왼쪽 그림은 대표적인 뉴런의 생김새입니다.
뇌 조직은 100억개의 뉴런과 지지세포로 구성.
뉴런은 신경계의 기본적인 기능적 단위.
간단하게 다음의 내용을 개괄적으로 설명합니다.
- 1.뉴런 발생의 기원
- 2.일반세포와의 차이점
- 3.뉴런에서 필요한 에너지
- 4.뉴런의 구조
- 5.세포체의 기능
- 6.축색의 주요기능 두가지
- 7.시냅스
- 8.수상돌기
- 9.정지막 전위
- 10.활동전위
- 11.호지킨-헉슬리 방정식
|
|
왼쪽 그림은 대표적인 뉴런의 생김새입니다. 뇌 조직은 100억개의 뉴런과 지지세포로 구성. 뉴런은 신경계의 기본적인 기능적 단위. 간단하게 다음의 내용을 개괄적으로 설명합니다.
|
1. 뉴런발생의 진화론적 이야기
뇌는 동물이 움직이는 데 필요한 컴퓨터이다. 진화에서 먼저 나타나는 것은 뇌가 아니라 신경섬유이다.
원시동물인 산호 같은 것에는 아직 근육이 나타나지 않고, 해파리, 해삼 같은 강장동물에 이르러서야 온몸에 원시적인 근육과 신경이 나타난다.
조개, 낙지 같은 연체동물과 곤충 같은 절족 동물과 무척추 동물에서는 신경은 더욱 발달하여 동물로서의 자유도가 증대된다.이들 동물에 이르러서야 비로소 신경은 체내의 여기저기에 수만개씩 모여서 '신경절,ganglion' 이라는 일종의 작은 뇌를 만든다. 즉, 낙지나 오징어, 곤충 등의 뇌는 여기저기에 분산되어 있다.
한참을 지나 어류에 기원을 둔 척추동물에 와서는 분산되어 있던 작은 뇌가 머리라는 곳으로 집중되어 중앙처리방식을 택한다.
그 중에 특히 뇌가 기형적으로 비대해진 인류가 존재한다. 거대하게 된 인류의 뇌는 운동과 행동의 제어라는 본래의 역에서 벗어나 인간을 인간답게 하는 마음, 정신이라는 것도 만들어 버렸다. 그러나 오직 인간에게만 정신이 있다고 생각하는 것은 인류의 자만 일지도 모른다. 동물을 나타내는 영어의 animal은 라틴어의 anima(영혼, 마음)를 어원으로 한다. 이것은 동물을 단순한 '움직이는 존재'가 아닌 '마음, 정신을 가진 생물'로서 인식하고 있음을 보여준다.
뇌를 가진 생물 --- 동물에게는 어떤 형태의 마음 또는 정신이 있다.
그럼 처음의 문제 신경세포는 어쩌다 만들어 졌나?
지구상에 먼저 출현한 단세포 생물들 - 이것들은 말 그대로 천상천하 유아독존이다. 정보를 전달할 상대가 없다. 이기적인 유전자의 명령에 따라서 혼자 먹고 사는 것이 주 임무이다.
그러다 다세포생물이 출현하면서 혁명적인 변화가 있는 거 같다. 옛날 처럼 혼자 먹고 살려다가는 다 죽고 만다. 또는 자신 몸의 어떤 세포가 상처를 입었을 때 방치해 뒀다가는 역시 다 죽고 만다. 세포 이기주의는 집단세포 이기주의로 바뀐다.주위 세포들이 일사불란한 기능을 발휘하기 위해서는 서로 정보를 전달할 필요가 있다. 먼저 나타나는 것이 물질적 방법인 호르몬이다.
그런데, 점점 세포수가 많은 개체가 출현하면서 확산에 의한 호르몬으로는 정보전달이 너무 늦다.
그래서 나타난 것 - 호르몬을 분비하는 호르몬 분비세포로부터 아예 세포막의 일부가 정보를 전달하려는 세포까지 세포막을 뻗쳐낸다.
가까운 데서 호르몬을 분비하니까 훨씬 빠른 방법이다. (얼마나 답답했으면 이럴까?)
이것이 '신경세포'의 탄생이다.
