Pengantar Sistem Saraf

Sistem saraf merupakan sekelompok sel yang terorganisir dengan spesialisasi untuk melakukan konduksi terhadap rangsangan elektrokimia dari reseptor sensorik melalui jaringan di mana respons tersebut diterima. Semua organisme hidup dapat mendeteksi perubahan dalam diri sendiri dan lingkungannya. Perubahan dalam lingkungan eksternal seperti cahaya, suhu, suara, gerakan, dan bau, sementara perubahan dalam lingkungan internal termasuk yang berada dalam organ internal. Setelah terdeteksi, perubahan internal dan eksternal ini akan dianalisis dan ditindaklanjuti agar mahluk hidup dapat terus bertahan hidup. Ketika kehidupan di bumi berevolusi dan lingkungan menjadi lebih kompleks, kelangsungan hidup organisme sangat bergantung pada seberapa baik organisme tersebut menanggapi perubahan di lingkungannya. Salah satu faktor yang diperlukan untuk dapat bertahan hidup yaitu reaksi atau respons yang cepat terhadap perubahan yang terjadi. Karena komunikasi dari satu sel ke sel lainnya yang terjadi cara kimia berlangsung lambat, maka suatu sistem berevolusi untuk memungkinkan reaksi berlangsung lebih cepat agar organisme mampu bertahan hidup lebih baik. Sistem itu adalah sistem saraf yang bekerja berdasarkan pada transmisi impuls listrik dari satu daerah tubuh ke yang lain di sepanjang sel-sel saraf khusus yang disebut dengan neuron.

Terdapat dua jenis Sistem saraf yang umum terdapat pada mahluk hidup yaitu sistem saraf difusi dan sistem saraf terpusat. Sistem saraf difusi banyak ditemukan pada invertebrata tingkat rendah, dimana tidak terdapat otak dan neuron yang terdistribusi diseluruh tubuh organisme. Sistem saraf terpusat, terdapat pada invertebrata tingkat tinggi dan vertebrata dimana sebagian besar dari sistem saraf memiliki peran dominan dalam mengoordinasikan informasi dan mengarahkan respons di seluruh tubuh. Sentralisasi ini mencapai puncaknya pada vertebrata, yang memiliki otak dan sumsum tulang belakang, yang berkembang dengan baik. Impuls dibawa dari serta ke otak dan sumsum tulang belakang oleh serat saraf yang membentuk sistem saraf perifer. Tulisan ini dimulai dengan menjelaskan tentang fitur umum dari sistem saraf yaitu, fungsi sistem saraf dalam merespons rangsangan dan proses elektrokimia yang digunakan sistem saraf dalam menghasilkan respons. Berikut itu adalah tulisan tentang berbagai jenis sistem saraf, dari yang paling sederhana hingga yang paling kompleks.

Jenis tanggapan paling sederhana yang terjadi pada sistem saraf adalah reaksi stimulus-respon. Perubahan lingkungan adalah stimulus sedangkan Reaksi organisme terhadap perubahan tersebut adalah responnya. Pada organisme bersel tunggal, respon adalah perubahan sifat cairan sel yang disebut iritabilitas. Dalam organisme dengan struktur tubuh yang sederhana, seperti ganggang, protozoa, dan jamur, respon dari organisme tersebut adalah bergerak ke arah menjauh dari stimulus. Respon ini disebut juga dengan taksis. Pada organisme dengan struktur tubuh yang lebih kompleks, respon melibatkan sinkronisasi dan integrasi berbagai proses di berbagai bagian tubuh dengan mekanisme kontrol yang terletak di antara stimulus dan respon. Dalam organisme multiseluler, mekanisme kontrol ini terdiri dari dua mekanisme regulasi dasar yang saling berintegrasi, yaitu regulasi kimia dan regulasi saraf.

Koordinasi Stimulus dan Respon Sebagai Pola Sederhana Sistem Saraf

Pada regulasi kimia, sistem saraf berkaitan dengan kinerja hormon yang diproduksi oleh sekelompok sel dan disebarkan atau dibawa oleh darah ke jaringan lain pada tubuh yang bertindak sebagai sel target yang dapat mempengaruhi proses metabolisme atau menginduksi sintesis zat lain pada sel tersebut. Perubahan yang dihasilkan dari aksi hormonal ini diekspresikan dalam organisme sebagai pengaruh, atau perubahan, bentuk, pertumbuhan, reproduksi, dan perilaku. Tumbuhan merespon berbagai rangsangan eksternal dengan memanfaatkan hormon sebagai mekanisme kontrol dalam sistem respon dan stimulus sistem saraf. Respon terarah dari gerakan tropisme pada tumbuhan bergerak positif ketika gerakan menuju stimulus dan bergerak negatif ketika bergerak jauh dari stimulus. Ketika biji tumbuhan berkecambah, bagian batang tumbuh bergerak ke arah cahaya, sedangkan akar bergerak menjauhi cahaya. Dengan demikian, batang menunjukkan gerakan fototropisme positif dan geotropisme negatif, sedangkan akar menunjukkan gerakan fototropisme negatif dan geotropisme positif. Berdasarkan contoh tersebut, cahaya dan gravitasi adalah rangsangan sedangkan arah pertumbuhan adalah respon tumbuhan terhadap rangsangan. Mekanisme kontrolnya adalah hormon yang disintesis oleh sel-sel di ujung batang dan akar tanaman. Hormon yang dikenal sebagai auksin, berdifusi melalui jaringan di ujung batang dan berkonsentrasi ke arah yang sisi yang tidak terpapar cahaya, sehingga menyebabkan ujung berbelok ke arah cahaya. Bagian atas batang tanaman selalu tumbuh searah dengan datangnya sinar matahari. Bagian batang yang tidak terkena sinar matahari (menghadap matahari) akan tumbuh, tetapi bagian batang yang terkena sinar matahari (menghadap matahari) tidak akan tumbuh. Bagian yang menghadap matahari tidak bertambah panjang, tetapi batang yang menjauhi cahaya bertambah panjang, menekuk batangnya dan mengarahkannya ke arah sinar matahari.

