Sinyal listrik dan magnet tubuh manusia (Sel Syaraf dan Sel Otot Jantung) Oleh Arif Yachya., S.Si., M.Si

Sinyal listrik dan magnet tubuh manusia (Sel Syaraf dan Sel Otot Jantung)

Oleh Arif Yachya., S.Si., M.Si

Program Studi Biologi Fak. Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Univ. PGRI Adi Buana Surabaya

Partikel sub atomik

Proton & elektron

Medan listrik & beda

potensial listrik (volt)

Pergerakan

partikel subatomik

Arus listrik

e-Apa yang menyebabkan

terjadinya arus listrik ?

• Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang

disebabkan dari pergerakan elektron-elektron,

mengalir melalui suatu titik dalam sirkuit listrik tiap

satuan waktu.

• Arus listrik dapat diukur dalam satuan

couloumb/detik atau Ampere

Listrik di alam

Petir

Di dalam tubuh

Makhluk Hidup

uA

Listrik tidak bisa dilihat, dicium, bau

Adanya beda potensial & Arus listrik tubuh baru diketahui setelah

ditemukannya Galvanometer

Sedangkan bentuk sinyal listrik dari neuron yang perambatannya

sangat cepat (milidetik) baru dapat direkam setelah ditemukannya

osiloskop (awal abad 20)

Awalnya , Orang menyadari keberadaan listrik pada M. hidup pada belut listrik

Arus Listrik atau sinyal-sinyal listrik di dalam tubuh begitu kecil  belum bisa dideteksi sampai 100 tahun setelah percobaan Galvani

Galvanometer adalah

alat pengukur kuat arus dan potensial lstrik

Ditemukan oleh Hans Christian

Dengan Osiloskop maka kita dapat mengetahui berapa frekuensi,

periode dan beda potensial dari sinyal listrik pada neuron.

Percobaan Biolistrik

 Penelitian Galvani (ahli fisika Italia)

 Tema penelitiannya efek listrik ke tubuh manusia

 Galvani  orang pertama yang mengemukakan

adanya hubungan listrik terhadap pergerakan

makhluk hidup.

Ketika kaki katak mati dialiri listrik terjadi gerakan mengejang pada

kaki seakan-akan hidup.

KOMPETENSI

Setelah mengikuti kegiatan perkuliahan diharapkan

mahasiswa mampu :

1. Menjelaskan proses timbulnya listrik dalam tubuh

2. Menyebutkan fungsi listrik bagi tubuh

3. Menjelaskan kelistrikan sel syaraf dan otot jantung

4. Menyebutkan manfaat listrik dalam dunia medis

5. Menjelaskan efek kejutan listrik pada tubuh

Darimanakah munculnya Biolistrik ?

• Biolistrik muncul dari perubahan potensial membran

• Perubahan Potensial membran timbul karena adanya aliran ion-ion

(kation & anion) keluar-masuk sel  maka timbul arus listrik

• cairan tubuh (ekstraselular) adalah konduktor yang baik, daya

hantarnyanya 100x lebih baik dari tembaga.

• Cairan extrasel mirip dengan air laut, tersusun atas anion (Cl

-

_{) dan}

kation (Na

+

_{). Sedangkan Cairan intrasel tersusun atas kation (K}

+

₎

dan anion Asam Amino (A

-

₎

• Daya hantar cairan di dalam & di luar sel adalah sama tetapi

komposisi kimianya berbeda

Fungsi Biolistrik

 Sebagai sinyal untuk Mengendalikan dan mengoperasikan saraf, otot,

dan berbagai organ

Jenis sinyal listrik tubuh

Semua organ mengeluarkan sinyal listrik, tetapi yang dominan ada 5

organ yang direkam sinyal listriknya :

