentuk ulang dengan kekuatan penuh di setiap titik akson, sehingga cedera di jari kaki tidak terasa lebih lemah daripada cedera di hidung hanya karena jaraknya lebih jauh.

Kecepatan rambat dipengaruhi diameter akson dan arus yang bocor dari akson; mielin mencegah kebocoran sehingga rambat lebih cepat. Nodus Ranvier panjangnya sekitar satu mikrometer dan berisi saluran Na⁺ dan K⁺, sehingga potensial aksi dibentuk ulang dari nodus ke nodus; lompatan ini disebut konduksi saltatori dan juga menghemat energi. Pada penyakit yang merusak mielin, misalnya sklerosis multipel, rambat melambat karena arus bocor dari bagian yang dulu tersekat. Angka kecepatan rambat impuls tidak dimuat sumber bab ini, sehingga tidak ditulis.

Sinaps dan neurotransmiter

Sinaps (synapse) adalah sambungan tempat sinyal diteruskan dari satu neuron ke neuron lain atau ke sel sasaran. Neurotransmiter (neurotransmitter) adalah zat kimia pembawa pesan sistem saraf yang disimpan dalam vesikel sinaps. Pada sinaps kimia, potensial aksi yang tiba di terminal akson membuka saluran Ca²⁺ bergerbang tegangan. Ion kalsium yang masuk membuat vesikel melepas neurotransmiter ke celah sinaps, lalu zat itu berdifusi dan menempel pada reseptor di membran pascasinaps. Satu vesikel berisi sekitar 10.000 molekul neurotransmiter, dan reseptor hanya cocok untuk neurotransmiter tertentu seperti kunci dan gembok.

Asetilkolin di sambungan saraf-otot membuka saluran Na⁺ sehingga membran otot berdepolarisasi, sedangkan GABA membuka saluran Cl⁻ sehingga membran pascasinaps terhiperpolarisasi dan neuron makin sulit melepas potensial aksi. Masukan perangsang dan penghambat dijumlahkan di bukit akson; hanya selisih bersih yang mencapai ambang yang memicu potensial aksi, sehingga "derau" acak tersaring. Sesudah sinyal lewat, neurotransmiter berdifusi menjauh, diurai enzim, atau diserap kembali oleh neuron pengirim.

Sinaps kimia menimbulkan tunda sekitar satu milidetik dan alirannya satu arah. Sinaps listrik menghubungkan dua sel lewat protein celah (gap junction) sehingga arus lewat hampir seketika; sinaps listrik di talamus diduga ikut mengatur tidur gelombang lambat, yang dibahas di Bab 34 tentang tahap tidur.

Tabel dari Psychology 2e subbab 3.2. Banyak obat bekerja di sinaps sebagai agonis (peniru) atau antagonis (penghalang) neurotransmiter; pemakaiannya untuk orang tertentu adalah keputusan dokter. Sinaps juga dapat menguat atau melemah dalam jangka panjang di hipokampus, dan perubahan ini menjadi dasar belajar dan memori.

Susunan saraf pusat dan tepi

Sistem saraf pusat terdiri atas otak dan sumsum tulang belakang, dibungkus tiga lapis selaput otak, dan mengapung dalam cairan serebrospinal yang berfungsi sebagai bantalan. Sistem saraf tepi menghubungkan sistem saraf pusat dengan otot, organ, dan indra; bagian somatiknya membawa pesan indra masuk lewat serat aferen dan perintah gerak keluar lewat serat eferen. Manusia mempunyai 12 saraf kranial dan 31 saraf spinal, masing-masing saraf spinal berisi akson sensorik dan motorik.

Sistem saraf otonom mengatur organ dalam tanpa kendali sadar. Bagian simpatis menyiapkan tubuh untuk "lawan atau lari": pupil melebar, denyut jantung dan tekanan darah naik, hati melepas glukosa, dan adrenalin mengalir ke darah. Bagian parasimpatis mengembalikan tubuh ke keadaan "istirahat dan cerna": denyut jantung melambat dan pencernaan dirangsang. Kaitan sistem simpatis dengan stres kerja malam dibahas di Bab 34 tentang kelelahan dan kerja shift.

