BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Brain Derived Neurothropic Factor (BDNF) adalah suatu neurotropin yang berperan dalam perkembangan sinaps, plastisitas sinaps, dan fungsi kognitif (Pinila, 2008). BDNF adalah protein yang dikodekan oleh gen BDNF. BDNF merupakan neurotrophin (growth factor) yang termasuk di dalam Nerve Growth Factor (NGF) dan dapat ditemukan pada otak, sistem saraf perifer dan plasma darah (Matsumoto, 2008). BDNF berfungsi untuk mendorong pertumbuhan dan diferensiasi neuron baru (neurogenesis) serta mendukung kemampuan neuron untuk bertahan hidup. BDNF aktif di otak pada area korteks, prekorteks, dan dominan pada hipokampus. Area tersebut adalah area yang sangat penting untuk proses learning dan memori (gorsky, 2003). BDNF dapat memengaruhi proses learning dan memori melalui ekspresi mRNA BDNF dan sintesa protein BDNF di hipokampus. Proses neurogenesis akan terjadi apabila terdapat stimulasi dari neurotrophin. BDNF merupakan neurotrophin yang paling aktif menstimulasi dan mengendalikan proses neurogenesis (Jeuroski, 2008).

Pada masa perkembangan otak BDNF mempunyai peran meregulasi cell survival dan kematian sel yang terprogram (apoptosis). BDNF berperan pada fungsi fisiologis Sistem Saraf Pusat (SSP) dan perkembangan maturasi korteks dan plastisitas sinaps di area korteks parietal pada penderita gangguan kognisi (McCain, 2005). Hasil penelitian Webster (2006), menunjukan bahwa BDNF dan ekspresi reseptor spesifiknya yaitu TrkB di hipokampus akan menurun seiring dengan bertambahnya usia, namun mRNA BDNF di hipokampus tidak mengalami perubahan. Akan tetapi, penelitian lain pada manusia post-mortem menunjukkan hasil yang berbeda, yaitu: ekspresi mRNA BDNF di hipokampus, korteks temporal dan korteks parietal akan menurun pada manusia seiring dengan bertambahnya usia (Garot, 2005). BDNF berperan dalam Long-term Memory (LTM), Penyimpanan informasi jangka panjang merupakan salah satu kemampuan fungsi otak. Memori yang tersimpan dan bertahan selama beberapa hari bahkan seumur hidup disebut sebagai LTM. LTM memerlukan ekspresi gen dan sintesis protein untuk sebuah proses yang disebut konsolidasi. Proses konsolidasi tersebut terjadi pada area tertentu di otak, terutama dihipokampus (Vaynman et al, 2004). Regulasi fisiologis ekspresi gen BDNF mungkin sangat penting dalam perkembangan otak. Misalnya, BDNF kontribusi untuk pengembangan kegiatan-tergantung dari korteks visual. BDNF juga telah ditemukan untuk meningkatkan neurogenesis ( Zigova et al, 1998).BDNF signaling juga diketahui terlibat dalam perilaku afektif (Altar, 1999) Tekanan lingkungan seperti imobilisasi yang menyebabkan depresi dapat menurunkan ekspresi mRNA BDNF (Smith et al, 1995). Pengobatan untuk depresi terutama dengan meningkatkan monoaminergik endogen ( yaitu serotonergik dan atau - adrenergik ) transmisi sinaptik, dan studi terbaru menunjukkan bahwa antidepresan efektif meningkatkan BDNF mRNA dan protein ( Dias et al, 2003). Selain itu, latihan fisik juga dapat meningkatkan ekspresi mRNA BDNF pada depresi (Russo - Neustadt et al , 1999, Cotman dan Berchtold , 2002). Latihan fisik berguna dalam menjaga integritas serebrovaskular, meningkatkan pertumbuhan kapiler, meningkatkan koneksi dendritik, dan meningkatkan efisiensi proses pada fungsi sistem saraf pusat. Sebuah studi menunjukkan bahwa manusia yang melakukan latihan aerobik selama tiga bulan menunjukkan peningkatan volume darah otak regional yang diukur menggunakan MRI dengan kontras. Peningkatan volume darah ini berkorelasi dengan jumlah neuron baru. Sehingga peningkatan vaskularisasi dapat meningkatkan kejadian neurogenesis (Thomas, et al, 2012).Latihan fisik dapat berperan dalam sistim molekuler yang bermanfat untuk otak. Faktor-faktor yang berperan tersebut adalah neurotrofik. Faktor neurotrofik itu terutama BDNF, karena dapat meningkatkan ketahanan dan pertumbuhan beberapa tipe dari