1. Sinyal listrik jantung  elektrokardiogram (EKG)

2. Sinyal listrik otak  elektroenselogram (EEG)

3. Sinyal listrik otot  elektromiogram (EOG)

4. Sinyal listrik retina  elektroretinogram (ERG)

5. Sinyal otot mata  elektrookulogram (EOG)

Neuron  satuan struktur dasar dari sistem syaraf

Serat saraf (Neuron) ada 2 :

1. Saraf aferan  menyalurkan informasi sensorik/sinyal ke otak atau

korda spinalis

2. Saraf eferan  menyalurkan informasi/sinyal dari otak atau korda

spinalis ke otot, organ atau kelenjar yang sesuai

Penjalaran Listrik Pada Sel saraf

Penyaluran Sinyal (impuls) pada sel Saraf (Neuron)

• Penyaluran sinyal listrik pada neuron  penjalaran potensial aksi

• Neuron berfungsi  menerima, menterjemahkan dan menyalurkan pesan listrik • Awalnya badan sel menerima sinyal listrik dari neuron lainnya melalui

kontak-kontak yang disebut sinaps yang terletak di dendrit

• Dendrit  bagian badan sel yang berperan menerima informasi dari rangsangan atau dari sel lain

• Bila sinyal listrik kuat, maka sinyal listrik dari badan sel diteruskan ke akson • Dari akson sinyal listrik diteruskan ke neuron lainnya, otak, organ atau kelenjar

yang sesuai Saraf aferan Rangsangan Berupa : Kimiawi, listrik atau mekanik pergerakan ion Keluar—masuk membran

perubahan potensial listrik membran / potensial aksi

penjalaran potensial aksi di sepanjang akson

Otak atau sumsum tulang belakang Saraf eferan

Bagaimana Terbentuknya sinyal Listrik Pada Neuron ?



Setiap sel saraf menghasilkan sedikit ion negatif tepat di dalam sel dan

ion positif tepat diluar membran sel



Sel saraf menggunakan difusi pasif dan transportasi aktif untuk

mempertahankan distribusi ion melalui membran sel.

I. Neuron Pada kondisi istirahat / polarisasi (tidak ada impuls listrik)

Di luar membrane Bermuatan +

Di dalam membrane Bermuatan

-Membran sel menjadi pemisah antara cairan intra dengan ekstraselular.

Membran sel adalah insulator listrikyang baik, mengapa ?

 Pada Membran sel istirahat, konsentrasi ion Na+ di luar sel > di dalam sel, sehingga dalam sel lebih negatif dr pd di luar sel atau

 dikatakan telah terjadi pengutupan (bagian luar sel bermuatan positif & dalam sel bermuatan negatif). Kondisi ini disebut POLARISASI

 Potensial Didalam sel +60 sampai +90mV, diluar sel 0 mV, beda potensial= (0-60) sampai (0-90) = -60 sampai -90 mV.

 Konsentrasi ion pada sel istirahat

Ion Di dalam (mmol/L) Di luar (mmol/L) Na+ K+ Cl-Lainnya 15 150 9 156 145 5 120 30

II. Neuron mengalami stimulasi/Depolarisasi (ada impuls listrik)

• Saat neuron mendapatkan rangsangan (impuls)  Neuron

terstimulasi  pori-pori membran akan berubah dan ion-ion Na

+

akan masuk dari luar sel ke dalam sel  perubahan komposisi

ion karena adanya pergerakan ion  perubahan muatan,

Sehingga:

didalam sel akan menjadi kurang negatif ( lebih

positif) dr pd di luar sel  perubahan beda postensial yang

sangat besar di titik stimulasi, Keadaan ini disebut

DEPOLARISASI

 selanjutnya perubahan potensial membran /

potensial aksi diteruskan/menjalar sepanjang akson

• Perubahan beda potansial ini disebut potensial aksi

• Potensial aksi menjalar sepanjang akson (menjauhi badan sel) 

seperti pesan berantai untuk sampai ke otak



Rangsangan kuat

 mampu mendepolarisasi dari -90mV menjadi +50

mV

Bila diukur dengan listrik, minimal diperlukan perubahan 20 mV untuk

memicu potensial aksi

alifis@corner - alifis.wordpress.com Impuls

• Setelah

depolarisasi, saluran Na+ tertutup selama 1 mdetik sampai

membran tidak dapat dirangsang lagi.

