Mata kuliah: BiopsikologiBab: Sel Saraf dan Potensial AksiSasaran: mahasiswa tingkat awal

Sel Saraf dan Potensial AksiBagaimana satu sel saraf menyalakan dan mengirim sinyal listriknya

Bab ini menelusuri satu neuron dari bentuknya, bagaimana ia menjaga muatan listrik saat diam, apa yang terjadi ketika muatan itu berubah cukup besar untuk memicu ledakan sinyal listrik singkat, dan bagaimana sinyal itu merambat di sepanjang akson menuju ujung sel.

Tujuan pembelajaran

Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa mampu:

  • menjelaskan struktur dasar neuron dan fungsi tiap bagiannya;
  • menjelaskan asal-usul potensial membran istirahat berdasarkan permeabilitas ion;
  • menjelaskan bagaimana potensial berjenjang mencapai ambang batas di akson hillock;
  • menguraikan fase-fase potensial aksi beserta perubahan konduktansi ion yang mendasarinya;
  • menjelaskan hukum all-or-none dan peran periode refrakter;
  • membandingkan konduksi impuls kontinu dan saltatori serta faktor yang memengaruhi kecepatannya.
Subbab1

Pengantar: Tujuan, Referensi, dan Disklaimer

Animasi utamaPeta konsep Sel Saraf dan Potensial Aksi
Interaksi pesertaMenjelajahi peta materi dan melakukan asesmen awal

Deskripsi

Neuron adalah unit dasar sistem saraf yang mengirim sinyal lewat perubahan listrik pada membrannya. Bab ini adalah fondasi bagi hampir seluruh biopsikologi: dari persepsi, gerakan, sampai suasana hati, semuanya bergantung pada bagaimana neuron menyala dan mengirim sinyal.

Peta konsep

Tekan salah satu kotak pada peta untuk melihat contoh dan subbab yang membahasnya.

Asesmen awal

Tingkat pemahaman pada tiap topik menentukan saran urutan belajar. Hasilnya tidak disimpan.

Pilih tingkat pemahaman pada setiap baris untuk melihat saran urutan belajar.

Referensi utama

  • James W. Kalat, Biological Psychology.
  • John P. J. Pinel dan Steven Barnes, Biopsychology.
  • Eric R. Kandel dkk., Principles of Neural Science.
  • Mark F. Bear, Barry W. Connors, dan Michael A. Paradiso, Neuroscience: Exploring the Brain, untuk pendalaman.

Edisi dan cakupan yang dipakai perlu dicantumkan oleh dosen sesuai kurikulum serta ketentuan yang berlaku.

Disklaimer akademik

Modul ini merupakan media pendamping pembelajaran dan tidak menggantikan buku teks, penjelasan dosen, maupun praktikum laboratorium. Animasi memakai model konduktansi yang disederhanakan, terinspirasi dari model Hodgkin-Huxley namun tidak menyelesaikan persamaan diferensial penuhnya, sehingga bentuk kurva benar secara kualitatif tetapi angka-angkanya bersifat ilustratif. Nilai potensial istirahat dihitung dengan persamaan Goldman-Hodgkin-Katz yang disederhanakan untuk dua ion (Na\u207A dan K\u207A), tanpa memasukkan Cl\u207B.

Pernyataan bantuan kecerdasan buatan

Modul dikembangkan oleh penulis dengan bantuan teknologi kecerdasan buatan dalam proses penyusunan, visualisasi, animasi, dan pengembangan interaktivitas. Penulis telah menelaah dan bertanggung jawab atas ketepatan isi, sumber rujukan, kesesuaian pembelajaran, serta produk akhirnya.

Subbab2

Struktur Neuron

Animasi utamaDiagram neuron interaktif
Interaksi pesertaMemilih bagian untuk melihat fungsinya

Neuron memiliki beberapa bagian utama yang bekerja sama menerima, mengolah, dan mengirim sinyal listrik. Tekan tiap bagian pada diagram atau tombolnya untuk membaca fungsinya.