neuron, meliputi neuron glutamanergik. BDNF berperan sebagai mediator utama dari efikasi sinaptik, penghubungan sel saraf dan plastisitas sel saraf (Cotman et al, 2002). Diduga bahwa response neurotorphin yang diperantarai oleh exercise mungkin terbatas pada sistem motorik, sensorik, dari otak, seperti serebellum, area korteks primer antara lain basal ganglia. Hasil penelitian yang dilakukan oleh Cotman et al (2002) didapatkan bahwa, beberapa hari setelah voluntany trial-runing terjadi peningkatan kadar mRNA BDNF di hipokampus, struktur higly plastic yang secara normal berkaitan dengan fungsi kognitif dibandingkan aktifitas motorik. Peningkatan terjadi dalam beberapa hari baik pada tikus jantan maupun betina dan menetap sampai beberapa minggu selama latihan. Peningkatan mRNA BDNF bersamaan dengan peningkatan jumlah protein BDNF. Meskipun faktor-faktor neurotrofik lain seperti NGF & FGF-2 juga diindukasi di hipokampus sebagai respon pada latihan, peningkatannya hanya sesaat dan kurang jelas atau nyata dibandingkan dengan BDNF. Hal ini menunjukkan bahwa BDNF merupakan kandidat yang lebih baik dalam memediasi manfaat jangka panjang dari exercise pada otak.Latihan fisik aerobik dapat mempengaruhi otak, orang yang melakukan latihan fisik aerobik secara reguler memiliki nilai tes neuropsikologis lebih tinggi dibandingkan dengan orang yang melakukan latihan kekuatan dan fleksibilitas (Dustman, 1983). Penelitian pada hewan coba menunjukkan bahwa latihan fisik aerobik dapat meningkatkan pertumbuhan neuron, meningkatkan fungsi kognitif, dan berdampak positif pada sistem neuron yang berasosiasi dengan pembelajaran maupun memori. Penelitian tersebut secara spesifik dilakukan pada area hippocampus (Erickson, 2011). Aktivitas fisik dikatakan dapat meningkatkan fungsi kognitif melalui perbaikan hipocampus yang berperan pada pembelajaran spasial, melalui plastisitas sinaptik, dan neurogenesis (Van Praag et al., 1999). Aktivitas fisik berpengaruh baik pada fungsi kognitif karena dapat meningkatkan kadar faktor pertumbuhan saraf (nerve growth factor) yang menyokong daya survival dan pertumbuhan jumlah sel - sel saraf. Hal ini berpengaruh terhadap kecerdasan otak (Conner et al, 1997).Studi lain menunjukkan bahwa latihan fisik yang reguler dapat menurunkan level derivatif karbonil reaktif yang menunjukkan kerusakan oksidatif protein, serta menjaga penurunan memori dan pembelajaran (Radak, et al, 2006). Peneliti lain pada 21 orang dewasa yang diberi perlakuan latihan fisik, ditemukan terjadi peningkatan kemampuan learning dan memori yang dimediasi oleh BDNF. Peningkatan kemampuan learning dan memori tersebut terlihat dari meningkatnya skor pada tes memori dan kecepatan reaksi (750.5 19.0 ms vs 664.3 14.9 ms) (Pontifex, 2008).Penelitian penelitian tentang pengaruh latihan fisik terhadap peningkatan kadar BDNF pada otak sudah banyak dilakukan. Akan tetapi penelitian tersebut cenderung kepada pengaruh latihan fisik aerobik terhadap peningkatan kadar BDNF otak, sedangkan pengaruh latihan fisik anaerobik terhadap peningkatakan kadar BDNF otak masih sangat terbatas. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui pengaruh latihan fisik aerobik dan anaerobik terhadap kadar BDNF pada otak. Penggunaan hewan coba sangat diperlukan dalam penelitian ini, agar mekanisme molekuler yang terjadi dapat diketahui dengan jelas. 1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan uraian pada latar belakang, dapat dirumuskan masalah sebagai berikut: Apakah latihan fisik berpengaruh pada kadar Brain Derived Neurothropic Factor (BDNF) jaringan otak tikus yang diberi perlakuan latihan fisik aerobik dan anaerobik. 1.3. Tujuan PenelitianBerdasarkan rumusan masalah, tujuan penelitian ini adalah untuk menganalisis :1.3.1. Tujuan Umum

Untuk mengetahui Pengaruh latihan fisik aerobik dan anaerobik terhadap Kadar Brain Derived Neurothropic Factor (BDNF) pada jaringan otak tikus wistar.