• K+ di dalam sel difusi ke luar sel sehingga luar sel dalam jumlah

besar agar luar sel bermuatan +

• Selanjutnya terjadi transport aktif u/ mengembalikan sel ke kondisi

polarisasi melalui mekanisme pengaktifan pompa NA.

• Na+ dari dalam sel di pompa keluar sel dan sebaliknya ion K+

dipompa ke dalam sel, sehingga

• potensial membran

kembali seperti saat istirahat, kondisi ini disebut

REPOLARISASI

alifis@corner - alifis.wordpress.com

• Oleh karena mekanisme perubahan potensial berantai sepanjang akson, maka potensial aksi disebut juga denyut voltase

• Pada sebagian besar neuron potensial aksi berlangsung beberapa

milidetik, tetapi pada otot jantung berlangsung 150 – 300 milidetik, apakah yang mempengaruhinya ?

Jadi tahapan bangkitnya arus listrik

pada neuron adalah

1.Polarisasi

2.Depolarisasi

3.Repolarisasi

Pertanyaannya :

Pada saat membran neuron istirahat

(polarisasi) mengapa ion-ion (Na+_{, Cl} -_{& K}+₎

tersebut tidak

menyeimbangkan diri dengan difusi atau mengapa ion Na tidak bocor masuk ke akson dan sebaliknya ion K tidak bocor keluar dari akson ?

Penjalaran sinyal (potensial aksi) pada Akson

Akson

Bermeilin

Tak bermeilin

Meilin  lapisan insulasi dari lemak

• Nodus ranvier  celah-celah kecil diantara selubung meilin, yaitu akson yang tidak terbungkus meilin

• Sebagian besar saraf manusia bermeilin • Perambatan Potensial aksi pada neuron

bermeilin lebih cepat dibandingkan tidak bermeilin

Faktor yang mempengaruhi kecepatan penjalaran potensial aksi : 1. Resistensi listrik (R)  dibagian inti akson

2. Kapasitansi (C)  kemampuan menyimpan muatan pada kedua sisi membran

Semakin besar diameter akson, kecepatan penghantaran potensial aksi semakin cepat.

Semakin besar nilai kapasitansi (daya tampung membran terhadap muatan) suatu akson, maka semakin lambat kecepatan penghantaran potensial aksi ., karena semakin lama waktu yang diperlukan untuk depolarisasi

Diatasi dengan adanya selubung meilin, sebab kapasitansinya sangat rendah  potensial aksi menjalar sangat cepat, tetapi amplitudo potensial aksinya mengalami penurunan

Bagaimana menurunan amplitudo potensial aksi?

• Adanya nodus ranvier  maka kecepatan penghantaran

potensial aksi melambat, sehingga amplitudonya kembali naik

seperti semula. Mekanisme penghantaran potensial aksi

“cepat

– lambat” tersebut terus berlanjut sepanjang akson bermeilin

• SEHINGGA penghantaran potensial aksi tampak seperti

melompat dari satu nodus ranvier satu ke nodus ranvier lainnya

Perbandingan kecepatan penghantaran potensial aksi :

Organisme Diameter akson Ada/tidaknya meilin Kecpatan potensial aksi

Cumi-cumi 1 mm Tidak bermeilin 20 -50 m/detik

Manusia 10 um Bermeilin 100 m/detik

Tugas :

1.

Jelaskan secara biofisika apa yang terjadi ketika

tubuh kita tersengat listrik?

2.

Bagaimana cara merekam sinyal listrik otak (EEG) ?

3.

Apa manfaat perekaman sinyal listrik otak (EEG) ?

4.

Apa yang menstimulasi otot jantung

berkontraksi/berdenyut ?

5.

