신경계(Nervous system)

[테라피 리더]

신경계(Nervous system)

☞ 신경계는 중추신경계(central nervous system; CNS)와 말초신경계(peripheral nervous system; PNS)로 구성되어져 있으며, 면역계(immune system) 및 내분비계(endocrine system)와 더불어 생체 내 항상성(homeostasis)에 기여하고 있다.

1. 중추신경계(central nervous system; CNS)

 뇌(brain)와 척수(spinal cord)로 구성되어져 있음

배 발생           초기 단계의 뇌	배 발생을 거친 성인의 뇌 구조들
전뇌(forebrain)	대뇌(cerebrum)                                                 ① 대뇌피질(cerebral cortex)     ② 백질(white matter)     ③ 기저핵(basal ganglia)
	간뇌(diencephalon)                                                 ① 시상(thalamus)     ② 시상하부(hypothalamus)     ③ 뇌하수체(posterior pituitary)     ④ 송과선(pineal gland)
중뇌(midbrain)	중뇌(midbrain; part of brainstem)
후뇌(hindbrain)	뇌교(pons), 소뇌(cerebellum)
	연수(medulla oblongata)

 (1) 대뇌(cerebrum): 좌·우 양반구가 사람의 좌반신과 우반신을 교차 조절

   1) 피질: 신경세포로 된 회백질로서 운동령, 지각령, 연합령으로 구성

   2) 수질: 신경섬유로 된 회백질

 (2) 소뇌(cerebellum): 깊게 주름진 두 개의 반구로 이루어짐

   1) 운동, 방향감각 및 균형유지에 관여

   2) 척추동물 중 조류에서 특히 발달

 (3) 간뇌(diencephalon): 시상, 시상하부, 뇌하수체 그리고 송과선으로 구성

   1) 시상(thalamus): 대뇌 피질의 “문지기”로서 후각을 제외한 뇌로 전달되는 모든 감각정보를 의식적으로 느끼기 위해서는 시상을 거쳐야 함

   2) 시상하부(hypothalamus)

    ① 체온조절

    ② 생체시계(biological clock)의 역할 ⇒ 수면과 공복주기 등 하루의 생체리듬을 조절

    ③ 혈액의 수분함량조절

    ④ 혈당량 조절

    ⑤ 자율신경계의 조절

    ⑥ 감정(성욕, 포식, 포만, 갈증, 분노 등)의 조절

    ⑦ 호르몬 합성(시상하부에서 합성되어진 oxytocin과 ADH는 뇌하수체에 저장되어 있다가 혈관으로 방출)

   3) 뇌하수체(pituitary gland)

    ① 뇌하수체 전엽 호르몬

     ▶ 성장호르몬(growth hormone): 성장과 대사기능 촉진

     ▶ 프로락틴(prolactin): 젖 분비 촉진

     ▶ 난포자극호르몬(follicular stimulating hormone; FSH): 난자 및 정자 생성 촉진

     ▶ 황체형성호르몬(luteotropic hormone; LH): 난소 및 정소 자극

     ▶ 갑상선 자극호르몬(throid stimulating hormone; TSH): 갑상선 자극

     ▶ 부신피질 자극호르몬(adrenocorticotropic hormone; ACTH) : 부신피질을 자극하여 무기질코르티코이드(glucocorticoid) 분비 촉진

    ② 뇌하수체 중엽 호르몬

     ▶ 인터메딘(색소세포자극호르몬; melanocyte stimulating hormone; MSH): 사람의 경우, 중엽의 작용이 잘 알려져 있지 않으나, 하등동물에서는 인터메딘이라는 호르몬이 분비되어, 흑갈색의 멜라닌 색소를 확대하여 피부를 검게 하는 작용을 한다.

    ③ 뇌하수체 후엽 호르몬

     ▶ 옥시토신(oxytocin): 자궁수축과 유선세포 자극

     ▶ 항이뇨호르몬(ADH; vasopressin): 신장에서의 수분재흡수 증가

   4) 송과선(pineal gland)

  멜라토닌이 하루 또는 계절적 리듬생활 조절에 관여하며, 이 멜라토닌 호르몬 생성량은 일조주기에 의해 결정되어진다. 즉 밤에는 어둡게 하여 잠을 청하는 것이 건강에 좋다.