세포들의 이런 변화는 생명을 누리기 위함이다. 그런데 산다는 것은 몸을 이루는 개개의 세포의 문제가 아니라 전체로서의 세포'관계'의 문제이다. 후자에 의해 생명을 유지하고 있다는 말이 된다. 따라서 세포간의 전령 역할을 하는 호르몬과 신경전달물질이 정상적으로 작동하고 있느냐의 여부가 살기 위한 가장 중요한 문제가 된다.
------- 여기서 부터는 사족 ---
세포들간의 정보전달의 노력은 세포에만 적용되는 것은 아니다.
세포가 모여서 만들어진 한 개체에서도 이런 현상이 있다. 모든 동물은 서로간의 의사교환을 하려고 발버둥친다.
개미는 개체간의 정보 전달을 위해 몸 밖으로 배출하는 호른몬인 페로몬을 이용한다.
사람은 조금 고급스럽게 언어를 이용하고 최근에는 언어의 공간적 한계를 깨버린 막강한 인터넷! 사람들이 왜 인터넷에 열광할까?
이 모든 것이 그 옛날 세포하나에 있던 과거의 답답함의 해결책이 아닐까 라고도 생각해본다.
그만하고 공부합시다~~!
2. 일반세포와의 차이점
* 재생산이 불가능, 그러나 뉴런간의 새로운 연결은 일생동안 형성
* 뉴런의 세포막 - 정보전달에 핵심적인 역할
3.뉴런에서 필요한 에너지
전달물질 합성, 시냅스 형성, 축색의 성장, 활동전위 생성 후 sodium-potassium pump등에 에너지가 필요하다.
따라서 미토콘드리아는 뉴런의 모든곳에 분포하여 에너지를 공급한다.
Action Potential만은 에너지를 사용하지 않는다.물리적 확산에 의해 발생.
미토콘드리아가 ATP를 형성하기 위해서는 포도당과 산소를 사용한다.
4.뉴런의 구조
- 세포체, 축색, 시냅스, 수상돌기로 구성.
그림 . 뉴런의 구조
5. 세포체의 기능
단백질, 펩티드, 전달물질이 형질내세망과 니슬체에서 합성되어 골지체의 소낭에 저장되었다가
이것은 뉴런 밖으로 방출되거나 후에 방출되기 위해서 뉴런 안의 다른 곳으로 이동.
활동전위 발생.
6. 축색의 주요기능 두가지
- 활동전위발생, 축색원형질수송(축색 물질 수송)
* 축색원형질 수송
축색의 세포질에서 전자현미경으로 형질내세망과 미세관(microtubule)이 확인되었다.
미세관은 여러가지 화학물질을 수송한다(다음그림 참조).
빠른 수송: 10 - 20 mm/day, 짧은 축색인 경우 수 시간이면 이동 끝
느린 수송: 1mm/day
그림 . 축색을 통한 원형질 수송.
윗 부분이 세포체, 중간이 축색, 아래는 시냅스
세포체에서 합성된 단백질이 축색의 미세관을 타고 시냅스 쪽으로 이동한다.
7. 시냅스
역할:뉴런과 뉴런의 기능적 연결점
종류: 화학적시냅스,전기적시냅스 - 진화는 화학적시냅스를 택했다.
화학적 시냅스의 특징
* Presynaptic cell에 소낭이라는 신경전달물질을 담고 있는 주머니가 있다.
* 접촉점은 완전히 붙어있지 않고 20nm의 간격을 이루고 있다.(신경전달물질은 확산에 의해 이동한다.)
* 시냅스후막 표면에 화학수용기분자가 있다.
* 소낭의 모양에 따른 시냅스의 대략적 특징
1).타원형(원형)-흥분성 시냅스(시냅스 후 세포를 흥분시킴)
2).평판형-억제성시냅스(시냅스 후 세포를 억제시킴)
3).조밀한 중심을 지닌 소낭(카테콜아민을 포함) - 흥분 또는 억제
그림 . 시냅스 접촉부분.
윗 부분이 presynaptic cell이고 반이 짤린 럭비공 모양의 미토콘드리아가 보인다.
중요한 부분은 세포내의 조그맣게 생긴 좁쌀 같은 것(소낭).
소낭속에는 신경전달물질이 들어 있고, 활동전위(action potential)이 도착하면 소낭이 세포벽으로 이동하고,
세포벽과 융합되면서 속에 있던 신경전달물질을 세포밖으로 쏟아낸다.
신경전달물질은 확산에 의해 다음 세포에 달라 붙는다.