Apa manfaat merekam sinyal listrik jantung (EKG)

Bagian-bagian Jantung :

Jantung manusia memiliki 4 ruang 1. Bilik kanan (right ventricle)

2. Bilik kiri (left ventricle)

3. Serambi kanan (right atrium) 4. Serambi kiri (left etrium)

Katup –katup jantung :

1. Katup Trikuspidalis (katup

berdaun 3) : diantara SKa-Bka 2. Katup bikuspidalis /mitralis

(katup berdaun dua) : diantara Ski - Bki

Jantung

(bahasa Latin, cor) adalah sebuah rongga organ berotot yang

memompa darah melalui pembuluh darah dengan mekanisme kontraksi berirama yang berulang

Otot jantung

adalah jenis otot lurik tidak

sadar yang ditemukan di dinding jantung. Ada 2

macam :

a)

b)

Didalam otot jantung terdapat jaringan khusus yang menghantarkan aliran listrik. Jaringan tersebut mempunyai sifat-sifat yang khusus, yaitu sebagai berikut :

1. Otomatisasi : kemampuan untuk

menimbulkan impuls secara spontan. 2. Irama : pembentukan impuls yang

teratur.

3. Daya konduksi : kemampuan untuk menyalurkan impuls.

• Berbagai sel penghantar khusus memiliki kecepatan pembentukkan impuls spontan yang berlainan.

• Simpul SA memiliki kemampuan membentuk impuls/sinyal spontan tercepat. Impuls ini disebarkan ke seluruh jantung dan menjadi penentu irama dasar kerja jantung, sehingga pada keadaan normal, simpul SA bertindak sebagai picu jantung (pacemaker) yang mengeluarkan sinyal listrik sekitar 72

kali/menit

• Kecepatan pengeluaran sinyal SA tergantung (meningkat/menurun) saraf di luar jantung sebagai respon kebutuhan tubuh akan darah/kebutuhan lainnya • Jaringan penghantar khusus lainnya tidak dapat mencetuskan potensial aksi

intriksiknya karena sel-sel ini sudah diaktifkan lebih dahulu oleh potensial aksi yang berasal dari simpul SA, sebelum sel-sel ini mampu mencapai ambang rangsangnya sendiri.

• Urutan kemampuan pembentukkan potensial aksi berbagai susunan penghantar khusus jantung yaitu:

Nodus SA (pemacu normal) : 72kali per menit tetapi Nodus AV : 40-60 kali per menit

Berkas His dan serat purkinje : 20-40 kali per menit



Sel membran otot jantung (miokardium) berbeda dengan saraf

dan otot bergaris.



Saraf dan otot bergaris memerlukan rangsangan

supaya ion

Na+ masuk ke dalam sel  depolarisasi



Sel otot jantung, ion Na+ mudah bocor

(tidak memerlukan

rangsangan dari luar), setelah repolarisasi komplit, ion Na+

akan masuk lagi ke dalam sel depolarisasi spontan



Menghasilkan gelombang depolarisasi untuk seluruh otot

miokardium



Depolarisasi sel membran otot jantung oleh perambatan

 SA node mengalami gelombang depolarisasi ke atrium kiri dari atrium kanan dalam 70 detik  terjadi kontraksi atrium yang memompa

darah ke ventrikel, kemudian repolarisasi atrium

 Gelombang depolarisasi berlanjut ke AV node  AV node mengalami depolarisasi

 Gelombang dari AV node dilanjutkan ke berkas his (BH) dan percabangannya (bundle branch) (BB)  BB mengalami depolarisasi

 Diteruskan ke jaringan purkinye 

endokardium  berakhir di epikardium 

terjadi kontraksi otot ventrikel yang mendorong darah ke seluruh tubuh & paru, kemudian otot ventrikel mengalami repolarisasi

 Rangkaian proses ini kembali berulang Repolarisasi: epi  endo



P : gelombang yang

timbul karena

depolarisasi & kontraksi

atrium.



