제 6장. 신경의 신호전달과 신경계의 구조 - 유튜브 동영상

[문형철]

신경계

우리 몸 전체를 거미줄처럼 연결하는 조절계

그 신비로운 메커니즘에 놀라움을

그 신비로운 메커니즘 탐구를 한 인류 탐구자들에게 감사와 존경을..

panic bird..

인체를 구성하는 세포의 기능을 통합 조절하기 위해 2개의 조절계가 존재한다. 그중 하나인 내분비계는 혈액으로부터 유래된 전달물질의 집합으로 비교적 느리게 작용한다. 또 다른 하나인 신경계는 빠른 조절시스템으로 이 장에서 탐구할 부분이다. 이 두 시스템은 서로 볗동하여 대부분의 내부기능을 조절하고 우리가 집합적으로 인간의 행동이라 일컫는 활동들을 구성하고 조절한다. 

신경계는 뇌, 척수, 말초를 망라하는 그물망에 분포되어 있는 조단위의 세포들로 구성된다. 이러한 세포들은 전기적 혹은 화학적 신호를 이용하여 서로 소통한다. 이들은 내장기관들을 통합 조정하여 항상성을 유지하고 자극을 전달하며 움직임을 조절할뿐만 아니라 인간의 생각과 같이 아주 복잡한 것을 암호화하기도 한다. 우리는 이장에서 개별 뉴런의 구조즐 논의하고, 신경의 기능에 기초가 되는 전기화학적 기전 및 신경계의 기본 조직과 주요구분에 대해서 논의할 것이다. 

신경조직

중추신경계

말초신경계

신경전달물질 : 대부분의 뉴런의 경우 신경전달물질인 화학적 전달물질을 분비시켜 다른 세포와 교감한다. 대부분의 뉴런은 수십만개의 다른 뉴런으로부터 입력된 정보를 통합하여 이로부터 출력신호를 내어놓기 때문에 "통합자(integrator)"로서 작용한다. 

1. 뉴런의 구조와 유지

수상돌기

세포체(soma)

수상돌기 가시라 불리는 혹 모양의 돌출부위는 수상돌기의 표면적을 한층더 증가시키는데 이들에는 종종 리보솜이 존재한다. 단백질 합성기구의 존재는 시냅스 활성변화에 따른 반응으로 수상돌기 가시모양의 재구성이 필요할때 허용되기도 한다. 그러므로 수상돌기는 다른 많은 뉴런으로부터의 신호를 받을 수 있는 세포의 능력을 증진시킨다. 가지를 친 수상돌기는 세포의 표면적을 증가시키는데, 일부 뉴런은 40만개나 되는 수상돌기를 가지고 있기도 하다. 

종종 신경섬유라 불리는 축삭(axon)은 세포체로부터 뻗어 나온 돌기로서 표적세포에 출력을 전달한다. 축삭은 몇 um에서부터 1미터가 넘는 것까지 길이가 다양하다. 세포체로부터 축삭이 뻗어나온 부위를 첫마디(initial segment, axon hillock)이라 부른다. 이  첫마디가 대부분의 뉴런에 있어서 전기적 신호가 생성되는 '시발구역'이다. 이 신호들은 세포체로부터 축삭을 따라 퍼져나가거나 일부의 경우에 있어서는 수상돌기로 되돌아 오기도 한다. 

각 가지는 축삭말단(axon terminal)에서 끝이 나는데, 이곳이 축삭에서 신경전달물질을 분비하는 곳이다. 화학전달물질은 세포와 세포 사이의 틈을 가로질러 말단 반대쪽의 세포를 향해 확산된다. 일부 뉴런은 이와는 다르게 축삭을 따라 불거져 나와있는 팽대부라 알려진 일련의 영역을 통해 화학물질을 분비하기도 한다. 

많은 뉴런의 축삭은 일반적으로 고도로 변형된 주변 지지세포의 20-200겹의 세포막으로 구성된 미엘린(myelin)으로 덮여 있다. 뇌와 척수에서 미엘린을 형성하는 세포는 희소돌기교세포(oligodendrocyte)이며 각각의 희돌기교세포는 분지를 하여 많게는 40개의 축삭에 미엘린을 형성하기도 한다. 말초신경계에서는 슈반세포라 불리는 세포가 일부 축삭을 따라 일정한 간격으로 1-1.5mm 길이의 축삭부위를 둘러싸서 개별 수초를 형성한다. 연접한 미엘린 사이에서 축삭 세포막이 세포외액에 노출이 되는 공간을 우리는 랑비에 결절이라 부른다. 

