신경 전달 물질의 기능과 이해

신경전달물질

신경전달물질은 한 뉴런이 분비하는 화학물질로, 뉴런은 이것을 시냅스를 통해 다른 뉴런에 전달함으로써 그 뉴런에 영향을 준다. 뉴런은 혈액 속에 있는 재료를 이용하여 자신의 신경전달물질을 합성해 낸다. 신경과학자들은 뇌에서 신경전달물질로 기능하고 있는 화학물질이 수십 가지라고 생각하며, 신경전달물질로 확인되거나 그럴 가능성이 있는 물질의 목록은 연구를 계속함에 따라 점점 더 길어지고 있다.

일반적으로 신경전달물질은 흥분성과 억제성 두 유형이 있어, 시냅스 후막에 감분극이나 과분극을 일으키는 효과가 있다. 즉, 뇌에서 이루어지는 대부분의 시냅스 전달은 흥분성 효과(글루타메이트: Glutamate)와 억제성 효과(GABA 혹은 글라이신 Glycine)를 가져온다. 대부분 국소적인 회로에서 나타나는 뉴런의 활동은 이 화학물질의 흥분성 효과와 억제성 효과의 최종 산물이고, 이것이 뇌 부위 간 정보의 전달과 그 강도를 결정한다. 뇌에 있는 뉴런 중에서 글루타메이트를 분비하는 종말 단추로부터 흥분성 효과를 받지 않는 뉴런은 없고, GABA 또는 글라이신을 분비하는 종말 단추로부터 억제성 효과를 받지 않는 뉴런은 없다. 물론 고통과 같은 자극을 탐지하는데 기여하는 뉴런은 예외적으로 작동하지만, 일반적으로 감각기관은 종말 단추에서 글루타메이트를 분비하고 축색을 통해 뇌에 정보를 전달한다.

 

그렇다면 여러 다른 신경전달물질은 어떤 기능을 하는가? 일반적으로 신경전달물질은 정보를 전달하는 기능보다는 강도를 효과적으로 조절하는 역할과 관련이 깊다. 즉, 글루타메이트와 GABA를 제외한 나머지 신경전달물질은 특정 뇌 부위의 기능에 관여하는 뉴런을 활성화하거나 억제하는 역할을 한다. 예를 들어, 글루타메이트와 GABA를 분비하는 뉴런은 학습을 통해 기억된 정보를 전달하지만, 아세틸콜린은 대뇌피질을 활성화시켜 학습을 점진적으로 촉진한다.

노르에피네프린은 경계심을 증가시켜 신호를 탐지했을 때 즉각적으로 행동하려는 준비성을 증가시키고 히스타민은 심리적 각성을 증대한다. 세로토닌은 생물학적 범주에서 볼 때 종 특유의 행동을 억제하여 돌발적인 행동을 할 가능성을 낮춘다. 도파민은 뇌의 거의 모든 영역에서 일반적으로 수의적 운동을 활성화하지만, 어떤 운동을 일으킬 것인지를 구체화하지는 않는다. 일부 영역에서 도파민은 진행 중인 행동을 강화하고, 이후에 그러한 행동이 출현할 가능성을 높인다. 여기서는 가장 중요한 몇 가지 신경전달물질을 알아본다.

 

 (1) 아세틸콜린(Acetylcholine: ACH)

아세틸콜린은 중추신경계의 원심성 축색이 분비하는 주요 신경전달물질이다. 아세틸콜린은 중추신경계의 운동 신호를 근육에 전달하는 신경-근 시냅스, 자율신경계의 신경절 그리고 부교감신경계의 표적 기작에서 찾을 수 있다. 아세틸콜린은 심장에서는 심근세포를 억제하여 심박률은 떨어뜨리지만 골격근 세포의 활동은 촉진한다. 또한 아세틸콜린은 뇌와 척수에서는 흥분성 효과를 야기한다. 특히 뇌에서 아세틸콜린은 학습과 기억에 중요한 역할을 하며,  알츠하이머병 환자들이 보이는 기억상실의 원인과도 관련이 있다. 알츠하이머병은 아세틸콜린을 분비하는 뉴런들이 변했을 때 발생하는데, 이 병으로 사망한 환자는 뇌 안의 아세틸콜린 수준이 정상인에 비해 절반 수준이다.

종말 단추에서 분비된 아세틸콜린의 활동을 억제하는 것이 아세틸콜린 소(achetylcholinesterase; AChE)이다. 아세틸콜린 분해효소를 비활성화하는 약물은 몇 가지 목적으로 사용할 수 있다. 그중 하나가 살충제로 사용하는 것인데, 이 약물은 곤충은 쉽게 죽이지만 인간과 다른 포유류는 죽이지 못한다. 왜냐하면 인간의 혈액은 그것을 파괴하는 효소를 가지고 있기 때문이다. 또 다른 용도가 의학적 용도인데, 중증근무력증(myasthenia gravis)이라는 유전 장애는 어떤 사람의 면역체계가 골격근에 위치해 있는 아세틸콜린 수용기를 공격해서 생기는 질병이다. 이 환자는 신경전달물질에 대한 근육의 반응이 약화됨으로써 신체적으로 점점 쇠약해진다. 그래서 네오스 티그 마인(neostigmine)과 같은 아세틸콜린 분해효소 억제제를 투여받으면, 분비된 아세틸콜린이 나머지 수용기에 대해 더 지속적으로 효과를 미치기 때문에 일부 힘을 회복할 수 있다.