 (4) 중뇌(mesencephalon)

   1) 시각의 신경로와 청각의 신경로가 연결

   2) 눈(eye)과 관련된 동공 반사, 수정체 반사, 안구 운동과 자세유지 및 소뇌와 협동 작용하는 것으로 알려져 있음

 (5) 연수(medulla oblongata)

   1) 수질(회백질)

    ① 심장박동 조절

    ② 호흡운동 조절

    ③ 소화운동 조절

    ④ 혈당량 조절

    ⑤ 연수 반사(구토, 재채기, 하품 등)의 중추

   2) 피질(백질): 대뇌와 말초 사이의 신경 교차

 (6) 척수(spinal cord)

   1) 피질: 백질, 대뇌와 말초 사이의 흥분 전도

   2) 수질: 회백질, 무릎반사, 배뇨, 배변 등의 척수 반사의 중추

2. PNS(말초신경계): 체성 신경계와 자율 신경계로 이루어져 있음

 (1) 체성신경계(somatic nervous system): 12쌍의 뇌신경과 31쌍의 척수신경

 (2) 자율신경계(autonomic nervous system)

   1) 교감신경계(sympathetic division)

    ① 절전신경: 짧은 유수신경 → 아세틸콜린(acetylcholine) 분비

    ② 절후신경: 긴 무수신경 → 부신 수질에서 에피네프린(ephinephrine; adrenaline), 노르에피네프린(norephinephrine; noradrenaline) 분비

   2) 부교감신경계(parasympathetic division)

    ① 절전·절후 모두 유수신경으로 신경말단에서 아세틸콜린(acetylcholine) 분비

  

♣ 교감신경과 부교감신경의 길항작용

☞ 교감신경 흥분(부교감신경 억제): 일반적으로 사람이 화가 났거나, 운동을 할 때 나타나는 증상 

ephinephrine(adrenaline), norephinephrine(noradrenaline) 분비 → 심장박동수 증가 → 혈관 수축 → 혈압 상승 → 동공 확대, 기관 확장, 소화 억제, 혈당 증가, 땀 분비 증가 등

☞ 부교감신경 활성(교감신경 억제): 수면을 취하는 등 안정상태에 있을 때 나타나는 증상  

 acetylcholine 분비 → 심장박동수 감소 → 혈관 팽창 → 혈압하강

 → 동공 축소, 기관 수축, 소화 활성, 혈당 감소, 땀 분비 감소 등

3. 뉴런(neuron)의 구조와 기능

(1) 뉴런의 구조

   

   1) 세포체(cell body)

    ① 세포체에는 핵이 있으며 세포질에 리보솜, 소포체 등이 존재함

    ② 특히 세포질 내의 리보솜과 소포체 덩어리를 니슬소체(Nissl substance)라 일컬음

    ③ 신경전달물질(neurotransmitter)을 만들어내는 등 뉴런의 생장과 물질대사에 관여함

   2) 수상돌기(dendrite)

    ① 여러 개의 짧은 돌기들이 발달되어 있으며 뉴런의 정보를 받아들이는 부위

    ② 주변 뉴런으로부터 자극을 받아들여 정보를 전기적 신호로 세포체와 축색으로 보냄

   3) 축색돌기(axon)

    ① 기다란 돌기로 신호를 먼 거리까지 전달할 수 있도록 분화되어져 있음

    ② 수상돌기나 세포에서 오는 신호를 신경흥분(neural impulse) 또는 활동전위(action potential)로 바꾸어 신호를 먼 거리로 전달함

    ③ 활동전위(action potential)는 축색소구(axon hillock)에서 만들어짐

    ④ 근섬유와 운동신경의 축색말단은 신경근접합부(neuromuscular junction)을 형성함

    ⑤ 절연기능이 있는 미엘린수초(myelin sheath)에 의해 둘러싸여져 있음

 (2) 뉴런의 종류

   1) 기능에 따른 분류

    ① 감각뉴런(sensory neuron): 구심성뉴런(afferent neuron)으로서, 자극 수용체가 존재하여 감각기에서 수용한 자극을 중추신경계(central nervous system; CNS)로 전달함

    ② 연합뉴런(interneuron): 감각뉴런(sensory neuron)과 운동뉴런(motor neuron) 사이에서 그 신경전도를 중재함

    ③ 운동뉴런(motor neuron): 원심성뉴런(efferent neuron)으로서, 연합뉴런(interneuron) 신호를 받고 운동 충격(motor impulse) 신호를 근육(muscle) 등의 실행기(effector)에 전달

※ 신경의 흥분전도는 감각뉴런(감지)→ 연합뉴런(통합)→ 운동뉴런(반응) 순서로 일어난다.