축삭운반(axonal transport) - 키네신과 디네인이라 알려진 운동단백질에 의해 의존. 전방부 이동(anterograde), 역방향 이동(retrograde)

2. 뉴런의 기능적 분류

구심성 뉴런 - 감각수용기(sensory receptor)를 가지고 있음. 구심성 뉴런은 일반적으로 축삭으로 간주되는 단일돌기만을 가지고 있다는 점에서 특이하다. 축삭은 세포체로부터 뻗어 나온 직후 바로 가지를 친다. 하나의 가지인 말초돌기는 수용기 말단으로부터 수상돌기 가지들이 한곳으로 수렴되는 위치로부터 시작된다. 다른 가지인 중추돌기는 다른 뉴런들과 연접을 형성하기 위해 중추신경계로 들어간다. 그림 6-4로부터 구심성 뉴런의 세포체와 긴 축삭은 중추신경계 밖에 존재하고 중추돌기의 일부만이 뇌나 척수로 들어가고 있음에 주의하라. 

원심성 뉴런 - 일반적으로 원심성 뉴런의 세포체와 수상돌기는 중추신경계 내부에 존재하며 축삭이 주변말단으로 뻗어나간다. 

연합 뉴런(interneuron) : 연합뉴런은 중추신경계 내부의 뉴런들을 연결시킨다. 중추신경계로 들어가는 구심성 뉴런 하나당 약 10개의 원심성 뉴런과 20만개의 연합뉴런이 존재한다. 그러므로 대부분의 뉴런은 연합뉴런이다. 연합뉴런은 전적으로 중추신경계 내부에 존재한다. 이들은 전체 뉴런의 99%이상을 차지하며, 아주 다양한 생리학적 특성, 모양 및 기능을 가지고 있다. 특정 구심성 뉴런과 원심성 뉴런 사이에 위치하고 있는 연합뉴런의 수는 이들이 조절하고 있는 기능의 복잡성에 따라 다양하게 나타난다. 무릎반사작용은 연합뉴런을 거치지 않고, 구심성 뉴런이 원심성 뉴런과 직접적으로 작용하여 대퇴근육을 반사적으로 활성화시키는 것이다. 반면에 누군가 노래를 듣거나 특정 향수 냄새를 맡아 이전에 알고 지내던 누군가의 기억이 떠올랐다면 아마도 수백만개의 연합뉴런이 관여하여 일어난 일이었을 것이다. 

nerve fiber는 단일 축삭을 일컫는데 쓰이는 용어

nerve는 결합조직에 의해 결합되어 있는 축삭(섬유) 다발

신경전달물질과 시냅스 : 2개의 뉴런사이에서 하나의 뉴런이 다른 뉴런의 전기화학적 활성을 변화시키는 해부학적으로 특화되어 있는 연접을 시냅스라 부른다. 대부분의 시냅스에서 하나의 뉴런으로부터 다른 뉴런으로 전달되는 신호는 신경전달물질을 통해서 이루어지는데 이 용어는 원심성 뉴런이 효과기 세포(예를들어 근육세로)와 소통할때 이용하는 화학물질도 포함한다. 하나의 뉴런으로부터 분비된 신경전달물질은 이를 수신하는 뉴런의 막에 존재하는 특정단백질 수용체에 결합하여 수신하는 뉴런을 변화시킨다. 대부분의 시냅스는 한 뉴런의 축삭말단과 다음 뉴런의 수상돌기나 세포체 사이에 형성된다. 때때로 2개의 수상돌기 사이에 혹은 수상돌기와 세포체 사이에 혹은 하나의 축삭말단과 다른 축삭말단 사이에 형성되기도 한다. 

시냅스전 뉴런(presynaptic neuron)과 시냅스 후 뉴런 - 신호를 시냅스 쪽 방향으로 전달하는 뉴런을 시냅스 전 뉴런이라 부르고, 시냅스로부터 먼 쪽으로 신호를 보내는 뉴런을 시냅스 후 뉴런이라고 한다. .. 시냅스 후 뉴런은 수상돌기와 세포체 표면에 수천개의 시냅스 연접을 이루고 있어서 많은 시냅스 뉴런의 신호가 자신에게 영향을 미칠 수 있도록 한다. 

3. 교세포(glial cell, oligodendrocyte 희돌기교세포)

뉴런은 중추신경계 전체 세포 중의 10%에 불과하다. 나머지는 신경교라 불리는 교세포(glial cell)이다. 그러나 뉴런은 교세포보다 훨씬 더 많이 가지를 치기때문에 뇌나 척수에서 뉴런이 차지하는 비율은 약 50%를 점유한다. 

참고로) 많은 중추신경계 종양은 교세포에 기원을 둔다. 심층논의는 19장

교세포는 뉴런의 몸체, 축삭, 그리고 수상돌기를 둘러싸고 있으며 이들에게 물리적 대사적 지지를 제공한다. 한종류의 교세포인 희돌기교세포는 중추신경계 축싹을 감싸는 미엘린을 형성한다.

