Perkembangan Otak

Perkembangan Otak

A. Pertumbuhan Dan diferensiasi otak hewan vertebrata
Pada manusia, system saraf mulai terbenrtuk ketika embrio masih berumur 2 minggu. Permukaan dorsal melebar, kemudian dinding tipis yang panjang tumbuh melengkung dan melebur sehingga membentuk tabung neuron yang mengelilingin rongga berisi cairan. Seiring dengan masuknya tabung neuron ke dalam kulit, bagian ujjung depan tabung membesar dan berdefrensiasi menjadi otak bagian belakang, tengah, dan depan, sisanya menjadi sumsum tulang belakang. Rerata berat otak manusia ketika baru dilahirkan adalah 350 gram. Ketika berumur mencapai 1 tahun, berat otak menjadi 1000 gram mendekati masa dewasa beratnya menjadi 1200 hingga 1400 gram.

1. Pertumbuhan dan Perkembangan Akson
Ini adalah bagian yang tidak dapat dipisahkan dari perkembangan system saraf. Ilmuwan neurosains membagi tahap perkembngan neuron menjadi 5 tahap, yaitu: proliferasi, migrasi, diferensiasi, nielinasi, dan sinaptogenesis.
Proliferasi adalah pembentukan neuron yang baru. Pada seluruh hewan vertebrata proses perkembangan yang terjadi kurang lebih sama dan hanya berbeda dalam 2 faktor, yaitu: berapa hari lamanya tahap proliferasi berlangsung dan jumlah neuron yang dibentuk perhari. Setelah sel-sel berdiferensiasi menjadi neuron dan glia, sel-sel tersebut melakukan migrasi (bergerak) menuju lokasi akhirnya di dalam otak. Tiap sel tersebut harus bermigrasi dalam jarak yang cukup jauh dengan mengikuti jalur kimiawi yang spesifik untuk mencapai lokasi akhirnya. Sebagian sel bergerak radial dari bagian dalam otak menuju bagian luar, sebagian bergerak melingkar pada permukaan otak, dan sebagian lagi melingkar laluber gerak radial. Zat kimia dari family immunoglobulin dan kemokines adalah zat kimia yang memandu perpindahan neuron. Apabila terjadi deficit, dapat menyebabkan terganggunya proses migrasi, penurunan ukuran otak, pertumbuhan pertumbuhan akson, dan keterbelakangan mental. Di sisi lain jika berlebihan akan dikaitkan dengan beberapa kasus skizofrenia.
Neuron melakukan diferensiasi secara bertahap, membentuk akson dan dendrite yang merupakan cirri khusus neuron. Akson tumbuh lebih dulu, terkadang saat neuron sedang berpindah. Pada kasus-kasus tersebut neuron berpindah sambil menarik aksonnya yang sedang bertumbuh, seperti buntut yang ditarik kesana kemari. Pada kasus yang berbeda, pertumbuhan akson harus mengarah ketargetnya, sehingga aksin tersebut mencari jalan dengan menembus rangkaian sel dan serat yang menghutan. Setelah akson mencapai target, maka dendrit mulai terbentuk yang lambat pada awalnya.
Tahap mielinasi tahap lanjutan yang lebih lambat. Mielinasi adalah proses dimana glia menghasilkan materi lemak insulasi yang mengakselerasi transmisi impuls pada sejumlah besar akson hewan vertebrata. Mielin pertama kali dibentuk di sumsum tulan belakang, kemudian otak bagian belakang, bagian tengah, dan bagian belakang. Tahap ini akan berlangsung terus menerus selama berpuluh-puluh tahun.
Sinaptogenesis, tahap ini berlanjut seumur hidup kita. Neuron terus membentuk sinapsis baru dan menyingkirkan sinapsis lama.