Gambar 1. Sistem saraf stimulis-respon

Pada hewan, selain regulasi kimia melalui sistem endokrin, ada sistem integratif lain yang disebut sistem saraf. Sistem saraf dapat didefinisikan sebagai sekelompok sel yang terorganisir, yang disebut neuron. Organisme yang memiliki sistem saraf mampu memiliki respon yang jauh lebih kompleks daripada organisme yang tidak memiliki sistem saraf. Sistem saraf, yang terspesialisasi untuk konduksi impuls, memungkinkan terjadinya respon cepat terhadap rangsangan lingkungan. Banyak respon yang dimediasi oleh sistem saraf, bertujuan untuk menjaga keseimbangan atau homeostasis ditubuh hewan. Stimulus yang bersifat merusak jaringan atau mengganggu keseimbangan tubuh hewan akan menghasilkan respon yang bertujuan untuk mengurangi atau meminimalisir kerusakan serta kembali ke kondisi normal. Organisme dengan sistem saraf juga mampu melakukan sekelompok fungsi pada berbagai pola perilaku. Hewan dapat memiliki perilaku eksploratif, membangun sarang, dan migrasi. Meskipun kegiatan ini bermanfaat bagi kelangsungan hidup spesies, kegiatan ini tidak selalu dilakukan oleh organisme sebagai individu sebagai respon terhadap kebutuhan atau stimulus individu, tetapi kebanyakan dilakukan atas kebutuhan dan kepentingan komunitas.

Sistem Intraseluler pada Organisme Seluler Sederhana

Semua sel hidup memiliki sifat iritabilitas atau responif terhadap rangsangan lingkungan. Rangsangan dapat mempengaruhi sel dengan cara yang berbeda, menghasilkan perubahan listrik, kimia, atau mekanis pada tingkat seluler. Perubahan ini merupakan respon, yang mungkin berupa pelepasan produk sekretori oleh sel kelenjar dan kontraksi sel otot. Respon sel tunggal terhadap lingkungan dapat diilustrasikan seperti perilaku Amoeba yang memiliki organisasi sel sederhana. Tidak seperti protozoa lainnya, Amoeba tidak memiliki struktur seluler berkembang yang berfungsi dalam penerimaan rangsangan dan produksi atau konduksi respon. Namun, Amoeba berperilaku seolah-olah memiliki sistem saraf, karena respon umum sitoplasma Amoeba menyerupai fungsi sistem saraf. Rangsangan yang dihasilkan oleh stimulus dikonduksikan ke bagian lain sel dan membangkitkan respon. Amoeba akan berpindah ke area dengan tingkat cahaya tertentu. Gerakan ini dipengaruhi oleh bahan kimia makanan dan menunjukkan respon pemberian makan. Amoeba juga akan menarik diri dari suatu area dengan bahan kimia berbahaya serta menunjukkan reaksi menghindar setelah terhubung dengan bahan kimia berbahaya tersebut.

Gambar 2. Sistem saraf sederhana pada organisme bersel satu Amoeba

Sistem Organel Pada Protozoa yang Lebih Kompleks

Pada protozoa yang lebih kompleks, struktur seluler termodifikasi khusus membentuk organel yang berfungsi sebagai reseptor stimulus dan sebagai respon efektor (Efektor adalah sel atau organ yang menghasilkan tanggapan terhadap rangsangan). Bulu sensorik pada Ciliata dan titik mata flagel yang peka terhadap cahaya termasuk reseptor pada protozoa yang lebih kompleks. Silia (tonjolan halus pada permukaan sel), flagela (silia memanjang seperti cambuk), dan organel lain yang terkait makanan atau penggerak merupakan efektor pada protozoa. Protozoa juga memiliki filamen sitoplasma subseluler mirip jaringan otot yang disebut dengan kontraktil. Kontraksi kuat dari protozoa Vorticella, merupakan hasil dari kontraksi struktur seperti benang yang disebut myoneme.