   2) 구조에 따른 분류

    ① 유수신경(myelinated nerve)

     ▶ 신경섬유(nerve fiber)의 바깥쪽 부분이 수초에 의해 싸여 있는 신경

     ▶ 유수신경섬유는 척추동물에만 존재함

     ▶ 슈반세포(schwann cell), 미엘린수초(myelin sheath), 축색돌기(axon)로 구성

     ▶ 탈분극, 재분극, 이온재배치가 일어나는 랑비에 결절(Ranvier's node)이 존재함

     ▶ 랑비에결절에서 도약전도(saltatory conduction)가 일어나므로 흥분전도속도가 빠름(약 100m/s)

    ② 무수신경(unmyelinated nerve)

     ▶ 신경섬유(nerve fiber)의 바깥쪽 부분이 수초에 의해 싸여 있는 신경

     ▶ 주로 무척추동물에 분포하며, 척추동물의 교감신경에도 있음

     ▶ 슈반세포(schwann cell), 아주 얇은 미엘린수초(myelin sheath), 축색돌기(axon)

     ▶ 랑비에 결절(Ranvier's node)이 존재하지 않아서 흥분전도속도가 느림(약 5m/s)

4. 신경의 휴지상태와 활성상태

 

♣ 신경흥분전도과정

(A): 휴지기(resting state)로서 Na⁺/K⁺ pump와 K⁺ leak channel에 의해 세포의 외부는 + charge, 내부는 - charge로 그 전위는 대략 -70mV 정도가 된다.

(B): 탈분극 자극(depolarization stimuli)이 오면 역치(threshold)에 도달해 Na⁺ channel이 열려  Na⁺ ions이 세포 내부로 들어오고, 이 voltage를 감지한 K⁺ channel은 느리게 열리기 시작하며, 역치 자극 이후에는 급격히 Na⁺ ions이 세포 내부로 들어오고 그 결과로 전위가 약 +35mV에서 +45mV 정도가 되어 탈분극(depolarization)이 일어난다.

(C): (B)에서 (C)로 가는 peak의 정점에서 Na⁺ channel은 불활성화(inactivation)되어지고, K⁺ channel은 느리게 열린다. 이후 세포 내부의 K⁺ ions이 세포 외부로 K⁺ channel을 통해 유입되어져 재분극(repolarization)이 일어난다.

(D): K⁺ channel이 잠시 열린 상태로 있어, 여분의 K⁺ ions이 세포로부터 방출되어져 과분극(hyperpolarization)이 유도 되어진다.

(D)→(A): K⁺ channel이 닫히고, K⁺ leak channel에 의해 약간의 K⁺ ions이 세포로 들어오는 것으로 인해 ΔV가 약간 변화되어지고, 다시 Na⁺/K⁺ pump의 미세한 작용으로 -70mV의 원래 휴지막 전위(resting membrane potential)상태로 되돌아간다.

 (1) 휴지상태(resting state): 세포막 전위가 –70mV 정도로 분극 되어져 안정된 상태

   1) 막 전위 상태: 세포막 외부는 + charge, 내부는 - charge

   2) 그렇게 된 이유:

     ① 세포막에 존재하는 Na⁺/K⁺ pump가 ATP를 이용한 능동수송으로 3Na⁺ ions을 세포 외부로 방출시키고 2K⁺ ions을 세포 내부로 받아들이기 때문

     ② 세포막에 존재하는 K⁺ leak channel을 통해 수동수송으로 세포질의 K⁺ ions이 세포 외부로 흘러나가기 때문

 (2) 탈분극 시기(depolarizing phase): 뉴런의 자극으로 활성전위가 발생되어져 탈분극이 되는 시기

       