2. Neuron Baru di Masa Depan
Pendapat tradisonal yang mulai berkembang dari masa studi Cajal di akhir tahun 1800-an menyatakan bahwa otak hewan vertebrata telah menghasilkan seluruh neuron dalam masa perkembangan embrionik atau paling lambat sebelum masa batita. Setelah masa tersebut otak hanya dapat kehilangan neuron dan tidak ada penambahan neuron baru. Tetapi secara bertahap peneliti menemukan beberapa pengecualian.
Pengecualian pertama adalah receptor olfaktori. Reseptor tersebut terpapar ke dunia luar dan zat kimia racun yang ada, biasanya hanya dapat bertahan selama sebulan atau dua bulan. Neuron-neuron tertentu yang hidup di dalam hidung tetap dalam tahap belum berkembang sepanjang hidup kita. Secara berkala neuron tersebut membelah. Satu neuron hasil pembelahan akan tetap tidak berkembang, satu neuron lagi berkembang dan menggantikan reseptor olfaktori yang rusak. Neuron yang baru ini akan menumbuhkan aksonnya menuju lokasi yang tepat di otak.
Penelitian lanjutan juga menemukan adanya sel-sel di dalam otak yang tidak berkembang, disebut dengan sel induk. Terkadang sel induk menghasilkan sel baru yang akan berpindah ke bulbus olfaktori dan bertransformasi menjadi glia atau neuron.
Masih ada penelitian lanjutan lain dimana peneliti menemukan bukti pembentukan neuron baru di bagian otak yang berbeda. Neuron tua akan mati dan digantikan dengan yang baru. Pada bagian hipokampus mamalia, sel induk juga dapat berdiferensiasi menjadi neuron baru. Neuron pada hipokampus yang baru terbentuk melewati sebuah periode aktif pembentukan dan perubahan sinapsis, jadi neuron tersebut mungkin menjadi kontributor penting pada proses pembelajaran baru. Pembentukan neuron baru pada manusia dan primata lain pada masa dewasa masih menjadi hal yang kontroversial.
Pembentukan neuron baru pada mamalia dewasa sepertinya hanya terjadi pada neuron olfaktori dan hipokampus. Karena sel induk dapat ditemukan pada bagian lain, masalahnya adalah hampir di setiap bagian otak yang telah berkembang sempurna, neuron telah diselimuti oleh sinapsis sehingga neuron yang baru tidak memilki ruang untuk membentu sinapsis baru.

B. Pencarian Jejak Melalui Akson
1. Pencarian jejak kimiawi melalui akson
Paul Weiss (1924) adalah seorang biolog terkenal. Dia melakukan sebuah penelitian dengan mencangkok kaki tambahan pada seekor salamander dan menunggu ada akson yang tumbuh masuk ke dalamnya. Setelah akson tumbuh dalam kaki cangkokan kaki tersebut bergerak seirama dengan kaki yang ada di sebelahnya. Weiss menolak ide bahwa tiap akson mengembangkan satu cabang yang mengarah ke otot penggerak anggota badan tambahan. Dia justru mengajukan ide bahwa saraf melekat pada otot pada posisi acak dan melepaskan beragam pesan, dan tiap pesan sesuai untuk otot yang berbeda.
a. Kespesifikan hubungan akson
Weiss membuat kesalahan. Bukti lanjutan yang ditemukan ternyata mendukung intrepretasi yang sebelumnya ia tolak. Kaki tambahan pada salamander dapat bererak seirama dengan kaki di sebelahnya karena tiap akson menemukan otot yang tepat.
Pada studi yang dilakukan Roger Sperry (mantan murid Weiss), ia memotong saraf optik beberapa salamander. Saraf optik yang dirusak tumbuh kembali dan bersambung dengan tektum, yang merupakan area visual utama pada ikan, amfibi, reptil, dan burung.
Ketika sinapsis baru sudah terbentuk, penglihatan salamander tersebut kembali normal.
Sperry (1934) kembali mengulang percobaannya. Namun kali ini selain memotong saraf optik, ia juga memutar bola mata salamander sejauh 1800. Sperry menemukan fakta bahwa akson yang berasal dari sisi dorsal retina tumbuh kembali ke area ventral retina. Salamander tesebut melihat dunia jungkir balik dan bertukaran sisi.
b. Gradien kimia
Menurut perkiraan terbaru, manusia hanya memiliki jumlah gen total sekitar 30.000, jumlah yang terlalu sedikit untuk menghasilkan penanda bagi miliaran neuron. Walaupun demikian hampur semua akson tumbuh ke hampir semua target yang tepat. Tanpa adanya sistem penanda inividual yang ekstensif, neuron masih tetap dapat menemukan targetnya. Beberapa akson mengikuti jejak yang ditinggalkan oleh satu zat kimia yang menimbulkan ketertarikan hibgga akson mencapai lokasi tengah di mana akson akan menjadi tak sensitif terhadap zat kimia tersebut dan mulai tertarik atraktan lain. Pada akhirnya akson mengatur dirinya sendiri pada permukaan area target mereka sesuai dengan gradien kimia.

