Merangsang Gerak Otot Memakai Cahaya

Merangsang Gerak Otot Memakai Cahaya

Selasa, 28 September 2010 – Para peneliti mampu menggunakan cahaya untuk menginduksi kontraksi otot, dalam studi tikus yang permukaan syarafnya dilapisi protein sensitif cahaya.


Pendekatan terbaru ini memungkinkan para ilmuan lebih teliti dalam menghasilkan ordo penembakan (firing) otot, membuatnya menjadi alat penelitian yang berharga. Para peyelidik dari Sekolah Medis dan Teknik Stanford juga percaya teknik ini dapat suatu saat memiliki banyak aplikasi praktis, dari mengembalikan gerakan tangan/kaki yang lumpuh karena stroke atau cedera tulang belakang atau otak hingga melawan kejang-kejang akibat cerebral palsy.

Studi ini akan diterbitkan online tanggal 26 september dalam jurnal ilmiah Nature Medicine. Ia menggunakan teknologi optogenetika, yang melibatkan pemasukan sebuah gen khusus yang diambil dari ganggang ke genom hewan percobaan. Gen ini menyandikan protein sensitif cahaya yang mengambil posisinya sendiri di permukaan sel syaraf. Panjang gelombang cahaya tertentu dapat memicu aktivitas syaraf pada hewan yang ditanam protein ini, memodifikasi pola penembakan sel syaraf semau ilmuan.

Optogenetika

“Fokus kelompok kami adalah mengembalikan gerakan optimal orang yang mengalami cacat gerakan,” kata salah satu dari dua penulis senior, Scott Delp, PhD, profesor teknik biologi di Sekolah Teknik. “Dengan rangsangan optik, kami mampu mereproduksi urutan penembakan alamiah serabut syaraf motorik – langkah maju yang penting.”

Optogenetika ditemukan di Stanford lewat penelitian penulis senior lainnya, Karl Deisseroth, MD, PhD, profesor teknik biologi, psikologi dan ilmu perilaku, yang telah menggunakan optogenetika dalam banyak percobaan untuk penelitian sistem syaraf pusat hewan yang bergerak bebas. “Ini menandai pertama kalinya teknik ini diterapkan pada sistem syaraf periferal mamalia,” kata Deisseroth.

Sistem syaraf periferal memuat serabut syaraf panjang yang  keluar dari syaraf tulang belakang menuju syaraf otot rangka, menghasilkan gerakan sadar. Otot rangka bekerja bersama-sama sebagai apa yang disebut fisiolog sebagai satuan motorik, masing-masing terdiri dari satu serabut syaraf tunggal ditambah serabut otot yang diaktifkannya. Pada banyak titik sepanjang syaraf motorik, serabut individual keluar dari syaraf untuk melakukan kontak dengan sejumlah serabut otot rangka.

Satuan motorik muncul dalam berbagai ukuran. Yang kecil memiliki serabut syaraf tipis tunggal yang mengaktifkan beberapa serabut otot, sementara serabut syaraf yang lebih tebal di satuan motorik besar dapat mengaktifkan beberapa ribu sekaligus. Secara normal, saat gerakan dimulai, perlu rangsangan yang lebih kuat untuk “menembak” serabut syaraf tebal daripada yang tipis. Jadi, serabut otot yang lebih kecil (serabut otot kedutan lambat) mulai berkontraksi sebelum serabut besar yang berkedut cepat.

Serabut kedutan cepat penting bagi gerakan atletik yang kuat seperti berlari, namun cepat lelah karena mereka menggunakan bahan bakar glikogen yang persediaannya terbatas. Bagian kedutan lambatnya, yang mengkonsumsi bahan bakar lebih hemat, penting untuk gerakan lembut seperti yang terlibat dalam gerakan mengayun atau menarik, dan juga untuk gerakan yang lebih kuat. Aktivitas yang bertopang pada serabut kecil berkedut lambat dapat berlangsung dalam waktu lama, sementara serabut berkedut cepat yang besar tapi lebih mudah lelah hanya efektif untuk letupan aktivitas berkekuatan tinggi yang singkat.