별세포(astrocyte) -  또하나의 교세포인 별세포는 시냅스 주변의 K+과 신경전달물질을 제거하여 중추신경계의 세포외액의 조성을 조절하는데 일조를 한다. 별세포의 또 다른 중요한 기능은 중추신경계에 존재하는 모세혈관벽을 만드는 세포들 사이에 밀착결합이 형성되도록 자극하는 것이다. 이것이 Blood-brain barrier(혈액-뇌 장벽)을 형성하는데, 이 장벽은 독소나 다른 물질들이 뇌로 유입되는 것을 막는다. 별세포는 뉴런의 대사적인 측면에서도 지지한다. 예를들면 별세포는 뉴런에 포도당을 공급하고 암모니아를 제거시켜 준다. 이 외에도 별세포는 뉴런과 같은 많은 특징을 가지고 있다. 

혈액-뇌장벽

혈 액뇌장벽(血液腦障壁,Blood-Brain Barrier)은 뇌척수액과 혈액을 분리시키는 장벽으로 높은 선택적 투과성을 갖고 있어 몸의 주요 조절 중추를 세균 등과 같은 혈액으로 운반될 수 있는 병원체와 혈액 내의 잠재적인 위험 물질로부터 격리시키는 역할을 한다. Paul Ehrlich이 실험을 통해 발견했는데, 푸른색 염료를 동물의 혈관에 주입했을 때, 뇌와 척수조직을 제외한 모든 조직이 파랗게 물드는 현상과, 같은 염료를 뇌를 감싸는 용액에 주입했을 때 뇌와 척수만 파랗게 물드는 현상을 토대로 혈뇌장벽의 존재를 밝혔다. 뇌 모세혈관의 내피세포는 성상교세포의 발동기로부터 분비되는 물질에 의해 밀착연접을 형성하여 세포 간 용질의 이동을 방해하여 고분자와 친수성 물질의 통과를 막는다. 이로 인해 수용성 분자가 혈액 뇌 장벽을 통과하기 위해서는 특별한 채널이나 운반체 단백질을 필요로 한다.

뇌의 일부분에는 혈액 뇌 장벽이 없는 부분이 있으며, 이 부분들을 뇌실주위기관이라고 한다. 뇌실 주위 기관에는 능형오목의 가장 아래쪽에 있는 최후영역과 뇌궁하기관, 종말판의 맥관기관, 후교련 밑의 교련하기관, 시상하부의 정중융기 등이 있으며, 뇌하수체와 송과선도 뇌실 주위 기관으로 분류한다. 최하 구역을 제외한 모든 뇌실 주위 기관은 제3뇌실과 연관되어 있으며, 모두 정중앙 부위에 있다. 이 중에서 최후 영역은 일종의 화학수용기로 구토를 일으키는 여러 화학물질에 반응하여 구토반사를 일으킨다. 맥관 기관 역시 혈액이나 뇌척수액 내에 존재하는 펩타이드와 단백질에 대한 화학수용기로 작용한다고 알려져 있다. 시상하부의 정중융기와 뇌하수체 및 송과선은 모두 호르몬을 분비하는 내분비기관이다. 이 부분에 있는 혈관은 중추신경계통의 모세혈관에 나타나는 밀착연접이 없으며, 다른 내분비기관과 같이 유창모세혈관으로 구성되어 있다.

소교세포(microglia) - 세번째 유형의 소교세포는 대식세포와 같은 특화되어 있는 세포로서 중추신경계에서 면역기능을 수행한다. 

뇌실막세포(ependymal cell) - 뇌실막세포는 뇌와 척수내부에서 액체로 채워진 강의 내벽을 형성하며 뒤에 다루어질 내용인 뇌척수액의 생성과 흐름을 조절한다. 

참고) 슈반세포 - 말초신경계의 교세포인 슈반세포는 중추신경계 교세포의 특성 대부분을 가지고 있다. 슈반세포는 말초신경섬유의 수초를 형성한다. 

4. 신경의 성장과 재생

전구세포

성장원뿔

신경성장인자

세포자살

가소성 - 발달 초기의 뇌는 성인의 뇌에 비해 자극이나 손상에 반응하여 개조 혹은 재조직을 할 수 있는 능력이 훨씬 큰데, 이러한 특징을 가소성(Plasticity)라고 한다. 예를들어 발작을 겪은 태아는 뇌의 대략 반쪽을 잘라내어도 대대적인 재조직을 통해 성인이 될때까지 뇌의 완벽한 기능성을 회복할 수 있다. 같은 시술이 성인에게 가해지면 잘려나간 부분의 뇌가 관장하던 기능이 영원히 사라지게 된다. 

많은 신경계에서 특정기능이 발달하는 임계기간은 아주 어릴적에 일어나는데, 시각경로의 경우가 그렇다. 시각적 자극을 처리하는데 관여하는 뇌부분이 1-2세 사이에서 정점을 이루는 임계기간 동안 아무런 시각적 자극도 받지 못하면 영구적으로 손상을 입게 된다. 반면에 언어를 배울 수 있는 능력은 가소성에 있어서 훨씬 더 천천히 그리고 더 미묘한 변화를 거친다. 비록 성인도 새로운 언어를 배울 수 있는 능력은 가지고 있지만 태어나서부터 사춘기에 이를때까지 임계기간에 비해서 훨씬 더 어렵다. 