2. Kompetisi Antar-akson: Sebuah Prinsip Umum
Awalnya, akson membentuk hubungan “percobaan” dengan banya neuron post sinaptik, neuron tersebut akan memperkuat sebagian sinapsis dan mengeliminasi lainnya. Bahkan, proses penyesuian tersebut tergantung dari pola input akson yang berusaha membangun hubungan. Bagi beberapa ahli teori tersebut memperlihatkan sebuah prinsip umum yang disebut darwinisme neuron.
Prinsip kompetisi antar-akson adalah hal yang penting, dan analogi dengan evolusi darwinisme harus digunakan dengan hati-hati.

C. Penentu Kesintasan Neuron
Mendapatkan jumlah neuron yang sesuai untuk tiap area pada sistem saraf merupakan hal yang sulit. Agar neuron menjadi bermanfaat, neuron harus menerima akson dari sumber yang tepat, kemudian menumbuhkannya ke sebuah sel pada area yang tepat. Pada area tersebut tidak berkembang dalam waktu yang sama. Jika kita memeriksa sistem saraf orang dewasa yang sehat kita tidak akan menemukan neuron sisa.
Di masa lalu, satu penjelasannya adalah otot mengirimkan pesan kimiawi kepada ganglion simpatetik, pesan tersebut berisi jumlah akson yang harus dibentuk oleh ganglion simpatetik.

Levy-montalchini menemukan fakta bahwa otot tidak menentukan berapa banyak akson yang dibentuk, tetapi otot menentukan berapa banyak akson yang sintas. Apabila salah satu neuron membentuk sinapsis ke sebuah otot, maka otot tersebut akan mengeluarkan sebuah protein yang diberi nama faktor pertumbuhan saraf (NGF) yang memicu kesintasan dan pertumbuhan akson. Akson yang tidak mendapatkan NGF akan berdegenerasi dan badan selnya mati. Jika akson sebuah neuron dalam umur tertentu tidak dapat membuat hubungan dengan sel post sinaptik, maka neuron akan bunuh diri melalui proses apoptosis, sebuah mekanisme kematian sela yang terpogram. NGF akan membatalkan program apoptosis, hal tersebut adalah cara penyampaian pesan sel post sinaptik kepada akson yang tumbuh ke arahnya, pesan tersebut kira-kira berbunyi “Aku akan menjadi pasanganmu,jangan bunuh diri”.
NGF adalah neurotrofin, yaitu senyawa yang menyokong kesintasan dan aktivitas neuron. Selain NGF sistem saraf juga merespon brain-derived neurotropic factor (BDNF) dan beberapa neurotrofin lain. BDNF adalah neurotrofin yang paling banyak ditemukan pada korteks cerebrum mamalia dewasa. Agar neuron yang belum berkembang sempurna dapat terhindar dari apoptosis dan sintas, maka neuron tersebut perlu mendapatkan neurotrofin bukan hanya dari sel target, tetapi juga dari akson yang tumbuh ke arahnya yang mengantarkan stimulus. Ketika neuron melepaskan neurotransmiter mereka juga melepaskan neurotrofin, apabila neuro tidak dapat melepaskan neurotransmitter makan mereka juga tidak melepaskan neurotrofin, sehingga sel target neuro tersebut akan mati. Hilangnya sel-sel tersebut bukanlah pertanda gangguan apapun, melainkan sebuah tahap alami dalam perkembangan. Bahkan hilangnya sel pada area otak tertentu menjadi indikator perkembangan da pendewasaan. Setelah proses pendewasaan neuron, mekanisme apoptosis menjadi dorman, kecuali pada kondisi traumatis seperti struk.

