뉴런의 구조와 정보전달 과정의 이해

1. 뉴런이란 무엇인가

뉴런(neuron)은 신경계에서 보를 처리하고 전달하는 역할을 한다. 뉴런은 세포체, 수상돌기, 축색으로 이루어져 있다. 세포체는 핵, 리보솜, 미토콘드리아 및 대부분의 세포에서 찾아볼 수 있는 기타 구조를 가지고 있다. 수상돌기는 메시지를 받아들이는 데 중요한 수용기 역할을 한다. 뉴런들 간의 신경전달물질은 시냅스(synapse)를 통해 전달되는데, 시냅스란 신호를 보내는 세포의 종말 단추와 그 신호를 받아들이는 세포의 세포체나 수상돌기 막 사이의 연결부 위이다. 시냅스에서의 교신은 종말 단추에서 다른 세포의 막 쪽으로 나아가는 방향으로만 이루어진다. 축색은 길고 가는 관처럼 생겼으며 수초로 덮여 있는 경우도 있다. 축색은 세포체에서 종말 단추로 정보를 전달한다. 수상돌기와 마찬가지로 축색과 그 가지들의 모양은 다양하다. 실제로 뉴런의 세 요소의 기본 형태는 수상돌기와 축색이 세포체에서 뻗어 나오는 양상에 따라 분류된다. 또한, 일반적으로 세포체 막에서 하나의 축색과 여러 개의 수상돌기가 뻗어 나오고 있지만, 양극성 뉴런의 경우 세포체의 양쪽 끝에서 하나의 축색과 하나의 수상돌기가 뻗어 나온다. 양극성 뉴런은 줄 감각 뉴런으로, 그 수상돌기가 외부 환경에서 발생한 사건을 탐지하여 그 정보를 중추신경계로 전달한다.

 

2. 뉴런 내 정보전달의 과정

뉴런 내 정보전달은 뉴런의 축색 막을 사이에 두고 그 안쪽과 바깥쪽의 전위차가 발생함으로써 이루어진다. 이것은 세포막의 성질에 의한 것으로, 반투과성 막인 세포막은 전기를 띤 여러 이온들을 모두 다 통과시키지는 않는다. 축색이 쉬고 있을 때 즉, 안정 상태에 있을 때, 축색 내부는 외부에 비해 음전위를 띠고 있다. 이는 양전기를 띤 나트륨 이온이 세포 내부보다 외부에 더 많기 때문이다. 또한, 세포막은 양전기를 띤 이 나트륨 이온을 통과시키지 않는다. 이와 같은 축색 안팎의 전기적 상태를 안정 전위(resting potential)라고 편, 어떤 자극이 축색을 흥분시키면 축색 막에 있는 작은 통로들이 열려 나트륨 이론 내부로 들어가게 된다. 그래서 나트륨 양전기가 들어옴으로써 음전위이던 축색 내부 외부에 비해 양전 위로 바뀐다.

 

이것을 활동 전위(action potential)라고 하는데, 신경 충동, 신경흥분이라고도 한다. 활동 전위가 축색을 따라가면서 그다음 부위를 차례로 자극하게 되고, 이 지점에서 나트륨 이온이 축색 내부로 들어가게 된다. 활동 전위가 축색의 끝에 도달할 때까지 이러한 과정이 반복해서 일어난다. 나트륨 이온이 뉴런의 세포막 내부로 들어간 직후 칼륨이온(K+)이 세포 밖으로 나와서 막을 사이에 둔 전위차는 이전 상태로 되돌아간다. 활동 전위는 뉴런에 따라 차이가 있지만 1초에 약 1~100m의 속도로 전달된다. 축색을 따라 내려가는 정보 전달에는 나트륨 이온의 흐름이 있어야 하기 때문에 이 흐름을 차단하면 뉴런은 정보를 전달할 수 없게 된다. 예를 들면, 마취제인 노보케인(Novocain) 같은 약물은 나트륨 이온이 흐르는 통로를 막아 통증에 대한 정보가 뇌까지 전달되지 못하게 함으로써 통증을 느끼지 못하게 한다.

 

3. 시냅스 기능

뉴런 간 정보전달 활동이 이루어지는 곳이 시냅스(synapse)이다. 포유동물의 뇌에 있는 대부분의 시냅스에는 신경전달물질이라고 하는 특수한 화학적 물질의 분비가 이루어진다. 시냅스 전 종말 단추에는 소낭이 많이 있고, 시냅스 전막과 후막 사이에는 약 20nm(1nm는 1/10억 m)의 극히 좁지만 분명히 떨어져 있는 틈이 있다. 활동 전위가 축색을 따라 내려와 이 종말 단추에 이르면, 종말 단추 안에서는 신경전달물질이 들어 있는 소낭이 시냅스 틈으로 터진다. 그러면 이 물질이 시냅스 틈을 건너 시냅스 후막에 있는 수용기와 결합하여 그 뉴런을 흥분시키거나 억제시킨다. 즉, 신경전달물질의 화학적 특성에 따라 그리고 수용기의 유형에 따라 뉴런이 흥분하거나 억제된다.

 

시냅스 후 뉴런은 거의 동시에 다른 많은 뉴런으로부터 흥분과 억제를 받고 있다. 흥분의 전체량이 억제의 전체량보다 크면 활동 전위를 일으키게 된다. 만약 억제의 합이 흥분의 합보다 크면 그 뉴런은 일시적으로 잠잠해진다. 대부분의 뉴런들은 자발적으로 보통 속도로 활동 전위를 일으키고 있다. 흥분시키는 신경전달물질은 활동 전위를 더 자주 일으키고, 억제시키는 신경전달물질은 활동 전위를 덜 빈번하게 일으킨다.