8. 수상돌기
수상돌기는 뉴런의 수용표면을 넓히는 역할-온통 시냅스로 뒤덮여 있다.
대뇌피질의 경우 - 수상돌기에 수 많은 가시(dendritic spine)가 돋아 있고 시냅스를 형성한다. 흥분성 시냅스로 간주된다.
9.정지막전위 (Resting Potential)
모든 세포들은 외부에 대해서 내부가 -50mV - -100mV 전위가 관찰된다.
이를 정지막전위 또는 안정막전위라고 부른다.
세포막을 경계로 생기는 전위차는 세포안과 밖의 이온의 구성이 다르기 때문이다.
즉, 외부에 비해 내부가 양이온(K+)이 많다. 이온의 이동은 세포막에 분포해 있는 이온통로(ion channel)에 의한다.
이온통로는 대단히 좁아서 설탕분자와 같은 큰 입자는 통과할 수 없으며, 나트륨, 칼륨, 염소와 같은 작은 이온만이 통과 한다.
세포막에는 이온의 종류에 따라 각기 고유한 통로가 있다.
즉, 칼륨이온통로, 나트륨이온 통로, 염소이온통로가 세포막 도처에 분포하고 있다.
칼슘이온 통로는 축색종말에 상당수 있으며 시냅스전달에 특수한 역할을 담당한다.
이온통로에는 문이 없는 개방통로와 문이 있는 폐쇄통로의 두 가지의 유형이 있다.
칼륨이온통로는 대부분 개방통로이다. 따라서 칼륨은 자유롭게 드나들 수 있음을 시사한다.
세포막의 수동적(Passive)인 성질은 문이 없는 개방통로에 의해서 결정된다.
한편 칼륨이온(엄밀한 용어로 포타슘 이온)의 밀도차에 의해 정지막 전위를 게산할 수 있는데, 다음과 같이 물리학자 네른스트에 의한 네른스트 방정식이 대표적입니다.
네른스트 방정식 - 칼륨 이온의 밀도차에 의한 정지막 전위를 계산할 수 있다.
여기서,
R=기체상수
T=절대온도
z=이온의 가수
F=1몰당 전하량
설명이 조금 복잡해졌는데 이 부분의 설명을 요약하자면...
이온 채널은 이온 선택적이다.
칼륨은 가장 자유롭다.
칼륨의 농도차의 원인은 음전하인 단백질 분자 때문이며, 농도차에 의한 확산과 확산된 칼륨이 형성한 전기장이 평형인 경우의 전위차가 정지막전위이다(다른이온의 영향도 작지만 있다.).
Sodium-Potassium Pump
그림 . Sodium-Potassium 펌프의 개념도.
10. Action Potential
뉴런에서 가장 독특한 현상이 바로 활동전위 이며 이것에 의해 우리의 뇌가 빠른 정보처리를 수행 할 수 있는 계기가 마련되었다.
다음 그림은 오징어 거대 축색에서의 활동전위의 발생을 보여주고 있습니다. 두번째 그림은 축색의 단면에서 Na-gate와 K-gate의 작동 상황을 보여줍니다.
11. Hodgkin-Huxley Equation
H-H equation은 축색의 단위면적을 지나가는 전류를 기술하는 현상론적인 방정식인데, 다음과 같이 간단한 식으로 노벨상을 받았다면 믿기지 않는 분이 많을 겁니다.
다음과 같은 4개의 비선형 연립미분방정식이다.
여기서,
C = 단위면적당 전기용량(보통 1F/cm2)
, 
, 
= Na, K, Cl의 최대전도도(maximum conductance, 보통 120, 40, 0.24/cm2.)
Vna, VK, VL = Na, K, Cl의 Nernst Potential
m = Na 채널gate의 활성화 확률
h = Na 채널gate의 불활성화 확률
n = K 채널 gate의 활성화 확률
= 게이트가 닫힌 상태에서 열린 상태로의 천이의 빠르기
= 게이트가 열린 상태에서 닫힌 상태로의 천이의 빠르기
특별한 경우로 온도6도에서는
Voltage Clamp인 경우(즉, V가 상수이면)에는 H-H는 쉽게 풀린다.
m3h의 해석 : Na채널에는 m - gate가 3개, h - gate가 1개 있다.
n4의 해석 : K채널에는 n - gate가 4개 있다.
최종 수정일 1997년 12월 18일 배병훈 , 주식회사 락싸