D. Rentannya Otak yang Sedang Berkembang
Menurut Lewis Wallper, apabila Anda mengalami gangguan pada tahap awal perkembangan, maka masalah akan muncul sejak saat itu. Tahap awal perkembangan adalah masa yang kritis terutama pada perkembangan otak. Otak yang sedang berkembang sangat rentan terhadap mal nutrisi, zat kimia, racun, dan infeksi karena semua hal itu menyebabkan gangguan ringan pada masa dewasa. Pada orang dewasa, demam hanya merupakan gangguan ringan, tapi pada janin dapat merusak tahap perbanyakan neuron. Pada orang dewasa, gula darah rendah hanya meyebabkan turunnya semangat, tetapi apabila terjadi pada saat janin dilahirkan akan menyebabkan kerusakan serius pada perkembangan otak. Otak janin sangat rentan terhadap alkohol. Ibu hamil yang mengkonsumsi alkohol akan melahirkan anak dengan sindrom alkohol pada janin (vetal alcohol syndrome), yaitu sebuah kondisi yang ditandai dengan sikap hiperaktif, impulsif, kesulitan mempertahankan perhatian, berbagai tingkat keterbelakangan mental, masalah dengan pergerakan, kelainan jantung, dan kelainan wajah. Akibat lain adalah terdapat banyak dendrit yang pendek dan cabangnya sedikit.
Anak yang menderita sindrom ini apabila dewasa akan berisiko tinggi menjadi pecandu alkohol, obat-obatan, depresi, dan gangguan jiwa lainnya.
Mekanisme sindrom alkohol pada janin mungkin berkaitan dengan apoptois. Untuk mencegah apoptosis neuron perlu mendapatkan neurotrofin bukan hanya dari sel target, tetapi juga dari akson yang tumbuh ke arahnya. Alkohol menurangi pelepasan glutamat yang merupakan neurotransmiter eksitator utama otak dan meningkatkan pelepasan GABA yang merupakan neurotransmiter inhibitor terutama otak.
Ibu hamil yang mnggunakan kokain akan melahirkan anak dengan kemampuan bahasa di bawah normal, penurunan nilai IQ, dan gangguan pendengaran.
Ibu hamil yang perokok akan melahirkan anak yang memiliki beberapa kecenderungan.
 Ketika dilahirkan berat badannya rendah dan menderita banyak penyakit.
 Sindrom kematian bayi mendadak
 Gangguan perilaku kurangnya perhatian hiperaktif.
 Kerusakan sistem imunitas.
 Kenakalan dan tindak kriminal.


E. Penyesuaian Melalui Pengalaman

1. Pengalaman dan percabangan dendrit
Beberapa dekade lalu peneliti mengakui bahwa neuron tidak berubah bentuk. Sekarang kita mengetahui bahwa akson dan dendrit berubah bentuk sepanjang hidup kita. Dale Curves dan RD Halley telah mengembangkan suatu metode penyuntikan warna yang memungkinkan kita untuk mengamati struktur neuron hidup dalam waktu, hari, atau minggu yang berbeda. Mereka memperlihatkan bahwa dalam waktu yang berbeda ada percabangan dendrit yang bertambah panjang dan ada pula yang bertambah pendek atau hilang. Penelitian lanjutan mengungkapkan bahwa ketika dendrit menumbuhkan spina baru, beberapa spina hanya bertahan beberapa hari, dan sebagian lain bertahan lebih lama, mungkin seumur hidup. Ini berarti juga terjadu penambahan ataupun pengurangan sinapsis dan hal tersebut berkaitan dengan proses pengurangan informasi potensial. Pengalaman akan mengendalikan jumlah dan tipe perubahan yang terjadi pada neuron.
Penambahan ukuran neuron yang terukur juga telah diperlihatkan pada manusia sebagai akibat dari aktivitas fisik, seperti pada satu kasus berupa latihan juggling bola harian.
2. Pengaruh pengalaman khusus
Struktur dan fungsi detil otak dapat dimodifikasi melalui pengalaman.