Variasi bentukDiagram ini menyederhanakan neuron motorik sebagai contoh. Bentuk neuron sebenarnya sangat beragam: neuron sensorik, interneuron, dan neuron motorik memiliki susunan dendrit dan akson yang berbeda-beda.
Subbab3

Potensial Membran Istirahat

Animasi utamaMembran dengan saluran ion dan pompa Na\u207A-K\u207A
Interaksi pesertaMengubah permeabilitas relatif Na\u207A/K\u207A

Saat tidak ada sinyal yang sedang dikirim, bagian dalam neuron tetap lebih negatif daripada luarnya, sekitar −70 mV. Keadaan ini disebut potensial membran istirahat, dan muncul dari dua hal: konsentrasi ion yang berbeda di dalam dan luar sel (dijaga oleh pompa Na⁺-K⁺), dan membran yang jauh lebih permeabel terhadap K⁺ daripada Na⁺ saat istirahat.

Vm = 61,5 log10 PK[K⁺]luar + PNa[Na⁺]luarPK[K⁺]dalam + PNa[Na⁺]dalam mV

Persamaan di atas adalah bentuk dua-ion dari persamaan Goldman-Hodgkin-Katz. PK dan PNa adalah permeabilitas relatif membran terhadap tiap ion. Karena saat istirahat PK jauh lebih besar daripada PNa, potensial membran mendekati potensial kesetimbangan K⁺ (sekitar −90 mV), tetapi tidak sepenuhnya mencapainya karena sedikit kebocoran Na⁺.

Pompa Na\u207A-K\u207APompa ini secara aktif mengeluarkan 3 ion Na⁺ dan memasukkan 2 ion K⁺ setiap siklusnya, memakai energi ATP, menjaga agar gradien konsentrasi tidak luntur meski ada kebocoran ion melalui saluran.
Subbab4

Depolarisasi dan Ambang Batas

Animasi utamaPotensial berjenjang menuju ambang di akson hillock
Interaksi pesertaMengubah kekuatan stimulus

Sinyal masuk dari dendrit menghasilkan potensial berjenjang (graded potential): perubahan kecil pada voltase membran yang besarnya sebanding dengan kekuatan stimulus, dan meluruh seiring jarak serta waktu bila tidak diperkuat oleh sinyal lain. Bila jumlah potensial berjenjang yang tiba di akson hillock cukup besar untuk melewati ambang batas (biasanya sekitar −55 mV), akson hillock akan memicu potensial aksi.

Penjumlahan spasial dan temporalPotensial berjenjang dari beberapa sinapsis berbeda, penjumlahan spasial, atau dari sinapsis yang sama secara berturut-turut, penjumlahan temporal, bergabung mencapai ambang meski masing-masing sinyal sendirian tidak cukup kuat.
Subbab5

Fase-Fase Potensial Aksi

Animasi utamaGrafik voltase dan konduktansi Na\u207A/K\u207A terhadap waktu
Interaksi pesertaMemberi stimulus dan mengamati tiap fase

Begitu ambang batas terlampaui, serangkaian perubahan konduktansi ion yang cepat dan otomatis menghasilkan potensial aksi:

  • Depolarisasi cepat: saluran Na⁺ berpintu voltase terbuka, Na⁺ mengalir deras masuk, voltase melonjak naik bahkan sampai positif (overshoot, sekitar +40 mV).
  • Repolarisasi: saluran Na⁺ mulai tidak aktif (inaktivasi) sementara saluran K⁺ berpintu voltase terbuka lebih lambat, K⁺ mengalir keluar, voltase turun kembali.
  • Hiperpolarisasi sesaat (undershoot): saluran K⁺ menutup lebih lambat daripada munculnya, sehingga voltase sempat turun di bawah potensial istirahat sebelum kembali normal.
Model yang disederhanakanAnimasi memakai konduktansi gNa(t) dan gK(t) berbentuk fungsi alfa (naik cepat, turun bertahap) yang dipicu begitu ambang terlampaui, lalu voltase dihitung sebagai rata-rata berbobot potensial kesetimbangan tiap ion terhadap konduktansinya. Ini menangkap bentuk kualitatif kurva potensial aksi tanpa menyelesaikan empat persamaan diferensial model Hodgkin-Huxley yang sesungguhnya.
Konduktansi K\u207AKonduktansi Na\u207A
Subbab6

Hukum All-or-None dan Periode Refrakter

Animasi utamaRangkaian stimulus dengan amplitudo berbeda-beda
Interaksi pesertaMengubah kekuatan dan jarak antar-stimulus

Begitu ambang batas terlampaui, bentuk dan ukuran potensial aksi selalu sama, tidak peduli seberapa kuat stimulus yang memicunya melampaui ambang itu. Inilah hukum all-or-none: potensial aksi terjadi penuh atau tidak terjadi sama sekali, tidak ada potensial aksi "setengah besar". Informasi tentang kekuatan stimulus dikodekan lewat frekuensi potensial aksi (semakin kuat stimulus yang bertahan, semakin sering neuron menembak), bukan lewat besar amplitudonya.