1.3.2. Tujuan KhususTujuan khusus penelitian ini, untuk :

1.3.2.1. Mengukur kadar Brain Derived Neurothropic Factor (BDNF) pada otak tikus wistar yang melakukan latihan fisik aerobik.1.3.2.2. Mengukur kadar Brain Derived Neurothropic Factor (BDNF) pada otak tikus wistar yang melakukan latihan fisik anaerobik.1.3.2.3. Membandingkan Kadar Brain Derived Neurothropic Factor (BDNF) pada otak tikus wistar yang melakukan latihan fisik aerobik dan anaerobik.1.4. Manfaat Penelitian1.4.1. Manfaat Teoritis

Hasil penelitian ini diharapkan dapat menambah informasi dan pengetahuan ilmiah terutama dalam bidang biomedik mengenai kadar Brain Derived Neurothropic Factor (BDNF) otak pada tikus wistar yang diberi perlakuan latihan fisik aerobik dan anaerobik.

1.4.2. Manfaat PraktisHasil penelitian ini diharapkan dapat dijadikan landasan ilmiah dalam mempertimbangkan latihan fisik sebagai salah satu kegiatan untuk meningkatkan kecerdasan dan mengatasi depresi.1.5. Kerangka Teori

Gambar 1.5 Kerangka Teori1.6. Kerangka Konsep

Gambar 1.6. Kerangka Konsep

1.7. Premis-premis.1) Penelitian pada tikus percobaan di Department of Physiological Science, Los Angeles

2008, ditemukan hubungan yang erat antara aktivitas fisik dengan ekspresi mRNA BDNF (r = 0.71, p 0,05)

3) Transformasi dataTransformasi data dilakukan apabila data tidak berdistribusi normal atau sebaran data tidak sama.

4) Uji t berpasangan dan WilcoxonUntuk mengetahui perbedaan kadar HSP dan BDNF otak sebelum dan sesudah perlakuan dilakukan uji t berpasangan apabila data berdistribusi normal, dan uji Wilcoxon apabila data tidak berdistribusi normal5) Uji Anova dan Kruskal-WallisUntuk mengetahui apakah terdapat perbedaan rerata pada keempat kelompok dilakukan uji parametrik yaitu anova, dengan syarat distribusi data harus normal dan varians harus sama, jika tidak memenuhi syarat uji anova maka dilakukan uji non parametrik, yaitu Kruskal-Wallis. Apabila dari uji anova dan Kruskal-Wallis menunjukkan t kurang dari 0,05, maka dilanjutkan dengan analisis post hoc untuk mengetahui kelompok mana yang mempunyai perbedaan bermakna.

BAB. IV

JUSTIFIKASI ETIK

4.1. Rangkuman Karakteristik Penelitian

Jenis Penelitian ini adalah penelitian experimental laboratories. Adapun rancangan yang digunakan adalah Randomize One Group Pre test and Post test Design. Tujuan penelitian ini untuk mengetahui Pengaruh latihan fisik aerobik dan anaerobik terhadap Kadar Brain Derived Neurothropic Factor (BDNF) pada jaringan otak tikus wistar yang diberi perlakuan latihan fisik anaerobik dengan frekuensi yang berbeda. Populasi penelitian ini menggunakan tikus wistar sebagai hewan uji coba yang diperoleh dari lembaga perbanyak hewan koloni induk stok dirumah hewan Institut Pertanian Bogor (IPB). Perlakuan latihan fisik maksimal diberikan dengan cara menempatkan tikus perlakuan kedalam animal treadmill dan menjalankan treadmill dengan kecepatan 35m/menit selama 20 menit. Sebelum perlakuan, berat badan tikus ditimbang terlebih dahulu. Setelah perlakuan berakhir, tikus dikeluarkan dari animal treadmill dan dengan cepat ditimbang kembali berat badannya. Segera setelah ditimbang, tikus dimasukkan kedalam tempat yang berisi eter. Tikus kelompok kontrol atau p1 ditimbang berat badannya, dimasukkan dan dipelihara dalam kandang. Pada hari ke 7 ditimbang kembali berat badannya dan didekapitasi dengan menggunakan eter. Selanjutnya dilakukan pengambilan otak. 4.2. Landasan Ilmiah Penelitian

