beyond reason
위대한 세포
12장. 신경세포의 활동전위
뇌를 구성하는 세포덩어리를 잘게 쪼개어 현미경으로 보면 '신경세포 neuron, 성상세포 astrocyte, 희돌기교세포 oligodendrocyte, 소교세포 microglia'로 되어 있음.
뉴런(중추신경)에서 microglia는 macrophage와 같은 면역세포 기능을 하고
astrocyte는 섬유아세포와 같은 재생역할을 담당하고
oligodendrocyte는 신경의 미엘린 회복을 담당함.
만약 파킨슨 병에서 보면 염증자극을 줄이면 microgla염증은 자연회복, 섬유아세포 제기능 회복
그리고 oligodendrocyte의 미엘린 신경회복을 위한 orthomolecular 보충제 치유가 필요함
신경세포의 구조와 정보전달방법
신경세포는 몸체에 해당하는 세포체와 가지를 뻗은 수상돌기와 축삭으로 구성.
수상돌기는 정보를 받아들임. 축삭은 다른 세포로 정보를 내보냄.
수상돌기에서 받아들인 정보량이 일정수준 이상인 역치에 이르면 정보는 축삭언덕에서 활동전위로 변환되어 축삭을 통해 말단으로 전달됨.
신경세포가 다른 세포와 정보를 교환하는 장소를 시냅스라고 하는데 시냅스에서는 신경전달물질을 통해 정보가 전달됨. 즉 수상돌기쪽의 시냅스에서 신경전달물질을 통해 정보를 받아들이고 신경세포내에서는 활동전위라는 전기적 방법으로 정보를 축삭으로 전달하여 축삭에서는 다른 세포와 시냅스를 형성한 후 신경전달물질을 분비하여 정보를 전달함.
보통 1개의 신경세포에 1000개 이상의 시냅스
이는 신경세포가 단일 정보에 의존하는 것이 아니라 다양한 정보를 획득하고 이를 종합적으로 판단한다는 것을 의미함. 어떤 시냅스에서는 정보를 전달하라는 흥분성 신호를 받으며 또 다른 시냅스에서는 정보를 차단하라는 억제성 신호를 받음. 신경세포는 흥분성 신호와 억제성 신호의 양을 비교하여 판단한 다음 다수결의 원칙에 따라 정보를 전달하라는 흥분성 신호의 세기가 반응을 일으키는 최소한의 자극세기인 역치이상일 경우에만 신호를 전달함.
흥분성 신호와 억제성 신호의 세기는 세포막의 이온통로를 통해 신경세포 안으로 이동한 양이온과 음이온의 양에 의해 결정됨. 시냅스에서 분비된 신경전달물질이 수상돌기의 세포막에 존재하는 이온통로에 결합하면 이온통로의 문이 열리고 이온들이 신경세포 안으로 들어옴. 이때 흥분성 신경전달물질에 의해 양이온 통로가 열리고 억제성 신경전달물질에 의해 음이온 통로가 열림. 흥분성 신경전달물질에 의해 신경세포 안으로 들어온 양이온의 양이 음이온의 양보다 많아 역치를 넘어서면 활동전위가 발생하여 정보를 전달함.
활동전위의 발생
신경세포의 안쪽과 바깥쪽에는 여러종류의 양이온과 음이온이 존재하는데 이들 이온의 불균등한 분포로 인한 전하량 차이때문에 세포막 안쪽과 바깥쪽 사이에 전위차가 형성됨. 일반적으로 세포막을 사이에 두고 생긴 전위차는 세포바깥을 0mV로 할때 세포 안쪽이 훨씬 낮은 -70mV 정도임. 이를 휴지막전위(resting potential)라고함. 신경세포에 전달되는 흥분성 신호의 세기가 억제성 신호의 세기를 넘어서면 즉 세포로 유입되는 양이온의 양이 음이온의 양보다 많아져서 -70mV인 휴지막 전위가 역치인 -55mV정도까지 변하는 탈분극이 일어나면 신경세포는 활동전위를 발생하여 정보를 전달함.
이때 양이온의 양이 많더라도 휴지막전위를 역치까지 탈분극시키지 못하면 활동전위는 발생하지 않음. 역치에서 활동전위가 발생하는 것은 막전위의 변화에 따라 열리고 닫히는 성질을 가진 전압개폐성 Na+통로와 K+통로가 차례로 열리기 때문임.