Bagian-bagian otak

Permukaan otak, korteks serebri, berlipat menjadi tonjolan (girus) dan lekukan (sulkus). Lekukan terdalam, fisura longitudinal, membagi otak menjadi belahan kiri dan kanan, yang dihubungkan korpus kalosum berisi sekitar 200 juta akson. Belahan kiri mengendalikan sisi kanan tubuh dan sebaliknya.

Tabel disusun dari Biology 2e subbab 35.3 dan Psychology 2e subbab 3.4. Satu bagian otak dapat terlibat dalam lebih dari satu proses, dan satu perilaku biasanya melibatkan banyak bagian. Riset tentang belahan otak yang dominan untuk perilaku tertentu juga tidak konsisten.

Kecelakaan kerja paling terkenal dalam ilmu otak menimpa Phineas Gage, mandor rel kereta di Vermont, pada 13 September 1848: batang besi dari lubang ledakan menembus tengkoraknya. Kepribadiannya dilaporkan berubah, sejalan dengan hilangnya kendali dorongan di lobus frontal, walaupun ada bukti perubahan itu dibesar-besarkan. EEG merekam aktivitas listrik otak dengan ketepatan milidetik dan banyak dipakai dalam riset tidur. Stroke, yaitu terputusnya aliran darah ke satu bagian otak, menghilangkan fungsi bagian itu.

Refleks dan waktu reaksi

Refleks (reflex) adalah gerak cepat tanpa sadar yang dikendalikan sambungan sinaps setempat di sumsum tulang belakang, misalnya menarik tangan dari benda panas. Refleks lutut dikendalikan satu sinaps antara neuron sensorik dan neuron motorik, lalu sinaps dengan interneuron meneruskan kabar ke otak, misalnya bahwa tangan tadi panas. Karena itu juru masak di kasus pembuka menarik tangan sebelum sadar akan rasa panas (penalaran editorial). Psychology 2e menulis bahwa refleks "menghemat beberapa detik"; ungkapan itu berlebihan karena waktu reaksi sadar hanya sekitar seperempat detik, tetapi intinya benar: pesan tidak perlu ke otak dan kembali.

Waktu reaksi (reaction time) adalah selang antara munculnya rangsang dan dimulainya tindakan yang disengaja (pengetahuan umum). OpenStax University Physics Volume 1 memakai waktu reaksi rata-rata manusia terhadap rangsang penglihatan 0,25 s, dan contoh pengemudi dengan waktu reaksi 0,500 s yang menempuh 15,0 m pada 30,0 m/s sebelum kakinya menginjak rem. Selama waktu reaksi kecepatan dianggap tetap, sehingga

$$d = v \, t_\text{r}$$

dengan $d$ jarak tempuh sebelum tindakan dimulai (m), $v$ kecepatan benda atau kendaraan (m/s), dan $t_\text{r}$ waktu reaksi (s). Waktu reaksi paling cepat pada dewasa muda dan melambat pada usia lanjut. Psychology 2e menulis bahwa alkohol dikaitkan dengan "penurunan waktu reaksi"; maksudnya reaksi menjadi lebih lambat, yaitu waktu reaksi bertambah (penalaran editorial). Kurang tidur juga menurunkan fungsi kognitif dan motorik, seperti dibahas di Bab 34 tentang utang tidur. Artinya, mesin yang bergerak lebih cepat daripada reaksi manusia harus dihentikan pengaman, bukan refleks operator, seperti pengaman tangan di Bab 28 · Laundry tentang keselamatan setrika gulung.

Arus listrik dari luar pada saraf dan otot

Neuron dan sel otot dapat dirangsang karena membrannya mempunyai saluran ion bergerbang tegangan dan potensial ambang. Arus listrik dari luar yang lewat jaringan menggeser potensial membran; bila depolarisasinya mencapai ambang, potensial aksi terjadi seperti dipicu rangsang alami (penalaran editorial dari Biology 2e 35.2). University Physics Volume 2 menulis bahwa arus 5 sampai 30 mA ke atas dapat merangsang kontraksi otot berkelanjutan, "seperti yang dilakukan impuls saraf biasa". Kejut listrik (electric shock) adalah reaksi fisiologis atau cedera akibat arus listrik dari luar yang mengalir lewat tubuh. Tubuh relatif penghantar yang baik karena kandungan airnya, dan keparahan kejut ditentukan besar arus, jalur arus, lama kejut, dan frekuensi arus.

