Berandasehat.id – Otak mengonsumsi lebih banyak energi daripada organ lain, dan, yang membingungkan, organ vital ini tetap menghabiskan bahan bakar bahkan ketika neuronnya tidak ‘menembakkan’ sinyal yang disebut neurotransmiter satu sama lain. 

Kini para peneliti di Weill Cornell Medicine telah menemukan bahwa proses ‘pengemasan’ neurotransmiter mungkin bertanggung jawab atas pengurasan energi ini.

Dalam studi yang dilaporkan 3 Desember 2021 di Science Advances, peneliti mengidentifikasi kapsul kecil yang disebut vesikel sinaptik sebagai sumber utama konsumsi energi di neuron yang tidak aktif. Neuron menggunakan vesikel ini sebagai wadah untuk molekul neurotransmiter mereka, yang ditembakkan dari ‘port’ komunikasi yang disebut terminal sinaptik untuk memberi sinyal ke neuron lain. 

Ilustrasi otak (dok. istimewa)

Pengepakan neurotransmiter ke dalam vesikel adalah proses yang menghabiskan energi kimia, dan para peneliti menemukan bahwa proses ini – dari segi energi, secara inheren bocor—sangat bocor sehingga terus mengonsumsi energi yang signifikan bahkan ketika vesikel terisi dan terminal sinaptik tidak aktif.

“Temuan ini membantu kami memahami lebih baik mengapa otak manusia sangat rentan terhadap gangguan atau melemahnya pasokan bahan bakar,” kata penulis senior Dr. Timothy Ryan, seorang profesor biokimia dalam anestesiologi di Weill Cornell Medicine.

Pengamatan bahwa otak mengonsumsi energi dalam jumlah besar, bahkan ketika relatif dalam keadaan istirahat, berasal dari beberapa dekade yang lalu terkait penelitian penggunaan bahan bakar otak dalam keadaan koma dan vegetatif. 

Studi-studi tersebut menemukan bahwa bahkan dalam keadaan yang sangat tidak aktif ini, konsumsi glukosa otak biasanya turun dari normal hanya sekitar setengahnya—yang masih membuat otak sebagai organ dengan konsumsi energi tinggi dibandingkan dengan organ lain. Sumber energi istirahat yang terkuras tidak pernah sepenuhnya dipahami.

Dr Ryan dan laboratoriumnya telah menunjukkan dalam beberapa tahun terakhir bahwa terminal sinaptik neuron – pertumbuhan seperti kuncup dari mana organ ini menembakkan neurotransmiter – adalah konsumen energi utama saat aktif, dan sangat sensitif terhadap gangguan pasokan bahan bakar. 

Dalam studi baru, peneliti memeriksa penggunaan bahan bakar di terminal sinaptik saat tidak aktif, dan menemukan bahwa konsumsi itu masih tinggi.

Konsumsi bahan bakar istirahat yang tinggi ini, menurut peneliti, sebagian besar disebabkan oleh kumpulan vesikel di terminal sinaptik. Selama ketidakaktifan sinaptik, vesikel masing-masing terisi penuh dengan ribuan neurotransmiter, dan siap meluncurkan muatan pembawa sinyal melintasi sinapsis ke neuron mitra.

Mengapa vesikel sinaptik mengonsumsi energi bahkan ketika terisi penuh? Para peneliti menemukan bahwa pada dasarnya ada kebocoran energi dari membran vesikel, sebuah “pengeluaran proton” sehingga enzim pompa proton khusus di dalam vesikel harus tetap bekerja, dan mengonsumsi bahan bakar seperti itu, bahkan ketika vesikel sudah penuh dengan molekul neurotransmiter.

Eksperimen menunjuk pada protein yang disebut transporter sebagai kemungkinan sumber kebocoran proton ini. Transporter biasanya membawa neurotransmiter ke dalam vesikel, berubah bentuk untuk membawa neurotransmiter masuk, tetapi pada saat yang sama memungkinkan proton untuk ‘melarikan diri’ sebagaimana mereka melakukannya. 

Dr Ryan berspekulasi bahwa ambang energi untuk perubahan bentuk transporter ini ditetapkan rendah oleh evolusi untuk memungkinkan ‘reload’ neurotransmitter lebih cepat selama aktivitas sinaptik, dan dengan demikian lebih cepat berpikir dan bertindak.

“Kelemahan dari kemampuan pemuatan yang lebih cepat adalah bahkan fluktuasi termal acak dapat memicu perubahan bentuk transporter, menyebabkan energi terus-menerus terkuras bahkan ketika tidak ada neurotransmitter yang dimuat,” katanya.

Meskipun kebocoran per vesikel akan kecil, setidaknya ada ratusan triliun vesikel sinaptik di otak manusia, sehingga pengurasan energi akan benar-benar bertambah, kata Dr. Ryan.

Temuan ini merupakan kemajuan yang signifikan dalam memahami biologi dasar otak. Selain itu, kerentanan otak terhadap gangguan pasokan bahan bakarnya merupakan masalah utama dalam neurologi, dan defisiensi metabolik telah dicatat pada sejumlah penyakit otak umum termasuk penyakit Alzheimer dan Parkinson. 

Garis penyelidikan ini pada akhirnya dapat membantu memecahkan teka-teki medis yang penting dan menyarankan perawatan baru. “Jika kita memiliki cara untuk menurunkan ‘pengurasan’ energi ini dengan aman dan dengan demikian memperlambat metabolisme otak, itu bisa sangat berdampak secara klinis,” tandas Dr. Ryan. (BS)