   1) 뉴런(neuron)의 자극을 받게 되면 Na⁺/K⁺ pump의 작동이 멈추게 됨

   2) 축색막의 ligand gated Na⁺ ion channels이 열려 Na⁺ ions이 내부로 유입

   3) 주변의 voltage gated Na⁺ ion channels이 열리면서 보다 많은 Na⁺ ions이 내부로 유입

   4) 막 전위는 + 35mV에서 +45mV사이로 탈분극 되어짐

   5) 활성전위가 발생되어 탈분극이 일어난 곳은 세포막 외부가 – charge, 내부는 + charge를 뜀)

 (3) 재분극 시기(repolarizing phase)

   1) Na⁺ ion channels은 inactivated state로 되어 더 이상의 Na⁺ ions의 세포내로의 유입이 없음

   2) K⁺ ion channel이 열려 K⁺ ions이 세포질에서 외부로 방출

   3) 재분극 되어짐

 (4) 과분극 상태(hyperpolarizing phase)

   1) 재분극이 진행되는 상태에서 K⁺ leak channel가 Cl^- ions의 이동에 의해 과분극이 유도됨

 (5) 원상태로의 회복: 흥분이 전도되어진 이후에 처음 흥분한 부위가 원상태로 회복되어지는 상태

   1) Na⁺ ion channels과 K⁺ ion channels이 닫혀짐

   2) Na⁺/K⁺ pump 서서히 작동하기 시작함

   3) 휴지상태일 때처럼, ATP를 이용한 능동수송으로 3Na⁺ ions을 세포 외부로 방출시키고 2K⁺ ions을 세포 내부 들어오게 됨

   4) –70mV 정도로 분극되어져 안정된 상태로 돌아감

5. 시냅스(synapse): 뉴런과 뉴런사이의 신경 흥분전달 연결통로로서 축색은 이웃 세포의 수상돌기(dendrite)나 세포체(cell body)와 시냅스(synapse)를 형성함

 (1) 신호전달 방식에 따른 시냅스(synapse)의 분류

   1) 전기적 시냅스(electrical synapse)

    ① 신경 흥분 전달이 전기적 현상으로 일어남

    ② 두 개의 신경세포가 간극 연접(gap junction)을 통하여 직접적으로 접촉하고 있음

    ③ 화학적 시냅스(chemical synapse)보다 빠름

    ④ 여러 무척추동물에 존재함

    ⑤ 사람에서는 심장과 소화관에서 발견되어짐

   2) 화학적 시냅스(chemical synapse)

    ① 신경 흥분 전달이 신경전달물질(neurotransmitter)이라는 화학물질의 작용으로 일어남

    ② 시냅스틈(synaptic cleft)이라는 20nm 정도 작은 공간에 의해 분리되어져 있어 신경 세포간의 실제적인 접촉이 없음

    ③ 전기적 시냅스에 비해 속도가 느리지만 다양한 종류의 반응 유도

 (2)  화학적 시냅스의 작용 기작 및 분류

   1) 흥분성 시냅스(excitatory synapse)

 ※ 작용 기작

    ① 활동전위(action potential)이 축색 말단에 도달

    ② 막전위 변화에 따른 칼슘채널 열림

    ③ 세포외액에 있는 Ca²⁺ ion의 세포 내 유입

    ④ 소낭의 형태로 저장되어져 있던 신경전달물질인 아세틸콜린(acetylcholine)이 시냅스전막(presynaptic membrane)과 융합되어진 후 시냅스 틈(synaptic cleft)으로 방출됨

    ⑤ 확산되어 시냅스후막(postsynaptic membrane)에 있는 수용체에 부착

    ⑥ 막의 이온채널이 열리고, Na⁺ ion 혹은 K⁺ ion이 시냅스후 세포 안으로의 유출입이 일어남

    ⑦ 막 전위차가 역치(threshold)를 넘으면 활동전위 발생

   2) 억제성 시냅스(inhibitory synapse)

    ① 활동전위(action potential)의 생성을 억제시키는 시냅스(synapse)