성숙한 중추신경계에서 주요 신경회로의 기본적인 모양과 위치는 일단 형성이 되고나면 변하지 않는다. 그러나 태아발생 도중에 시작된 시냅스 연결의 생성 및 제거는 일생을 통해 비록 느리기는 하지만 정상적인 성장, 학습, 노화의 일부분으로 계속 진행된다. 또한 비록 전에는 새로운 뉴런의 생성이 출생 시기즈음에서 멈춘다고 생각되었지만 최근의 새로운 많은 증거에 의하면 뇌의 일부분은 평생동안 새로운 뉴런을 생성할 수 있는 능력을 가지고 있는 것처럼 보인다. 예를들어 인식적인 자극은 성인에서도 학습과 관련된 뇌부분에 뉴런의 수를 증가시킨다. 덧붙여서 일부 항우울증 약물의 효과가 감정과 동기부여에 관여하는 대뇌변연계의 새로운 뉴런 생성에 기인한다는 것이 밝혀졌다..

설사 축삭이 절단되더라도 손상이 중추신경계 밖에서 일어나고 뉴런의 세포체가 영향을 받지 않는 한 이들은 스스로 복구해서 상당부분의 기능을 복구할 수 있다. 이러한 손상뒤에 세포체로부터 떨어져 나간 축삭부위는 퇴화한다. 그런 뒤에 세포체에 아직 붙어있는 축삭부위가 성장원뿔을 형성하고 이것이 효과기 장기로 자라나가 본래 기능을 종종 회복한다. 말초신경 손상뒤에 기능의 회복은 시간이 걸리는데 이는 축삭 성장이 하루에 단 1mm의 속도로 진행되기 때문이다. 예를들어 엄지손가락으로부터 구심신경이 깨부위의 부상으로 인해 손상을 입었다면 엄지손가락의 감각이 돌아오는데 약 2년이 걸린다. 

척수의 손상은 특징적으로 조직이 잘려지기보다는 으깨지는 경우인데, 이  경우 축삭은 손상을 입지 않은 상태로 남게 된다. 이러한 경우 일차적인 문제는 주변의 희돌기 교세포의 세포자살이다. 이러한 세포들이 죽고 이들 세포와 연관되어 있던 축삭이 미엘린 피막을 잃게 되면 축삭은 정보를 효과적으로 전달할 수 없게 된다. 중추신경계 내부에서 절단된 축삭은 새로운 작은 돌기를 자라게 할 수 는 있으나 축삭의 의미있는 재생은 손상된 부위를 넘어서서 일어나지 않으며, 기능의 의미있는 복구가 이루어졌다는 보고는 없다. 

기능적 복구는 중추신경계 뉴런의 일부 기본적인 차이에 의해서 혹은 주변의 교세포와 연관되어 있는 억제인자와 같은 이들 환경의 일부특성에 의해 억제된다. 

많은 과학자들의 줄기세포 연구..

파킨슨병을 앓고 있는 환자에게 태아 뇌의 후엽으로부터 조직을 떼어내어 영향을 받은 부위에 이식하여 운동기능의 회복에는 일부 성공을 거두었다. 도덕적인 문제로 이 기술의 미래는 불투명하다...

막전위

1. 전기의 기본원리

4장에서 논의되었듯이 세포외액의 주요용질은 이온들인 Na+와 Cl- 이다. 세포내액은 높은 농도의 K+와 이온화된 비확산성 분자들 특히 인 화합물과 음전하를 띠는 곁사슬을 가지는 단백질을 포함하고 있다. 이러한 전하를 띠는 입자들의 분포로부터 야기되는 전기적 현상은 세포의 세포막 상에서 일어나며 뉴런의 두가지 주 기능인 신호통합과 세포와 세포의 소통에 중요한 역할을 한다. 

같은 종류의 전하는 서로 밀어낸다. 양전하는 양전하를 밀어내고 음전하는 음전하를 밀어낸다. 반면에 상반되는 전하를 띠는 물체는 서로 끌어당기며 장애물에 의해서 분리되어 있지 않는 한 상대방을 향해 움직일 것이다. 

그림 : 양전하와 음전하 사이의 전기적 친화력은 전하량에 비례하고, 전하간 거리에 반비례한다. 

반대부호를 가진 분리된 전하는 서로 가깝게 갈수록 허용되면 일을 할 수 있는 잠재력을 가진다. 이러한 잠재력을 전기전위(electrical potential) 혹은 이러한 잠재력이 두점 사이의 전하량의 차이에 의해서 결정되기 때문에 전위차(potential difference)라고 부른다. 전기 전위차는 종종 단순히 전위(potential)라고도 명명된다. 

전위차의 단위는 볼트(V)이다. 대부분의 생물권에서 분리될 수 있는 전체 전하는 아주 작다. 그래서 전위차도 작으며 밀리볼트(1mV=0.001V)로 측정된다. 