1) 휴지막 전위인 -70mV가 유지
2) 신경전달물질에 의해 이온통로가 열리고 양이온의 유입으로 막전위가 -55mV인 역치까지 탈분극됨. 점선처럼 막전위에 도달하지 못하면 휴지막전위로 돌아감
3) 막전위가 역치에 이르러 전압개폐성 Na+ 통로가 열려 세포밖에 높은 농도로 존재하던 Na+이 급격하게 세포안으로 유입되면서 막전위는 양의 값까지 빠르게 상승함. 막전위가 Na+의 평형전위에 가까워지면 곧 전압개폐성 Na+는 닫히고 Na+의 유입은 멈춤.
4) 전압개폐성 K+통로가 열려 세포 안에 높은 농도로 존재하는 K+이 세포밖으로 유출되면서 막전위는 음의 값으로 급격히 감소함.
5) 대부분의 Na+통로가 닫힌 상태에서 K+통로가 여전히 열려있음. 그래서 막전위는 휴지막전위보다 낮은 K+평형전위에 가까운 과분극기가 나타나지만 K+통로가 닫히면서 휴지막전위로 안정화됨.
활동전위의 전도
활동전위의 발생은 세포체로부터 축삭이 시작되는 축삭언덕의 전압개폐성 Na+가 열리면서부터 시작됨. 그러나 활동전위의 하강기(4단계)동안에는 전압개폐성 Na+통로가 불활성화되기 때문에 역치 이상의 탈분극자극이 오더라도 활동전위는 발생하지 않음. 이러한 시기를 불응기(refractory period)라고 함.
불응기때문에 활동전위는 세포체에서 축삭말단 방향으로만 전달됨. 축삭언덕에서 Na+의 유입이 시작되면 바로 이웃한 축삭의 막전위가 역치 이상으로 탈분극되어 그 부위에서 다시 활동전위가 발생함. 이과정은 활동전위가 축삭을 따라 이동하면서 반복적으로 일어남. 활동전위의 크기와 지속시간은 축삭의 위치와 상관없이 일정하기 때문에 활동전위는 축삭언덕으로부터 축삭말단으로 도미노와 같은 방식으로 전달됨. 활동전위가 한방향으로만 전달되는 이유는 위에서 설명한 바와같이 활동전위가 지나간 바로 뒷부분은 전압개폐성 Na+통로가 불활성화 되어 불응기가 끝나기 전까지는 다시 활동전위가 발생할 수 없기 때문임. 즉 활동전위가 이미 지나온 반대방향으로 되돌아 진행되는 것은 불가능함.
대부분 신경세포의 활동전위 지속시간은 1-2밀리초로 매우 짧아서 1초에 수백번의 높은 빈도로 활동전위가 생성될 수 있음. 활동전위의 빈도는 신경세포에 전달되는 자극의 세기와 밀접하게 연관되어 있음. 감각기관과 연결된 신경세포의 경우 자극의 크기가 클수록(큰소리, 강한냄새, 강한 압력 등) 더욱 빈번한 활동전위가 발생함. 일반적으로 신경세포에 전달되는 자극의 크기는 신경전달물질에 의해 결정됨. 신경전달물질의 수용체는 대부분 이온통로이므로 신경전달물질이 이온수용체에 결합하면 이온통로가 열리면서 Na+, K+, Ca2+, Cl- 등의 이온이 이동함. 대표적 흥분성 신경전달물질인 아세틸콜린의 수용체는 Na+과 Ca+이온을 세포안으로 이동시킴.
한편 대표적 억제성 신경전달물질인 GABA의 수용체는 음이온인 Cl-를 세포안으로 이동시켜 과분극을 이동하여 활동전위의 발생을 억제함.
물론 신경전달물질의 작용이 이처럼 단순하지는 않음. 도파민은 수용체의 종류에 따라 흥분성 신호로 작용하기도 하고 억제성 신호로 작용하기도 함.
뇌에서 신경세포의 정보전달상황이 복잡한 까닭은 신경전달물질의 수용체가 이온통로뿐만 아니라 다양하게 존재하며 신경전달물질의 수용체가 신경전달물질뿐만 아니라 다양한 물질에 의해 조절받기 때문임.하지만 한가지 확실한 사실은 모든 신경세포가 활동전위를 발생하며 정보를 축삭말단으로 전달한다는 점임. 축삭말단에 도달한 활동전위는 또 다른 신경전달물질을 분비하여 다른 신경세포에 정보를 전달하거나 Ca2+분비를 유도하여 근육의 수축을 일으키거나 신호전달체계를 조절하여 유전자 발현을 일으키는 다양한 작용을 함.