Latihan fisik dapat meningkatkan atensi dan motivasi dengan cara meningkatkan kadar dopamin dan norepinefrin, membuat mood lebih positif, kecemasan lebih rendah, dan rasa percaya diri lebih tinggi. Selain itu, efek latihan fisik adalah meningkatkan aktivitas neurotransmiter, memperbaiki aliran darah, dan memicu produksi faktor pertumbuhan otak (brain growth factor). Dengan demikian, latihan fisik menyiapkan sel saraf untuk terhubung lebih mudah dan lebih kuat. Latihan fisik dapat meningkatkan aliran darah ke otak sehingga pembuluh darah terstimulasi dan akses otak untuk mendapatkan energi dan oksigen meningkat dan lebih mudah menghilangkan produk-produk pecahannya. Meningkatnya aliran darah ke otak menyebabkan stimulasi secara khusus gyrus dentata, suatu area otak yang membantu pembentukan memori. Selain itu, meningkatnya serotonin, dopamin, BDNF akibat latihan fisik akan memperkuat ikatan antar sel saraf. BDNF bertanggung jawab pada pembentukan, dan daya tahan saraf terhadap kerusakan dan stres, dan banyak diemukan di hipokampus, suatu area otak yang secara langsung terlibat dalam proses belajar. Di samping itu, latihan fisik bermanfaat untuk fungsi perencanaan dan pengambilan keputusan.4.3 Prosedur informed Concent

Penelitian ini tidak memerlukan informed concent mengingat hewan adalah captiveparticipant yang tidak memiliki kemampuan untuk memberikan persetujuan untuk berpartisipasi dalam penelitian. Penelitian terhadap hewan umumnya lebih bersifat invasive jika dibandingkan dengan penelitian terhadap manusia4.4 Analisis Kelayakan Etik

Penelitian ini disusun berdasarkan telaah penelitian sebelumnya maupun kajian pustaka yang mendukung penelitian dan telah mempunyai landasan ilmiah yang kuat, sehingga dapat memberikan hasil yang sesuai dengan tujuan dan bermanfaat bagi peneliti dan masyarakat pada umumnya. Penggunaan hewan dalam penelitian ini telah sesuai dengan aturan etika penelitian yang diatur dalam deklarasi helsinskidan telah memperoleh Ethical Clearance dari komite etik penelitian Fakultas Kedokteran Universitas Sriwijaya Palembang.4.5 Kesimpulan

Penelitian ini mempunyai landasan ilmiah yang kuat, bermanfaat untuk dilaksanakan sehingga dapat memberikan hasil yang sesuai dengan tujuan. Penggunaan hewan dalam penelitian ini telah sesuai dengan aturan etika penelitian. Peneliti berkeyakinan bahwa penelitian ini layak etik untuk dilaksanakan.DAFTAR PUSTAKABlaydes , Jean. 2001. A Case for Daily Quality Physical Education . ww. Actionbasedlearning.com. Diakses pada 30 Maret 2014.Cotman CW., Berchtold, NC. Exercise; a behavioural intervention to enhance brain health and plasticity. Trends in Neuroscience. 2002. 25:295-301.Carison, Susan A, Fulton, Janet E, Lee, & Sarah M. 2008. Physical Education and Academic Achievement in Elementary School: Data From the Early Childhood Longitudinal Study. Am J Public Health , Vol. 98, No. 4.

CDC. 2006. What does Physical Activity for Kids ? www.cdc.orgDavis, C.L., Tomporowsk, P.D., & Boyke, C.A. 2007. Effects of aerobic exercise on overweight childrens cognitive functioning: a randomized controlled trial. Research Quarterly of Exercise & Sport . 78 (5):510-9.Dwyer, T, Sallis JF, Blizzard L, Lazarus N, Dean K. 2001. Relation of Academic Performance to Physical Activity and Fitness in Children. Pediatric Exercise Science , 13: 225 - 237.Ferrer I., Martinez A., Boluda S., Parchi P., & Barrachina M. Brain banks: Benefits, limitations and cautions concerning the use of post - mortem brain tissue for molecular studies. Cell and Tissue Banking. 2008. 10.1007/s1056Foster Rascublatt K.P Kuljur, 2011, Exercise Induced Cognitive Plasticity, Implications for mild coqnitive impaimament and Alzheirmers Disease. Frontiersbin Neorology Dementia,Garof los E., Stamatakis A., Mantelas A., Philippidis H., Stylianopoulou F. Cellular mechanisms underlying an effect of "early handling" on pCREB and BDNF in the neonatal rat hippocampus. Brain Research. 2005. 1052:187 - 195.