QRS : depolarisasi

ventrikel.



R : defleksi positif

pertama sesuadah

gelombang P dan yang

ditimbulkan oleh

depolarisasi utama

ventrikel.



ST: kontraksi ventrikel.



T : gelombang yang

timbul oleh repolarisasi

ventrikel.

• Depolarisasi & Repolarisasi otot jantung

menyebabkan arus darah mengalir dalam badan,

menimbulkan potensial listrik di kulit

• EKG adalah perekaman potensial listrik yang

dihasilkan jantung di antara dua titik pada berbagai

lokasi dipermukaan tubuh



EEG  perekaman sinyal-sinyal listrik neuron di permukaan (kortex)

otak



Sinyal listrik otak sangat lemah (Amplitudo sekitar 50 uV), diteliti

pertama kali oleh Hans Berger 1929



Frekuensi sinyal EEG bergantung aktivitas subyek

Fungsi EEG

•

Merekam aktivitas otak saat tidur, beraktivitas atau saat

mendapatkan rangsangan tertentu

•

Sebagai alat bantu kelainan otak,misalnya penyakit epilepsi atau

tumor otak.

•

Menentukan lokasi tumor otak  aktivitas listrik di daerah tumor

berkurang

•

Menunjukkan derajad anastesi yang berhubungan dengan tingkat

kesadaran pasien selama operasi

Jenis Gelombang EEG

Gelombang EEG dibedakan menjadi 4 berdasarkan rentang

frekuensinya

1.Delta (0,5 – 4 Hz) : diperlihatkan pada subyek (bayi-orang dewasa)

dalam kondisi tidur

2.Teta (4-8 Hz) : diperlihatkan pada subyek (anak-anak & orang

dewasa) dalam kondisi tidur

3.Alfa (8-13 Hz) : diperlihatkan pada subyek yang rileks

Hasil perekaman EEG pada subyek dalam kondisi : (a) waspada; (b) mengantuk; (c) light sleep (sekitar 20 menit setelah tertidur); (d) tidur pulas (deep sleep)

Bagaimana perekaman EEG

Menempelkan elektrode di kepala, menurut standar internasional

sejumlah 21 elektrode



Medan Magnet di dalam tubuh sama dengan medan listrik di dalam

tubuh  sangat lemah (< medan magnet bumi)

• Yaitu medan magnet disekitar organisme yang dihasilkan sel hidup atau

organisme tersebut

• Medan magnet ditimbulkan oleh aliran muatan listrik / arus listrik

• Satuan kuat medan magnet  A/m atau Tesla (T)  arus di neuron

menghasilkan medan listrik  medan magnet



Manusia tidak bisa merasakan medan magnet tetapi medan magnet

membantu beberapa hewan dalam menentukan arah atau lokasi

Hal ini disebabkan adanya partikel Fe3O4 yang berdiameter 50 nm

berbentuk rantai di dalam sel

Burung dara mempunyai kepekaan 10-20 nT & lumba-lumba < 20 nT.



Medan Magnet bumi akan menginduksi rantai Fe3O4 di dalam sel

menjadi sebuah bentruk kumparan. Pergerakan rantai ini menjadi

sinyal neuron sensorik untuk diteruskan ke otak



Medan magnet tubuh yang umumnya direkam

a) Medan magnet jantung  magnetokardiografi (MKG).

Besarnya 5 . 10

-11

_{T atau sekitar seperjuta kuat medan}

magnet bumi

b) Medan magnet otak  magnetoensefalogram (MEG)

Alat pengukur Madan Magnet Tubuh

• Magnetometer  detektor medan magnet yang sangat peka, yaitu

SQUID (Superconducting Quantum Interference device)

