Sinyal listrik dan magnet tubuh manusia (Sel Syaraf dan

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
e-
Medan listrik & beda
potensial listrik (volt)
Pergerakan
partikel subatomik
Arus listrik
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
Petir
KA
Listrik di alam
Di dalam tubuh
Makhluk Hidup
uA
Listrik tidak bisa dilihat, dicium, bau
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
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)
Galvanometer adalah
alat pengukur kuat arus
dan potensial lstrik
Ditemukan oleh Hans Christian
Orsted (fisikawan Jerman)
Penemu Osiloskop Karl Ferdinand Braun (Fisikawan Jerman)
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)
Penjalaran Listrik Pada Sel saraf
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
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 kontakkontak 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
pergerakan ion
Berupa : Kimiawi,
perubahan potensial listrik
Keluar—masuk
listrik atau
membran / potensial aksi
membran
mekanik
Saraf eferan
Otak atau sumsum
tulang belakang
otot, organ atau kelenjar yang sesuai
penjalaran potensial aksi di
sepanjang akson
Bagaimana Terbentuknya sinyal Listrik Pada Neuron ?
I. Neuron Pada kondisi istirahat / polarisasi (tidak ada impuls listrik)
Di luar membrane
Bermuatan +
Di dalam membrane
Bermuatan -
 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.
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= (060) sampai (0-90) = -60 sampai -90 mV.
 Konsentrasi ion pada sel istirahat
Ion
Di dalam
(mmol/L)
Di luar
(mmol/L)
Na+
K+
ClLainnya
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
Impuls
alifis@corner - alifis.wordpress.com
alifis@corner - alifis.wordpress.com
III. Neuron setelah terstimulasi / kembali istirahat (Repolarisasi)
• 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
alifis@corner - alifis.wordpress.com
alifis@corner - alifis.wordpress.com
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
alifis@corner - alifis.wordpress.com
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 ?
Sial
Penjalaran sinyal (potensial aksi) pada Akson
Bermeilin
Akson
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
Video terjadinya & penjalaran potensi aksi pada neuron (klik)
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)
alifis@corner - alifis.wordpress.com
PENDAHULUAN (Bagian-bagian jantung & fungsinya)
Jantung (bahasa Latin, cor) adalah sebuah rongga organ berotot yang
memompa darah melalui pembuluh darah dengan mekanisme kontraksi
berirama yang berulang
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
Otot jantung adalah jenis otot lurik tidak
sadar yang ditemukan di dinding jantung. Ada 2
macam :
a)
b)
Sel-sel otoritmik dapat ditemukan di daerah :
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.
4. Daya rangsang :
Nodus SA (Sinoatrium / Pacemaker)
• 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
potensial aksi menghasilkan kontraksi otot  denyut jantung
 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 
Repolarisasi: epi  endo
Depolarisasi: endo  epi
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
Hasil rekaman EKG pada jantung normal
 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
4.Beta (>13 HZ) : diperlihatkan pada subyak yang kondisinya waspada
Tahapan Tidur
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
alifis@corner - alifis.wordpress.com
• 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
 Medan Magnet di dalam tubuh sama dengan medan listrik di dalam
tubuh  sangat lemah (< medan magnet bumi)

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
magnetometer SQUID
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
Manfaat Biomagnetik dalam bidang kesehatan
•
•
•
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.
Sehingga kemampuan sel darah menyerap oksigen dan nutrisi meningkat.
Mengapa Burung yang Hinggap di
kabel listrik tidak tersengat listrik ?
• 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.