Greenberg JS, Dintiman GB, Oakes BM. Physical fitness and wellness: Changing the way you look, feel, and perform. 3rd ed.USA: Human Kinetics; 2004Kokkinos P. Physical activity and cardiovascular disease prevention. USA: Jones and Bartlett Publishers; 2010Pontifex MB., Hillman CH., Fernhall B., Thompson KM., Valentini TA. Behavioral Correlates of Working Memory Following Acute Aerobic and Resistance Exercise. Medicine & Science in Sports & Exercise. 2008. Volume 40. pp S89-S90. Podulka, Dwan, Pivarnik, James M, & Womack, C.J. (2006). Effect of Physical Education and Activity Levels on Academic Achievement in Children. Med.Sci. Sports Exerc ., Vol. 38, pp. 1515 - 1519.Rumajogee P., Madeira A., Verge D., Hamon M., Miquel MC. Upregulation of the neuronal serotoninergic phenotype in vitro: BDNF and cAMP share trkB - dependent mechanisms. J Neurochem . 2002. 83:1525 1528.Ratey, John. 2008. The Revolutionary New Science of Exercise and the Brain. Little Brown and Company, New York.

Radak Z, Toldy A, Szabo Z, Siamilis S, Nyakas C, Silye G, et al. The effects of training and detraining on memory, neurotrophins, and oxidative stress markers in rat brain. Neurochemistry International. 2006;49:387-392.Robinson et al , 1995 RC, Radziejewski C, Stuart DI, Jones EY (April 1995). "Structure of the brain-derived neurotrophic factor/neurotrophin 3 heterodimer". Biochemistry 34 (13): 413946Trust, Stewart G. 2007. Active Education: Physical Education, Physical Activity, and Academic Performance . Active Living Research. A National Program of the Robert Wood Johnson Foundation. www.activelivingresearch.org.Thomas AG, Dennis A, Bandettini PA, Johansen-Berg H. The effects of aerobic activity on brain structure. Frontiers in Psychology. 2012 Mar 23;86(3):1-9.Van Essen, David. 2007. Adult Neurogenesis . Society fo Neuroscience. www.sfn .orgVan Praag H, Kempermann G, Gage FH(1999). " Ontogeny Running increases cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse dentate gyrus. " (Abstract). Nature Neuroscience.2(3): 266-70Vaynman S., Ying Z., Gomez - Pinilla F . Hippocampal BDNF mediates the efficacy of exercise on synaptic plasticity and cognition. European Journal of Neuroscience. 2004. Vol. 20, pp. 25802590. Webster MJ., Herman MM., Kleinman JE., & Shannon Weickert C. BDNF and trkB mRNA expression in the hippocampus and temporal cortex during the human lifespan. Gene Expression Patterns. 2006. 6, 941 951.William Greenough. 2006. Perspective: Rich Experiences, Physical Activity Healthy Brains. National Scientific Council on The Developing Child. www.developingchild.net

...Latihan fisik aerobik dan anaerobik

Peningkatan BDNF

Peningkatan vaskularisasi

meningkatkan proliferasi dan migrasi sel endotel; membantu pembentukan.

Peningkatan NGF

Neurogenesis

Meningkatkan angiogenesis pada hipokampus

Memori

Peningkatan jumlah sel saraf

Latihan fisik aerobik

Peningkatan BDNF

Perubahan jumlah sel saraf

Tikus berlari diatas Treadmill dengan kecepatan 24-33 m/menit

selama 7 hari berturut-turut

Tikus Wistar

P1

(Kel.Kontrol)

P2

(Kel. Lat.

1 hr)

P3

(Kel. Lat.

3 hr)

P4

(Kel. Lat

7 hr)

P5

(Kel. Lat.

1 hr)

P6

(Kel. Lat

3 hr)

P7

(Kel.Lat

7 hr)

Timbang BB

Timbang BB

Timbang BB

Timbang BB

Timbang BB

Timbang BB

Timbang BB

Latihan Fisik Ringan

Latihan Fisik Ringan

Latihan Fisik Ringan

Latihan Fisik Maksimal

Latihan Fisik maksimal

Latihan Fisik Maksimal

Hari ke 7 timbang BB

Timbang BB

Timbang BB

Timbang BB

Timbang BB

Timbang BB

Timbang BB

Dekapitasi

Dekapitasi

Dekapitasi

Dekapitasi

Dekapitasi

Dekapitasi

Dekapitasi

Pengambi-lan Organ otak

Pengambi-lan Organ otak

Pengambilan Organ otak

Pengambi-

lan Organ otak

Pengambi-

lan Organ otak

Pengambi-

lan Organ otak

Pengambi-

lan Organ otak

30