Tabel dari University Physics Volume 2 subbab 10.6. Korban tidak dapat melepas kawat karena arus merangsang semua otot tangan sekaligus, dan otot penutup jari lebih kuat daripada otot pembukanya; kontraksi otot kaki dan badan juga dapat "melempar" korban ke belakang. Fibrilasi ventrikel (ventricular fibrillation) adalah denyut jantung yang sangat tidak teratur dan sering mematikan. Sebagian besar kematian akibat kejut disebabkan fibrilasi ventrikel, dan defibrilator memakai kejut terkendali untuk menolong jantung yang berfibrilasi.

OpenStax memberi hambatan kulit kering sekitar 200 kΩ dan tubuh basah kuyup 10,0 kΩ, sehingga 120 V AC memberi 0,6 mA pada kulit kering tetapi 12 mA pada kulit basah, di atas ambang "tidak bisa lepas". Alas kaki berisolasi dan bekerja dengan satu tangan mengurangi peluang arus lewat jantung. Angka OpenStax adalah angka buku ajar Amerika Serikat untuk 120 V dan tidak memuat ambang fibrilasi yang bergantung pada lama aliran; zona IEC 60479-1, impedansi tubuh, dan pertolongan pertama ada di Bab 75 · Kelistrikan & Kendali tentang bahaya listrik pada tubuh. Karena tangan dapat tidak terlepas dan jantung dapat terganggu sebelum orang sempat bereaksi, arus harus dicegah lewat tubuh atau diputus otomatis: proteksi dasar dan pemutusan otomatis di Bab 21 · Kelistrikan & Kendali tentang proteksi kejut listrik, dan RCD di Bab 22 · Kelistrikan & Kendali tentang RCD.

Contoh kerja

Contoh 1: ayunan potensial. Dari potensial istirahat −70 mV ke ambang −55 mV diperlukan $\Delta V = -55 - (-70) = 15$ mV. Dari istirahat ke puncak +40 mV, ayunannya $40 - (-70) = 110$ mV atau 0,110 V. Depolarisasi pemicu hanya $15/110 = 13{,}6$ persen dari ayunan penuh; sisanya berjalan sendiri.

Contoh 2: nisbah konsentrasi ion. Dari tabel OpenStax, $145/12 = 12{,}1$ untuk Na⁺, $4/155 = 0{,}026$ untuk K⁺, dan $120/4 = 30$ untuk Cl⁻, sesuai kolom nisbah. Kalium di dalam sel $155/4 = 38{,}75$ kali kadarnya di luar, sehingga saat saluran terbuka K⁺ cenderung keluar dan Na⁺ cenderung masuk.

Contoh 3: pompa natrium-kalium. Dengan 3 Na⁺ keluar dan 2 K⁺ masuk per ATP, 500 siklus pompa (angka latihan) memindahkan 1.500 Na⁺ keluar dan 1.000 K⁺ masuk. Muatan positif bersih yang keluar 500 muatan dasar, yaitu $500 \times 1{,}602 \times 10^{-19} = 8{,}01 \times 10^{-17}$ C (muatan dasar, pengetahuan umum).

Contoh 4: laju letupan maksimum. Bila satu impuls harus selesai sebelum impuls berikutnya dimulai, laju maksimum $f = 1/t$. Untuk $t = 1$ ms (angka latihan), $f = 1/0{,}001 = 1.000$ impuls per detik, sesuai orde $10^{3}$ dalam jawaban soal OpenStax University Physics Volume 1. Untuk 2 ms, $f = 500$ impuls per detik.

Contoh 5: tunda sinaps. Refleks lutut melewati satu sinaps kimia, sehingga tunda sinapsnya sekitar 1 ms. Jalur sadar yang melewati 8 sinaps (angka latihan) menambah sekitar 8 ms. Dibanding waktu reaksi 0,25 s, angka itu $8/250 = 3{,}2$ persen, sehingga sebagian besar waktu reaksi dipakai untuk rambat dan pengolahan di otak serta penggerakan otot (penalaran editorial).

Contoh 6: jarak tempuh selama waktu reaksi. Mobil antar-jemput tamu melaju 36 km/jam, yaitu $36/3{,}6 = 10$ m/s (angka latihan). Dengan $t_\text{r} = 0{,}25$ s, mobil menempuh $d = 10 \times 0{,}25 = 2{,}5$ m sebelum rem disentuh; dengan 0,50 s, $d = 5{,}0$ m. Contoh OpenStax sendiri: $30{,}0 \times 0{,}500 = 15{,}0$ m.