전하의 움직임이 전류(current)이다. 전하간의 전기전위(electrical potential)는 전하(charge)를 흐르게 만들어 전류를 생성한다. 만일 전하가 서로 반대이면 전류가 이들을 서로 가깝게 이동시키지만, 만일 전하가 서로 같다면 전류는 이들 간의 분리를 더 크게 이동시킨다. 이동하는 전하의 양-즉 전류-는 전하간의 전위차와 자신들이 이동해야 하는 물질의 성질이나 구조에 의존한다. 전기적 전하의 이동을 방해하는 것을 저항(resistance)이라고 한다. 저항이 크면 전류량은 작다. 전압과 저항이 전류에 미치는 영향은 옴의 법칙 I=V/R 

양전하와 음전하 사이의 전기적 친화력은 전하량에 비례하고, 전하간의 거리에 반비례한다.

전기적 저항이 큰 물질은 전류량을 감소시키는데, 이들을 절연체라고 한다. 저항이 작은 물질은 전류가 빠르게 흐르도록 하는데, 이들을 전도체라고 한다. 이온이 용해되어 있는 물은 이온이 전류를 이동시킬 수 있기 때문에 비교적 좋은 전기 전도체이다. 앞서 보았듯이 세포내액과 세포외액은 많은 이온을 포함하고 있어서 전류를 흐르게 할 수 있다. 그러나 지질은 전하를 띠는 부위가 아주적어서 전류가 흐르지 못한다. 그러므로 세포막의 지질층이 저항이 작은 수용성 공간인 세포내액과 세포외액을 불리시키는 전기적 저항이 큰 부위이다.

2. 휴지막 전위(resting membrane potential)

휴지 상태에 있는 모든 세포는 세포막을 중심으로 세포의 안쪽이 바깥쪽에 비해 음전하를 띠는 전위차를 가지고 있다. 관습에 의해 세포외액의 전압을 0으로 보고 막전위의 극성을 세포내부에 과량으로 존재하는 전하의 극성으로 표시한다. 예를들어 세포내액에 과량의 음전하가 존재하고 막을 경계로 형성된 전위차의 양이 70mV이면 우리는 막전위가 -70mv라고 표기한다. 

휴지막전위의 크기는 세포종류에 따라 약 -5mV에서 -100mV 까지 다양하다. 휴지막전위는 전류의 변화가 전위를 바꾸어 놓기 전에는 일정하게 유지된다. 휴지막 전위는 아주 적은 과량의 음전하가 세포내부에 아주 적은 과량의 양전하가 세포외부에 있기 때문에 존재한다. 세포 내부의 과량의 음전하가 세포외부의 과량의 양전하를 전기적으로 끌어당기고 역으로 세포외부의 과량의 양전하는 세포내부의 과량의 음전하를 전기적으로 끌어당긴다. 

그러므로 대부분의 세포내액과 세포외액은 전기적으로 중성인 반면 세포막의 안쪽과 바깥쪽 표면에는 과량의 전하(이온)들이 얇은층을 형성하여 모여든다. .. 전형적인 뉴런의 세포내액과 세포외액에 존재하는 Na+, K+, Cl- 이온의 농도를 알아보면 .. 표 6-2

이들 이온을 보면 세포내부와 세포 외부 사이의 농도는 10-30배에 이름. 하지만 Mg2+, Ca2+, HCO3-, HPO42-, SO42-, 아미노산, 단백질 등을 포함하는 많은 다른 이온들의 세포 내부와 외부 양쪽 용액에 포함되어 있다. 

확산이 일어나는 이온 들 중에서 Na+, K+, Cl-가 가장 높은 농도로 존재하고 이들의 막 투과성은 서로 독립적으로 결정된다. 일반적으로 Na+와 K+이 휴지막 전위를 형성하는데 가장 중요한 역할을 하나 일부세포에서는 Cl-도 중요한 인자가 된다. 

Na+와 Cl-농도는 세포외부에 비해 내부가 더 낮은데 비해 K+의 농도는 세포내부가 더 높음에 주목하라. Na+와 K+농도 차이는 Na+를 세포외부로 K+를 세포내부로 능동수송시키는 Na+/K+ 이온펌프작용에 의해서 형성된다. Cl-분포는 세포 종류에 따라 다르게 나타나는데, 그 이유는 다음에 다루기로 하자. 

휴지막 전위의 크기는 주로 두요인에 의해 결정

# 특정 이온의 세포내액과 세포외액간의 농도 차이

# 세포막상에 다른 이온에 대해 열려있는 채널 수를 반영하는 다른 이온들에 대한 막 투과성의 차이

평형전위 - 어떤 이온에 대한 평형전위에서는 서로 반대로 일어나는 이동이 같기 때문에 이 이온의 순수이동은 없으며 전위도 더이상 변하지 않는다. ..어떤 한 종류의 이온에 대한 평형전위는 다른 종류의 이온에 대한 평형전위와 비교하여 크기와 방향이 다를 수 있는데, 이는 특정 이온의 세포내부와 외부사이의 농도 기울기에 기인하기 때문이다. 만일 어떤 이온에 대한 평형전위를 계산할수 있다면 이 이온에 대한 평형전위는 네른스트 방정식을 통해 계산할 수 있다. 