Meskipun protozoa telah memiliki reseptor dan efektor khusus, tetapi peneliti tidak yakin bahwa ada sistem konduktor khusus di antara keduanya. Pada Ciliata seperti paramecium, silia bergerak terdorong dan tertarik secara tidak acak, tetapi terkoordinasi dengan baik. Gerakan terdorongnya silia dimulai pada salah satu ujung dan bergerak secara gelombang secara teratur ke ujung lainnya, yang menunjukkan bahwa terdapat koordinasi khusus yang dilakukan secara longitudinal. Sistem serat kontraktil yang menghubungkan dan menyusun tubuh protozoa dapat menyediakan jalur konduksi sel saraf, tetapi koordinasi silia juga dapat terjadi tanpa sistem seperti tersebut. Setiap silia dapat merespon stimulus yang masuk ke sel dari silia yang berdekatan serta akan terkoordinasi melalui reaksi berantai dari silia ke silia.

Gambar 3. Gerakan siliata pada Paramecium merupakan respon terhadap perubahan pada lingkungannya

Fakta bahwa struktur protozoa bertanggung jawab dalam sistem koordinasi pada protozoa dapat diamati pada jenis Ciliata lainnya, Euplote, yang terspesialisasi membentuk pita berbaris (membranelle) dan juntai silia (cirri) yang terpisah secara luas. Dengan memanfaatkan struktur ini, Euplote mampu melakukan beberapa gerakan rumit selain berenang (misalnya berjalan pada benda tajam, bergerak ke belakang, dan berputar). Sebanyak lima cirri di bagian belakang organisme terhubung ke ujung anterior pada area yang dikenal sebagai Motorium. Serat motorium memberikan koordinasi antara cirri dan membranelle. Membranelle, cirri, dan motorium merupakan sistem neuromotor pada protozoa.

Gambar 4. Euplote dengan membranelle, cirri, dan motorium sebagai sistem neuromotor

Sistem Saraf pada Organisme Tingkat Tinggi

Pola dasar koordinasi stimulus-respons pada hewan adalah organisasi antara reseptor, adjustor (penghubung antara neuron sensorik dengan neuron motorik dari sistem saraf pusat), dan efektor. Stimulus eksternal diterima oleh sel yang berfungsi sebagai reseptor (neuron). Dalam beberapa kasus, reseptor merupakan sel epitel sensorik non-saraf, seperti sel rambut telinga bagian dalam atau sel perasa, yang merangsang neuron yang terdekat. Stimulus dimodifikasi, atau ditransduksi, menjadi impuls listrik pada reseptor neuron. Eksitasi  atau impuls aferen, kemudian melewati akson dari reseptor ke adjustor yang juga disebut interneuron. (Semua neuron mampu melakukan konduksi impuls. Impuls dapat ditransmisikan berkali-kali, tanpa kehilangan informasi yang dibawa, di sepanjang akson sampai pesan mencapai Neuron lainnya, yang pada gilirannya tereksitasi. Interneuron memilih, menafsirkan, atau memodifikasi input dari reseptor lalu mengirimkan impuls keluar ke neuron eferen, seperti neuron motorik. Neuron eferen, membuat kontak dengan efektor seperti otot atau kelenjar, yang menghasilkan respons.

Pada penjelasan yang lebih sederhana, unit reseptor-adjustor-efektor membentuk kelompok fungsional yang dikenal sebagai lengkung refleks. Sel-sel sensorik membawa impuls aferen ke interneuron sentral, yang membuat hubungan dengan neuron motorik. Neuron motorik membawa impuls eferen ke efektor, yang menghasilkan respon. Terdapat tiga jenis neuron terlibat dalam lengkung refleks, tetapi terdapat lengkung dua neuron, dimana reseptor melakukan kontak langsung dengan neuron motorik. Dalam lengkung dua neuron, terjadi refleks cepat sederhana, singkat, dan hanya melibatkan sebagian tubuh. Contoh refleks sederhana adalah kontraksi otot sebagai respon terhadap peregangan, kedipan mata ketika kornea terkena debu, dan keluarnya air liur saat melihat makanan. Refleks jenis ini biasanya terlibat dalam mempertahankan homeostasis.

Gambar 5. Jalur lengkung refleks dalam menghadapi stimulus

Perbedaan antara sistem saraf yang sederhana dan kompleks tidak hanya terletak pada unit dasarnya, tetapi juga dalam pengaturannya. Dalam sistem saraf yang lebih kompleks, terdapat lebih banyak interneuron yang terkonsentrasi dalam sistem saraf pusat (otak dan sumsum tulang belakang) yang memediasi impuls antara neuron aferen dan eferen. Impuls sensorik dari reseptor mengalir melalui jalur neuron ke sistem saraf pusat. Namun, dalam sistem saraf pusat, impuls dapat melalui beberapa jalur yang dibentuk oleh banyak neuron. Secara teoritis, impuls dapat didistribusikan ke salah satu neuron motorik eferen dan menghasilkan respon di salah satu efektor, sehingga memungkinkan dihasilkannya respon yang sama pada banyak jenis rangsangan.