Periode refrakter setelah satu potensial aksi membatasi seberapa cepat potensial aksi berikutnya dipicu:

  • Periode refrakter absolut: neuron sama sekali tidak memicu potensial aksi baru, seberapa pun kuat stimulusnya, karena saluran Na⁺ belum aktif kembali.
  • Periode refrakter relatif: potensial aksi baru terjadi dengan stimulus yang lebih kuat dari biasanya, karena sebagian membran berada dalam hiperpolarisasi.
Fungsi periode refrakterPeriode refrakter membatasi frekuensi maksimum penembakan neuron dan memastikan sinyal listrik merambat satu arah di sepanjang akson, karena bagian akson yang baru saja aktif untuk sesaat tidak dipicu ulang.
Subbab7

Konduksi Impuls: Kontinu vs Saltatori

Animasi utamaImpuls merambat pada akson bermielin vs tidak bermielin
Interaksi pesertaMengubah ada/tidaknya mielin dan diameter akson

Pada akson tanpa selubung mielin, potensial aksi harus dibangkitkan ulang di setiap titik sepanjang membran secara berurutan, disebut konduksi kontinu. Ini relatif lambat karena setiap titik membran harus melalui seluruh siklus buka-tutup saluran ionnya sendiri.

Pada akson bermielin, selubung mielin (dibentuk oleh sel Schwann di sistem saraf tepi atau oligodendrosit di sistem saraf pusat) membungkus akson dan menyekatnya secara listrik, kecuali pada celah kecil yang disebut nodus Ranvier. Potensial aksi baru dibangkitkan hanya di tiap nodus, sehingga sinyal listriknya seolah "meloncat" dari satu nodus ke nodus berikutnya, disebut konduksi saltatori. Ini jauh lebih cepat dan lebih hemat energi karena pompa ion hanya perlu bekerja di nodus, bukan di sepanjang akson.

Faktor kecepatanSelain mielinasi, diameter akson yang lebih besar juga mempercepat konduksi karena mengurangi resistansi internal terhadap aliran arus. Kedua faktor ini bekerja terpisah dan saling memperkuat bila hadir bersama.
Subbab8

Kesimpulan

Animasi utamaGaris waktu terpadu satu potensial aksi utuh
Interaksi pesertaKuis akhir dan refleksi

Ringkasan konsep

  • Neuron menjaga potensial istirahat sekitar −70 mV lewat perbedaan konsentrasi ion dan permeabilitas membran yang selektif.
  • Potensial berjenjang dari dendrit dijumlahkan di akson hillock; bila melewati ambang, potensial aksi dipicu.
  • Potensial aksi terjadi lewat pembukaan cepat saluran Na⁺ lalu saluran K⁺, menghasilkan lonjakan dan pemulihan voltase yang khas.
  • Potensial aksi mengikuti hukum all-or-none dan dibatasi oleh periode refrakter, yang menjamin sinyal merambat satu arah.
  • Mielin memungkinkan konduksi saltatori yang jauh lebih cepat dan hemat energi dibanding konduksi kontinu.

Garis waktu terpadu

Animasi berikut menggabungkan seluruh proses, dari potensial istirahat sampai kembali istirahat, dalam satu garis waktu.

Evaluasi akhir

Untuk soal numerik, isikan angka dengan koma atau titik desimal; toleransi jawaban 5%.

Refleksi

Mengapa hukum all-or-none dan periode refrakter menjadi syarat agar sistem saraf mengodekan informasi tentang kekuatan stimulus secara andal?

Jawaban disimpan di peramban ini bila penyimpanan tersedia.

Satu potensial aksi hanyalah beberapa milidetik pembukaan dan penutupan saluran ion, tetapi dari peristiwa singkat dan berulang inilah seluruh sistem saraf, dan pada akhirnya seluruh perilaku dan pengalaman mental yang dipelajari psikologi, dibangun.