Contoh 7: tangan di depan setrika gulung. Linen bergerak masuk dengan kecepatan 10 m/menit, yaitu $10/60 = 0{,}167$ m/s (angka latihan, kecepatan tiap mesin ada di manual pabrik). Selama 0,25 s, jari yang terjepit linen tertarik $0{,}167 \times 0{,}25 = 0{,}042$ m atau 4,2 cm; bila operator lelah dan bereaksi dalam 0,50 s (angka latihan), 8,3 cm. Karena itu batang pengaman harus menghentikan mesin sendiri.

Contoh 8: arus tubuh kulit kering dan basah. Angka OpenStax: $I = 120/200.000 = 0{,}0006$ A atau 0,6 mA untuk kulit kering, dan $120/10.000 = 0{,}012$ A atau 12 mA untuk kulit basah. Dengan hambatan yang sama pada 230 V, $230/200.000 = 1{,}15$ mA dan $230/10.000 = 23$ mA (penalaran editorial; impedansi tubuh nyata berubah dengan tegangan, lihat Bab 75 · Kelistrikan & Kendali). Kulit basah memperbesar arus $200/10 = 20$ kali.

Contoh 9: arus langsung ke jantung di rumah sakit. Soal OpenStax menyebut arus sekecil 20,0 μA yang langsung mengenai jantung saat operasi dapat memicu fibrilasi ventrikel; dengan hambatan jantung 300 Ω, tegangannya $V = 20{,}0 \times 10^{-6} \times 300 = 6{,}00 \times 10^{-3}$ V atau 6,00 mV. Arus 0,020 mA itu $1/0{,}020 = 50$ kali lebih kecil daripada ambang terasa 1 mA, sehingga kebocoran yang tidak terasa di kulit tetap penting bagi peralatan yang tersambung ke pasien; persyaratannya mengikuti manual pabrik dan aturan fasilitas kesehatan.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang berwenang bila:

1. Seseorang tersengat dan masih menempel pada sumber: jangan menyentuhnya, putuskan suplai, panggil bantuan, dan ikuti pertolongan pertama di Bab 75 · Kelistrikan & Kendali.
2. Korban sengatan tampak pulih: penilaiannya tetap diserahkan kepada tenaga kesehatan, kejadiannya dilaporkan, dan mesinnya diisolasi.
3. Ada yang merasa kesemutan atau tersentak saat menyentuh rangka mesin, keran, atau rel: hentikan pemakaian alat, beri tanda, dan laporkan ke teknisi listrik berkompeten sesuai Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman.
4. Rekan mendadak bingung, sulit bicara, lemah di satu sisi tubuh, atau pingsan, termasuk sesudah jatuh atau terbentur: hentikan pekerjaan dan panggil layanan darurat; jangan menebak penyebabnya.
5. Pekerjaan menuntut reaksi cepat (mesin berputar, kendaraan, bagian bertegangan) sementara pekerja sangat mengantuk, di bawah pengaruh alkohol, atau baru minum obat yang membuat kantuk: ganti orang, seperti dibahas di Bab 34 tentang kelelahan kerja shift.
6. Ada usulan melepas pengaman mesin karena "operator bisa refleks", atau usulan "mengetes setrum" dengan tangan: tolak dan laporkan.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 · Kelistrikan & Kendali memberi hukum Ohm untuk menghitung arus tubuh, Bab 75 · Kelistrikan & Kendali merinci zona efek arus dan pertolongan pertama, dan Bab 21 · Kelistrikan & Kendali serta Bab 22 · Kelistrikan & Kendali menjelaskan proteksi kejut listrik dan RCD yang mencegah arus mengalir cukup lama untuk melukai. Bab 76 · Kelistrikan & Kendali mengatur kerja aman listrik, dan Bab 28 · Laundry menerapkan waktu reaksi pada pengaman setrika gulung. Bab 34 memakai hipotalamus, talamus, dan formasio retikularis untuk menjelaskan tidur dan kerja malam, dan Bab 35 membahas kesadaran.

Latihan dan pembahasan

Referensi