네른스트 방정식(Nernst equation) : 네른스트 방정식인 어떤 이온에 대한 평형전위를 계산하는 방정식으로 막을 경계로 형성된 주어진 농도기울기에 평형을 맞추어 이온의 순수이동이 0이 되도록하는데 필요한 전기적 전위를 나타내는 방정식이다. 

골드만-호지킨-카츠 반응식

전기발생 펌프

3. 차등전위와 활동전위

휴지상태 막전위의 일시적인 변화는 전기적 신호를 만들어낸다. 이와같은 변화가 뉴런이 정보를 처리하고 전달하는데 사용하는 가장 중요한 방식이다. 이러한 신호는 차등전위와 할동전위의 두가지 형태로 나타난다. 차등전위는 짧은 거리의 신호전달에 중요한 반면 활동전위는 뉴런과 근육세포막의 긴거리 신호전달에 중요하다. 

탈분극(depolarize), 재분극(depolarize), 과분극(hyperpolarize)이라는 용어들은 막전위가 휴지전위에 비해 상대적으로 어느 방향으로 변화를 일으켰는지를 기술하는데 쓰인다. 

-70mV인 휴지막전위는 분극되어 있다. 분극되어있는(polarized)이라는 표현은 단순히 세포내부와 세포외부가 다른 순전하를 가지고 있음을 의미한다. 막전위가 휴지기 수준보다 덜 음성을 띠게 되면(0에 가까워지면) 막은 탈분극되었다(depolarize)라고 한다. 지나치기(overshoot)는 막전위 극성의 역전을 의미한다. 즉 세포내부가 외부에 비해 양전하를 띠는 상황을 말한다. 

탈분극된 막전위가 다시 휴지기 값으로 돌아오면 막은 재분극(repolarize)되었다라고 말한다. 전위가 휴지기보다도 더 음성을 띠게 되면 막은 과분극(hyperpolarize)되었다라고 말한다. 

뉴런이 신호로 사용하는 막전위의 변화는 이온에 대한 세포막의 투과성 변화때문에 일어난다. 막에 존재하는 일부 채널들이 개폐식 즉 기게적, 화학적 자극에 의해 열리고 닫힐 수 있다. 예를들어 뉴런이 주변에 있는 다른 뉴런으로부터 화학적 신호를 받으면 일부 채널이 열릴 것이고, 이는 막을 관통하여 더 많은 이온전류가 흐르도록 하게 할 것이다. 이온이 자신의 전기화학적 기울기를 따라 더 많이 이동을 하면 막전위가 변화되어 막전위가 휴지기 전위에 비해서 탈분극되거나 과분극된다. 우리는 이러한 개폐식 채널의 특별한 성질이 생성되는 전기신호의 성질을 결정하는데 역할을 하고 있음을 보게 될 것이다. 

1) 차등전위(graded potential)

차등전위는 세포막의 비교적 작은 부위에 국한되는 막전위의 변화이다. 이들은 일반적으로 세포환경의 일부 특정한 변화가 막의 특별한 부위에 작용하였을 때 생성된다. 이들은 단순히 전위 변화의 정도가 다양화(차등화)될 수 있기 때문에 차등전위라고 부른다. 차등전위는 전위기 생성되는 위치라든지 이들이 행하는 기능과 연관되어 여러종류의 이름으로 불리는데, 예를들어 수용기 전위, 시냅스 전위, 박동원전위 등이 있다. 

차등전위가 생길때마다 이 전위의 발생장소와 아직 휴지기 전위를 띠고 있는 이와 인접한 부위의 세포막 사이에서는 전하가 흐른다. 그림 6-15는 막의 작은 부위에 일시적인 화학적 신호가 가해짐에 따라 탈분극이 일어나 잠시동안 막의 양이온 채널이 열려 주변보다 덜 음성인 전위를 형성하는 것을 보여주고 있다. 

.. 막전위의 변화는 전위변화가 일어난 위치로부터 멀어질수록 줄어들게 된다. 전류는 마치 물이 새는 호스를 통해 물이 흐르는 것과 같이 흐르는데, 수도꼭지로부터 호스의 길이가 길면 길수록 물의 흐름이 줄어드는 것과 같은 이치이다. 사실상 이온은 세포막을통해 너무나 잘 스며나갈 수 있기 때문에 이러한 전류는 발생한 곳으로부터 몇 mm가지 않아서 전부 소멸해버린다. 이러한 이유때문에 국부성 전류는 점감성(decremental)이 있다고 한다.

