Cahaya pertama memperhalus rangkaian penglihatan di Otak

Rabu, 8 Juni 2011 - Setiap orang tua tahu kalau bayi yang baru lahir masih memiliki banyak tugas neurologis untuk memperoleh pandangan yang sepenuhnya baik. Dalam beraneka jenis hewan, gen memberi mereka rencana perkawatan kasar saja dan menyisakan perkembangan sistem syaraf untuk menyelesaikan tugasnya.

---

Dua studi oleh para peneliti Universitas Brown memberikan bukti baru peran paparan cahaya dalam lingkungan saat bayi tikus dan kecebong mengorganisasi dan memperhalus rangkaian sistem penglihatan mereka.

“Lewat sebuah kombinasi proses bebas dan terikat cahaya, sistem penglihatan disetel seiring waktu,” kata David Berson, professor neurosains. Penelitiannya yang terbaru, diterbitkan dalam jurnal Nature Neuroscience tanggal 5 Juni 2011, menawarkan hasil mengejutkan kalau paparan cahaya dapat meningkatkan seberapa baiknya tikus dapat mengorganisir ujung-ujung syaraf dari mata kiri dan mata kanan mereka di daerah otak dimana mereka pada awalnya kusut. Para ilmuan syaraf menduga kalau mamalia mampu melihat pada tahap ini, namun sebuah sel sensitif cahaya tipe baru yang ditemukan Berson satu dekade lalu dimatikan agar cahaya dapat masuk.

Sementara itu, kolega Berson, Carlos Aizenman, asisten profesor neurosains, menulis bersama paper online tanggal 31 Mei 2011 di Journal of Neuroscience menunjukkan kalau kecebong yang baru lahir tergantung pada cahaya untuk mengkoordinasi dan meningkatkan respon kecepatan, kekuatan dan kehandalan jaringan syaraf dalam daerah pengolah penglihatan di otak mereka.

Berson, Jordan Renna, dan Shijun Weng melakukan beberapa eksperimen pada tikus yang baru lahir untuk melihat apakah cahaya mempengaruhi proses dimana tikus merakit ulang untuk membedakan antara mata mereka. “Untuk fungsi-fungsi tertentu, otak ingin melacak mana mata yang mana,” kata Berson. Bersama fungsi tersebut muncullah persepsi kedalaman dan jarak.

Pada tingkat rangkaian, otak menjaga sinyal dari kedua mata tetap berbeda dengan mensegregasi ujung syaraf mereka ke daerah terpisah di dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN), sebuah stasiun kunci pada jalur ke visual korteks dan persepsi visual sadar. Para ilmuan telah lama tahu proses pemilihan ini tergantung pada gelombang aktivitas yang secara spontan merangsang sel-sel di retina dalam. Mereka tidak tahu hingga sekarang kalau gelombang-gelombang ini dipengaruhi oleh tipe sel sensitif cahaya yang disebut intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs).

“Apakah berbagai hewan berbeda sifat terpaparkan cukup cahaya untuk menginduksi perubahan pola segregasi masih belum jelas,” kata Renna. Namun penelitian menunjukkan kalau paparan cahaya memang meningkatkan seberapa baik pemilahan terjadi, kata Berson, dan penelitian ini meningkatkan pemahaman ilmuan syaraf mengenai proses pembedaan mata, yang dipelajari luas sebagai model perkembangan syaraf dikendali aktivitas.

Untuk mengetahui efek cahaya pada gelombang retina, Renna menggunakan elektroda-elektroda untuk merekam aktivitas sel-sel di retina dalam pada tikus baru lahir, pertama direkam dalam kegelapan, lalu dalam cahaya, dan kemudian kembali dalam gelap. Dalam tiap kasus retina mengalami gelombang, namun ketika retina terpapar cahaya, gelombangnya bertahan 50 persen lebih lama.

Renna kemudian menguji apakah sel-sel sensitif cahaya adalah yang menciptakan efek perpanjangan gelombang ini dengan mengulang studi pada tikus yang telah dibuang ipRGC nya secara genetik. Dengan sel-sel ini dipadamkan, paparan pada cahaya tidak lagi berbeda dalam durasi gelombangnya.

Akhirnya, untuk mengetahui pengaruh cahaya pada proses pemilahan kiri kanan di dLGN, Renna memeriksa jaringan tikus normal dan tikus yang ipRGCnya tidak dapat merasa cahaya. Dalam tiap kasus ia memberi label ujung syaraf secara fluorescent dari satu mata dengan warna merah dan mata lain berwarna hijau. Dalam perbandingan komputer, jaringan menunjukkan kalau tikus normal mengembangkan derajat segregasi merah hijau yang lebih tinggi daripada tikus yang direkayasa genetik. Dengan kata lain, kemampuan ipRGC untuk merasa cahaya meningkatkan pemilahan satu mata dari mata lainnya di dLGN.

Sementara itu, dalam studinya Aizenman bekerja sama dengan Arto Nurmikko, profesor teknik dan fisika, untuk menyelidiki fungsi optic tectum otak kecebong. Mereka membanjiri sel syaraf tectal pada kecebong hidup dengan molekul yang membuat ion kalsium berpendar. Ketika seluruh jaringan sel syaraf menjadi aktif, mereka mengambil ion dan berpendar. Para peneliti merekam kecebong ini dengan kamera resolusi dan kecepatan tinggi yang dapat menangkap aktivitas milidetik per milidetik sel syaraf.

Dengan dipimpin mahasiswa pasca sarjana teknik Heng Xu dan peneliti Arseny Khakhalin, tim ini membesarkan beberapa kecebong muda dalam kondisi normal 12 jam cahaya dan 12 jam kegelapan saat hari-hari penting perkembangannya ketika tektum berkembang. Mereka juga membersarkan kelompok lain hanya dalam gelap, dan kelompok lain dalam zat kimia yang memblokir aktivitas reseptor NMDA, subtipe reseptor glutamat neurotransmitter, yang berfungsi merakit ulang jaringan syaraf. Lalu mereka memaparkan semua kecebong dari semua kelompok pada kilatan cahaya LED yang dikirim via kabel serat optik yang berada di depan mata.

Mereka menemukan dalam beberapa eksperimen kalau jaringan syaraf di tectum kecebong yang dibesarkan dalam kondisi normal mengembangkan respon yang lebih cepat, lebih kohesif, dan lebih kuat dalam hal jumlah sel syaraf pada cahaya.

Jaringan syaraf tectal kecebong yang dibesarkan dalam kegelapan saat berkembang gagal berkembang sama sekali. Mereka yang reseptor NMDA nya diblokir berada di tengah, menunjukkan adanya kemajuan tapi tidak sebaik kecebong normal. Kesimpulannya adalah mereka menemukan kalau kecebong melatih otak mereka dengan cahaya yang mereka lihat.

Sementara ini, timnya dan tim Berson menambahkan pemahaman ilmuan dalam membangun penjelasan bagaimana mahluk berubah dari otak mereka yang kasar pada lahir menjadi pikiran hewan yang fungsional sepenuhnya. “Itu yang dicari setiap orang,” kata Aizenman. “Bagaimana anda mendapatkan otak yang halus dan terkawatkan dengan baik ini dari awalnya?”

Sumber berita:

Brown University.

Referensi jurnal :

Jordan M Renna, Shijun Weng, David M Berson. Light acts through melanopsin to alter retinal waves and segregation of retinogeniculate afferents. Nature Neuroscience, 2011; DOI: 10.1038/nn.2845