Usaha sebelumnya untuk memperbaiki fungsi motorik yang hilang menggunakan barisan impuls listrik terprogram yang dikirmkan lewat manset yang diletakkan di sekitar sebuah syaraf, telah memungkinkan orang yang lumpuh bisa berjalan, walaupun hanya beberapa menit. Sayangnya, serabut syaraf besar lebih responsif daripada yang kecil dalam rangsangan listrik, sehingga otot berkontraksi dalam urutan yang salah – serabut besar yang cepat berkedut yang pertama, lalu serabut kecil yang lambat berkedut selanjutnya; akibatnya gerakan menjadi mendadak dan segera disusul dengan kelelahan.

Dalam penelitian Nature Medicine, penulis utama Michael Llewellyn, PhD, dari laboratorium Delp, merancang “manset optik” yang dibariskan dengan dioda pemancar cahaya yang kecil dan mengarah kedalam, yang dapat diletakkan di sekitar syaraf hewan skiatik yang direkayasa secara biologis. Cahaya biru yang dipancarkan LED pada intensitas yang cukup tinggi untuk menusuk ke dalam syaraf, memastikan semua serabut syaraf penyusunnya mendapatkan rangsangan yang cukup dari impuls cahaya singkat LED. Para penyelidik kemudian menunjukkan kalau rangsangan optik menghasilkan urutan serabut otot yang benar, dan menginduksi kontraksi yang sama dengan yang terjadi dalam kondisi normal.

Selanjutnya, menggunakan berbagai ukuran, para peneliti membandingkan kontraksi otot yang diinduksi secara optik dengan yang diinduksi oleh manset listrik. Serabut otot berkedut lambat yang kecil diaktifkan pada tingkat terendah rangsangan optik. Namun lewat rangsangan listrik, serabut besar yang pertama kali terpicu. Selain itu, kontraksi yang dipicu secara optik bertahan jauh lebih lama daripada yang dihasilkan oleh rangsangan listrik.

“Dengan rangsangan optik, otot bertahan sekitar sepertiga gaya maksimum awalnya setelah 20 menit, dan tetap pada kondisi ini cukup lama kemudian,” kata Llewellyn, yang kini menyelesaikan penelitian disertasinya di Stanford. “Rangsangan listrik sepenuhnya menghabiskan kekuatan otot yang sama dalam empat menit.” Konsisten dengan hal ini, rangsangan optik memicu kontraksi jauh lebih mudah pada otot yang tersusun oleh serabut kedutan lambat daripada otot yang kaya dengan serabut kedutan cepat. Rangsangan listrik, sebaliknya, menginduksi kontraksi yang sama pada kedua tipe otot.

Pendekatan ini, sekarang, masih menjadi alat penelitian, kata Delp. Namun ia menjanjikan penerapan klinis dalam jangka panjang bila suatu cara dapat ditemukan untuk memberikan gen penyandi protein permukaan sel syaraf sensitif cahaya pada manusia, katanya. Seperti halnya teknik yang sekarang menggunakan manset listrik untuk membuat orang lumpuh mampu berjalan dalam beberapa menit, manset optik dapat dimasukkan lewat pembedahan mikro di tempat yang pantas sepanjang buntalan syaraf motorik, sehingga algoritma komputer yang dikendalikan impuls cahaya dapat menginduksi penembakan pada berbagai serabut pada berbagai waktu, meniru fisiologi alami.

Delp dan Deisseroth melakukan penelitian yang sama dengan protein yang berbeda, protein yang merespon cahaya, bukan untuk memicu syaraf namun justru menghambatnya, dengan harapan suatu saat mampu mengendalikan kekejangan, seperti yang terjadi pada penderita cerebral palsy.

Peneliti lain dalam studi ini adalah Kimberly Thomson, PhD, seorang peneliti pasca doktoral di laboratorium Deisseroth. Studi ini mendapat dana dari Lembaga Kesehatan Nasional dan Bio-X, sebuah konsorsium lintas disiplin di Stanford.

Diterjemahkan dari sciencedaily

Referensi silang :

Michael E Llewellyn, Kimberly R Thompson, Karl Deisseroth & Scott L Delp. Orderly recruitment of motor units under optical control in vivo. Nature Medicine, 2010;

Nama                   : Rizky Vendi. S

Kelas                             : XI. IPA II

No.                       : 24

Nama                   : Rizky Vendi. S

Kelas                             : XI. IPA II

No.                       : 24

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s