    ② 세포내의 음전하가 더욱 증가하여, 활동전위의 발생을 위해서는 더 높은 전압을 필요로 함

    ③ 과분극(hyperpolarization)을 통해 일어남

    ④ 과분극에 의한 억제는 분비된 신경전달물질과 결합하는 수용체가 Cl^- 이온채널을 열 어 Cl^- ion이 뉴런 내부로 유입되는 현상 혹은 신경전달물질이 K⁺ 채널을 열게 하여 K⁺ ion 이 세포 밖으로 유출되는 현상으로 일어남

 (3) 신경전달물질(neurotransmitter)의 제거

아세틸콜린(acetylcholine) 같은 신경전달물질은 시냄스 틈(synaptic cleft)의 콜라겐 섬유(collagen fiber)에 붙어있는 acetylcholinesterase에 의해 분해 되어짐

6. 반사궁(reflex arc): 반사는 대뇌와 관계없이 반사의 중추에서 직접 운동신경에 명령을 내려 반응이 빠르게 일어나는 일이라 할 수 있으며, 감각뉴런(sensory neuron)의 신경 흥분이 운동뉴런(motor neuron)으로 직접 전달되는 신경회로로서 단순한 형태의 신경활동이라 할 수 있다. 

 ※ 반사경로: 수용기 → 감각뉴런 → 반사중추(척수, 연수, 중뇌) → 운동뉴런 → 효과기

예: 무릎반사(knee jerk reflex)

무릎 위의 사두근(quadriceps)에 있는 신장수용기(stretch receptor; 골격근에서 일어나는 변화를 감지하는 뉴런) 자극 → 척수(spinal cord)에 전달 → 운동뉴런(motor neuron) → 근육 수축(muscle contraction)

7. 신경계의 종류

 (1) 산만 신경계: 뉴런이 온몸에 퍼져 있고 그물 모양으로 서로 연결되어 있어 한 부분이 자극을 받으면 그 흥분이 온몸으로 전달되어 불필요한 부분까지 반응하는 가장 원시적인 신경계로서 흥분을 통합하거나 조절하는 기능은 없다.

예: 강장동물(히드라, 말미잘, 해파리 등)

 (2) 집중 신경계: 신경 세포들이 한곳에 모여 신경절 또는 뇌를 형성하여 신경 흥분을 통합, 조절하는 발달되어진 신경계로서 중추 신경으로부터 말초 신경이 나와 몸의 각 부분에 분포하는 신경계라 할 수 있다.

   1) 사다리 신경계: 좌우의 신경절은 가로, 세로로 이어져 사다리 모양으로 됨

예: 편형동물(플라나리아 등), 환형동물(지렁이 등), 절지동물(곤충 등)

   2) 신경절 신경계: 내장, 머리, 다리에 신경절이 있음

예: 연체동물(오징어, 조개 등)

   3) 관상 신경계: 뇌와 척수로 구성되어져 있으며, 중추 신경계는 내부에 공간이 있어 관 모양을 함

예: 척추동물(어류, 양서류, 파충류, 조류, 포유류) 

8. 신경의 흥분전도가 한쪽 방향으로만 진행되는 이유

※ 우리 몸의 기관계 중 특히 내분비계와 면역계 그리고 신경계는 항상성(homeostasis) 유지에 중요한 역할을 담당하고 있다. 이 중 신경계에서 그 자극과 전달이 양방향으로 진행된다면 수많은 신호가 뒤섞여 생물학적인 체계(biological network)에 무질서(disorder)를 초래하여 항상성을 잃어버리게 될 것이다. 그래서 우리 신경계는 시냅스에서의 활동전위(action potential)가 축색돌기(axon)의 한쪽 방향으로만 진행되게 되어있다. 그 이유를 간단히 말한다면 신경전달물질(neurotransmitter)을 분비하는 시냅스 소포(synaptic vesicle)는 축색돌기(axon) 말단에, 수용체(receptor)는 수상돌기(dendrite)에만  있으므로 흥분의 전달은 한쪽 방향으로만 일어난다고 할 수 있다. 신경세포에 있어서 신경흥분 전달은 축색돌기(axon) 말단에서 다른 뉴런의 수상돌기(dendrite)나 세포체(cell body)로만 전달되고 그 역방향으로는 진행되지 않는다.