.. 차등전위와 이들이 생성한 국부적 전류는 거리가 증가함에 따라 전기적 신호가 줄어들기 때문에 짧은 거리(몇 mm)에서만 신호로서 작용할 수 있다. 그러나 만일 추가 자극이 차등전위가 소멸되기 전에 가해진다면 이들은 첫번째 자극으로부터 생성된 탈분극에 더해질 수 있다. 가중(summation)이라 명명되는 이 과정은 7장에서 논의되겠지만 특히 감각에 있어서 중요하다. 일부 뉴런은 차등전위만을 소통의 수단으로 쓰는 반면, 다른 세포에서는 차등전위가 먼거리 신호의 시발에 중요한 역할을 한다. 

2) 활동전위(action potential)

활동전위는 차등전위와 아주 다르다. 이들은 막전위를 크게 변화시킨다. 예를들어 막전위가 크게 -70mV에서 +30~100mV정도로변하기도 하는데 이들은 이후에 휴지막 전위로 재분극된다. 활동전위는 일반적으로 빠르게 (1~4ms) 일어나며, 초당 수백번의 빈도로 반복되기도 한다. 

뉴런과 근육세포뿐 아니라 일부 내분비세포, 면역세포, 생식세포들도 활동전위를 생성할 수 있는 세포막을 가지고 있다. 이러한 막들을 흥분성 막(excitable membrane)이라 부르며, 활동전위를 생성할 수 있는 능력을 흥분성(excitability)라고 한다. 모든 세포가 차등전위를 전파할 수 있는 반면 활동전위는 흥분성 막만이 전파할 수 있다. 축삭을 따라가면서 활동전위가 전파되는 것이 신경계가 먼거리 소통에 쓰는 방식이다. 

이온채널의 어떤한 특성이 이와같은 막전위의 크고 빠른 변하를 가능케 하며 활동전위는 어떻게 흥분성 막을 따라 전파되는가? 

전압-개폐형 이온채널 

이온채널에는 여러 종류가 있으며 종류에 따라 채널개방 조절방식이 여러가지로 다양하다. 리간드-개폐형(ligand-gated channel)은신호분자의 결합에 반응하여 열리고 , 기계적-계폐형채널(mechanically-gated channel)은 세포막의 물리적 변형(잡아당김)에 반응하여 열린다. 이러한 종류의 채널이 종종 활동전위 초기자극으로 작용하는 반면 전압-개폐형 채널(voltage-gated channel)은 막이 활동전위를 수행할 수 있는 능력을 부여한다. 

전압-개폐형 채널에는 수십종류의 다른 형태가 존재하며 이들이 전도하는 이온의 종류(Na+, K+, Ca2+, Cl-)에 따라 다양하고 막전위가 변함에 따라 어떻게 작용하는지에 따라서도 다양하다. 

활동전위 메커니즘

역치전위

2단계 탈분극은 양성되먹임기전에 의해 진행

과분극

과분극후 전위

음성되먹임과전을 통해 자신이 닫히는 것을 유도

활동전위는 실무율(all or none)의 법칙을 따름.

단일 활동전위의 크기는 자극의 크기에 비례하여 변화를 나타내지 않기 때문에 활동전위는 자신을 유발시킨 자극의 크기에 대한 정보를 전달할 수 없다. 그렇다면  우리는 어떻게 속삭임과 큰 소음을 구분할 수 있을까? 꼬집는 것과 가벼운 스침을 어떻게 구별할 수 있을까? 이러한 정보는 뒤에 논의되고 있듯이 활동전위의 크기가 아니라 활동전위가 단위 시간당 전달되는 수(예를들어 빈도)와 같은 양상에 기인하고 있다.

활동전위의 생성은 프로카인이나 리도카인과 같은 국소마취제(local anesthetic)에 의해 저해될 수 있는데, 이러한 약물들은 전압-개폐형 Na+ 채널을 차단하여 이들이 탈분극에 반응하여 열리는 것을 막기 때문이다. 활동전위 없이는 말단에서 생성된 예를들어 손상에 대한 반응과 같은 차등신호는 뇌에 전달할 수 없어 통증감각을 일으키지 못한다. 

일부 동물은 국소마취제가 작용하는 것과 같은 방식으로 신경전도를 방해하여 독소를 생성한다. 예를들어 복어의 난소는 아주 강력한 독소인 테트로도톡신(tetrodotoxin)을 생성하는데, 이는 전압-개폐형 Na+채널에 결합하여 활동전위에서 Na+에 의해 유도되는 부분을 차단시켜 버린다. 

블응기(절대 불응기, 상대불응기 refractory period)

활동전위 도중에는 두번째 자극이 아무리 크더라도 활동전위를 생성하지 못한다. 이때 막의 이러한 부위는 절대불응기에 있다고 말한다. 이는 전압-개폐형 Na+채털이 이미 열려있거나 아니면 전압-개폐형 Na+채널이 첫번째 활동전위에서 불활성화 상태로 진입한 시기에 나타난다. 이 채널을 막고 있는 두번째 자극에 반응하여 채널이 다시 열리는 것은 막의 재분극을 통해 불활성 문이 제거되고 이 채널을 다시 닫힌 상태로 되돌려 놓기 전에는 일어나지 않는다. 