Magnetometer SQUID bekerja pada T 5 K & dapat mendeteksi medan

magnet tetap / berubah

– ubah minimal 10

-4

_T

• Pengukuran bioomagnetik tubuh dilakukan pada suatu ruangan yang

terisolasi dari pengaruh medan magnet luar

• Pengukuran MEG  menggunakan magnetometer SQUID 

dapatdipelajari pola kerja terhadap berbagai bentuk rangsangan 

membuka kesempatan yang luas terhadap penelitian otak

Seorang pasien yang sedang direkam medan magnet otaknya (MEG) menggunakan

Manfaat Biomagnetik dalam bidang kesehatan

Pencemaran Magnetik

• Tubuh kita dapat tercemar bahan-bahan bermagnet, misalnya • Pada para pekerja asbestos  menghirup debu asbestos yg

mengandung partikel besi oksida. Medan magnet dari dada pekerja asbestor sekitar 5.10-8 _T

• Studi Biomagnetik lebih banyak dilakukan di dunia Timur daripada di dunia barat

• Di dunia timur pengobatan dengan menyalurkan energi tubuh/tenaga dalam/Reiki/Prana  hakekatnya menyalurkan medan magnet ke tubuh pasien

• Energi magnetik mendatangkan efek menguntungkan terhadap sirkulasi darah,sirkulasi getah bening, produksi hormon, saraf dan otot

• Para Praktisi kesehatan ini mampu memanipulasi kekuatan dan

frekuensi medan magnet di sekitar daerah lokal tubuh mereka

sendiri (mis. Tangan)  disalurkan ke bagian tubuh pasien

• medan magnet yang mengelilingi tangan penyembuh serupa

dengan frekuensi medan magnet eksternal yang digunakan dalam

eksperimen medis terhadap tikus dan mamalia (rata-rata 7-8Hz)



Medan magnet lemah (rata-rata 7-8Hz) telah terbukti

mempercepat penyembuhan luka pada kulit, jaringan/organ

dan patah tulang pada tikus dan kelinci

• Terapi yang dilakukan para Praktisi jauh lebih efektif daripada

mesin-penginduksi medan magnet yang digunakan dalam

percobaan, karena frekuensi medan magnet sekitar tangan

bekisar antara 0,3 dan 30Hz

• Kuat Medan magnet yang dihasilkan oleh manusia yang ahli dalam

yoga, meditasi, dan Qigong meningkat 1000 kali dari kuat medan

magnet normal pada manusia

Prinsip Kerja Terapi Magnet dalam

Menyembuhkan Penyakit

Sel sel darah manusia mengandung zat besi (Fe) dan Neodymium magnet (Nd2Fe14B)

Ketika magnet atau sinar inframerah diletakkan dekat pembuluh arteri utama, seperti pembuluh arteri jantung (titik nadi di pergelangan tangan) atau arteri karotid (titik nadi dileher) selama 20 menit

mempengaruhi unsur besi (Fe) pada sel-sel darah.

sehingga sel-sel yang sebelumnya saling menempel dan bersambungan akhirnya terurai. Hal ini mengakibatkan aliran darah lebih lancar.

• Sesuatu bisa tersengat listrik jika terjadi perbedaan tegangan.

• Arus listrik, mengalir dari tegangan yang tinggi menuju ke tegangan yang lebih rendah.

• Bumi dan tanah memiliki tegangan yang lebih rendah, berbeda dengan

benda lainnya. Ini membuat aliran listrik selalu mengalir ke tanah atau bumi dari sumber tegangan atau disebut dengan konduktor.

• Manusia kesetrum saat terjadi kontak antara tubuh kita sebagai konektor dengan sumber tegangan listrik yang cukup tinggi yang bisa menimbulkan arus melalui rambut dan otot manusia itu.

• Listrik akan menyetrum kita hanya jika tubuh kita terhubung dengan tanah atau ground.

• Burung yang hinggap di atas kabel listrik, mereka tidak terhubung dengan tanah. Burung tersebut tidak menyebabkan perubahan tegangan listrik pada kabel yang dihinggapinya sehingga dia tidak akan kesetrum.

Mengapa Burung yang Hinggap di

kabel listrik tidak tersengat listrik ?