3. Adaptasi otak pada individu yang buta sejak bayi
Salah satu cara untuk engajukan pernyataan ini adalah dengan merenungkan apa yang terjadi pada otak jika salah satu sistem sensorik hampir hilang atau tidak ada sama sekali. Kehilangan satu indra tidak mempengaruhi reseptor organ indra lain. Tetapi, kehilangan satu indra akan menignkatkan perhatian pada indra lain dan setelah ertahun-tahun perhatian tersebut teralihkan, maka otak akan memperlihatkan adaptasi yang terukur sehingga dapat merefleksikan dan meningkatkan perubahan perhatian yan terjadi. Singkatnya, individu buta memanfaatkan korteks oksipital mereka untuk mengenali apa yang mereka sentuh, sementara individu normal tidak melakukan hal tersebut. Satu kesimpulan yang dapat ditarik adalah bahwa informasi sentuhan telah menginvasi korteks oksipital. Kesimpulan lain yang lebih luas sifatnya adalah bahwa area otak memodofikasi fungsinya berdasarkan jenis stimulus yang diterima.
Orang buta secara rata-rata mengungguli orang normal dalam banyak keterampilan verbal. Jadi korteks oksipital pada orang buta selain berperan dalam stimulus sentuhan juga berperan dalam kemampuan verbal tertentu.

4. Pengaruh latihan yang diperpanjang
Psikolog kognitif telah menemukan fakta bahwa latihan rutin keterampilan tertentu, seperti bermain catur atau mengerjakan teka-teki silang, membuat seseorang lebih mahir terhadap keterampilan tersebut, tetapi bukan keterampilan lain. Pengembangan keahlian mungkin mengubah otak sedemikian rupa sehingga meningkatkan kemampuan yang dibutuhkan untuk keterampilan tersebut. Salah satu studi menggunakan magnetoensefalograf (MEG) untuk merekam respon korteks auditori terhadap nada murni. Kekuatan respon dari kelompok musisi profesional hampir dua kali lipat kelompok bukan musisi. Pemeriksaan menggunakan MRI terhadap kedua otak kelompok tersebut mengungkapakan bahwa salah sati area pada korteks area temporal kelompok musisi profesional 30% lebih besar.

5. Apabila pengorganisasian ulang otak bermasalah
Umumnya perluasan bagian korteks yang mencerminkan kemampuan pribadi akan menguntungkan. Walaupun begitu pengorganisasian ulang otak pada kasus-kasus ekstrem justru menimbulkan masalah. Pada sebagian kasus proses pembesaran otak tidak terjadi. Hal tersebut terjadi karena stimulasi pada satu jari akan mengeksitasi sebagian besar atau seluruh area korteks yang sama seperti pada stimulasi pada jari lain. Akibatnya individu tersebut akan kesulitan membedakan jari-jarinya, seseoran yang tidak dapat membedakan jari-jarinya akan kesulitan mengendalikan jari-jari tersebut secara terpisah. Kodisi seperti ini disebut dengan kram musisi (musision cram) atau nama formalnya adalah vocal hand dystonia. Kondisi tersebut menyebabkan jari-jari menjadi ceroboh, mudah lelah, dan bergerak di luar kehendak sehingga mengganggu kegiatan. Seseorang yang menghabiskan waktu seharian menulis juga dapat menderita yang sama dan disebut kram penulis (writer cram). Pada awalnya dokter menduga bahwa kram penulis dan musisi adalah gangguan pada tangan tetapi penelitian lebih lanjut mengungkapkan bahwa penyebab kondisi tersebut adalah reorganisasi talamus dan korteks sensorik yang meluas sehingga respon sentuhan pada satu jati akan tumpang tindih dengan respon pada jarinya lainnya.