절대불응기 뒤에는 자극의 강도가 일반적인 자극의 강도보다 훨씬 클 경우에 두번째 활동전위가 생성될 수 있는 시기가 존재한다. 이것이 상대불응기이며 이는 1~15ms 정도 혹은 이보다 조금 더 길게 존속하며 대략 과분극 후 기간과 일치한다. 

불응기는 주어진 시간내에 흥분성 막이 생성할 수 있는 활동전위 수를 제한한다. 대부분의 뉴런은 초당 100회까지의 할동전위 빈도에 반응하며 일부는 아주 짧은 시간동안 이보다 훨씬 더 커다란 빈도를 만들어내기도 한다. 불응기는 이러한 활동전위들을 분리시켜 개별 전기신호가 축삭을 따라 전파될 수 있도록 기여하고 있다. 불응기는 활동전위의 전파 방향을 결정하는데도 중요한 역할을 하는데, 이것이 우리가 다음 절에서 논의할 내용이다. 

활동전위 전파(propagation)

활동전위는 축삭을 따라 이동할때 축삭 막의 각 지점이 역치전위로 탈분극이 일어날때에만 뉴런의 길이 전체를 이동할 수 있다. 막은 차등전위에서와 같이 전파되는 경로를 따라 각 지점에서 아직 휴지막 전위에 있는 주변에 상대적으로 탈분극된다. 전위간의 차이가 전류를 흐르게 하고, 이 국부 전류가 주변막을 탈분극시켜 그곳에 존재하는 전압-개폐형 Na+채널들이 열리게 만든다. 활동전위 도중에 유입되는 전류는 주변의 막을 역치전위로 쉽게 탈분극시키기에 충분하다. 

새로운 활동전위는 자신에 인접한부위를 탈분극시키는 자신의 국부전류를 생성하고, 이것이 다음 부위에 활동전위를 생성하며 이러한 과정이 반복되어 막의 길이를  따라 활동전위 전파가 일어나게 된다. 그러므로 막을 따라 Na+와 K+ 채널의 순차적인 개폐가일어난다. 이는 마치 길이로 뿌려진 화약가루에 불을 붙이는 것과 같다. 활동전위는 차등전위에서 보이는 것과 같이 크기가 점차 감소하면서 전파되지 않는다. 

활동전위가 방금 지나간 막부위는 불응성이라 새로운 활동전위를 생성할 수 없으므로 활동전위 전파는 바로 직전에 활성을 띠었던부위로부터 먼 방향으로만 일어나게 된다. 만일 활동전위가 이동해야 하는 막이 불응성이지 않다면 흥분성막은 자극 위치에 의해서 결정된 전파방향과 더불어 양방향으로 활동전위를 전도할 것이다. 예를들어 근육세포에서 활동전위는 세포의 중앙부위에서 시작되어 양쪽 끝 방향으로 전파되어 나간다. 그러나 대부분의 뉴런의 경우 활동전위는 그림 6-23에서 보듯이 세포의 한쪽끝에서 시작하여 다른 쪽 끝으로 전파된다. 전파는 활동전위가 축삭의 끝에 도달하면 끝난다. 

막을 따라 전파되는 활동전위의 속도는 섬유의 직경과 섬유의 미엘린화 여부 등에 의해 결정된다. 섬유직경이 클수록 활덩전위는 빠르게 전파된다. 

미엘린 수초는 절연체로서 세포내액 공간과 세포외액 공간 사이에서 전하가 흐르는 것을 어렵게 만든다. 그래서 미엘린으로 둘러싸여 있는 섬유에서 활동전위의 전파가 일어날때에는 하나의 결절에서 다음결절로 점프하는 것처럼 보인다. 이러한 전파를 도약전도(saltotory conduction)이라 부른다. 

활동전위의 생성

.. 구심성 뉴런에서 역치에 이르는 초기 탈분극은 차등전위에 의해서 획득되는데, 여기서의 차등 전위는 수용기 전위(receptor potential)이라 불리며.. 박동원 전위에서 활동전위가 야기됨..

시냅스

1. 시냅스의 기능적 해부

2. 신경전달물질 방출 기작

3. 시냅스 후 세포의 활성화

4. 시냅스의 통합

5. 시냅스의 강도

6. 신경전달물질과 신경조정물질

7. 신경효과기의 소통

신경계의 구조

1. 중추신경계 - 뇌

2. 중추신경계 -척수

3. 말초신경계 

4. 자율신경계

5. 혈액공급 혈액-뇌장벽, 뇌척수액

[정혜]

고맙습니다

[annaKANG]

간만에 다시보내요^^ 대학원때 신경생리 재미있게 들었는데..... ㅎㅎ 감사합니다. 가볍게 리마인드 할수 있었어요.

[문형철]

ㅎㅎㅎ

그랬군요
전공과 관련된 질환을 앓고 계시네요 ㅎㅎ

[참마음]

감사합니다