아세틸콜린 수용기에는 담배에 들어 있는 니코틴(nicotine)에 의해 활성화되는 니코틴 성수 용기와 파리 끈끈이에 들어있는 무스카린(muscarine)에 의해 활성화되는 무스카린성 수용기이다. 근육섬유는 신속하게 수축할 수 있어야 하기 때문에 신속한 니코틴성 수용기를 갖고 있다. 중추신경계는 이 두 유형을 모두 가지고 있지만 무스카린성 수용기가 더 우세하다. 일부 니코틴성 수용기는 뇌에 있는 축색 - 축색 시냅스에서 발견되는데, 이 수용기의 활성화는 흡연자들이 보이는 니코틴 중독 효과와 관련이 있다.

 

(2) 모노아민(monoamine)

도파민, 노르에피네프린, 세로토닌 및 히스타민은 모노아민이라는 범주에 속하는 네 가지 화학물질이다. 이 물질들의 분자구조는 서로 유사하기 때문에, 어떤 물질은 나머지 물질에 어느 정도 영향력을 행사한다. 도파민과 노르에피네프린 및 에피네프린은 카테콜아민(catecholamines)이라는 모노아민의 하위 유목에 속한다. 모노아민은 뇌에 있는 몇몇 뉴런 체계에 의해 만들어진다. 이 체계 중 대부분은 뇌간에 있는 비교적 소수의 세포체로 구성되는데, 관련된 축색은 반복적으로 분화하여 뇌의 많은 영역에 걸쳐 분포하는 다수의 종말 단추를 형성한다. 그래서 모노아민 성 뉴런은 광범위한 뇌 영역의 기능을 조절하는 역할을 하며, 특정 뇌 기능의 활동을 증가시키거나 감소시킨다.

 

도파민(dopamine: DA)

도파민은 운동, 주의, 학습, 약물중독 및 정서행동과 관련이 있다. 또한 도파민은 정신분열증(schizophrenia)과도 밀접한 관련이 있는 것으로 보인다. 도파민 수용기의 활동이 증가하면, 환각, 조직화되지 않은 사고, 부적절한 감정표현 등의 특징을 지닌 정신분열 증세를 보인다. 반대로도 파민 성 뉴런의 활동을 억제하는 약물을 투여하면 정신분열증의 증상이 완화된다. 한편 뇌의 도파민 수준이 너무 낮으면 몸이 떨리는 운동장애를 유발하는데, 지나치게 낮을 경우 근육이 경직되고 전체 운동이 원활하지 못한 파킨슨병(Parkinson's disease)을 유발한다.

한편, 뇌는 몇 가지 도파민 체계를 갖추고 있는데, 세 가지 중요한 체계들이 중뇌에서 시작된다. 흑질에 위치한 흑질 선조계(nigrostriatal system) 뉴런의 세포체는 축색을 신선조 체인 미상핵과 피 각에 투여한다. 신선 조체는 기저핵의 중요한 부분으로 운동의 통제에 관여한다. 복측 피 개영역에 위치하는 중뇌 변연계(mesolimbic system) 뉴런의 세포체는 축색을 측핵에, 그리고 편도체 및 해마를 포함하는 변연계의 여러 영역에 투여한다. 측핵은 사람들이 남용하는 약물을 포함하여 특정 범주의 자극들이 갖는 강화(보상) 효과에서 중요한 역할을 한다. 복측 피 개영역에 위치하는 중뇌 피질계(mesocortical system) 뉴런의 세포체는 색들을 전전두피질에 투사한다. 이 뉴런은 전두피질을 흥분시키는 효과를 냄으로써, 단기 기억의 형성, 계획 및 문제 해결을 위한 전략 수립과 관련된 기능에 영향을 미친다.

 

노르에피네프린(norepinephrine: NE)

노르에피네프린은 아세틸콜린처럼 자율신경계 뉴런에서 발견되기 때문에 많은 실험적 관심을 받았다. 일반적으로 자율신경계의 교감신경계에서 주로 사용하는 노르에피네프린은 각성과 정서행동을 조절하는 기능을 한다(Pools, 1980). 그래서 우울증과 같은 정서적 장애는 노르에피네프린과 도파민의 부족과 관련된다(Weiss et al., 1981). 우울증 환자를 치료하는 데 사용하는 일부 항우울제는 주로 노르에피네프린계에 작용한다. 조울증 환자가 조증 상태에 있을 때는 리튬(Lithium)을 투여하는데, 이것은 시냅스 간격에 방출된 노르에피네프린의 재흡수를 촉진한다(Goodwin et al., 1972). 여기서 조증은 자기 도취감에 빠져 지나치게 말을 많이 하고 판단력이 상실되는 등의 증상을 보이는 정서적 장애이다.

 

세로토닌(serototine)

세 번째 유형의 모노아민 신경전달물질인 세로토닌은 뇌와 척수에서 발견되는 억제성 신경전달물질이다(Rischetal, 2009). 이것은 각성 통제, 체온 조절 그리고 감각 및 지각 기능에 중요한 역할을 한다. 뇌에서 세로토닌의 생산을 방해하는 약물은 불면증을 유발한다. 또한 세로토닌은 기분의 조절, 섭식 그리고 통증 조절에 관여하고, 꿈꾸기의 통제에도 어느 정도 관여하며 부족할 때 우울증이 발생할 수 있다. 세로토닌의 선구물질은 아미노산인 트립토판(tryptophan)이다.

세로토닌 재흡수를 억제하는 약물은 정신장애의 치료에서 매우 중요한 역할을 한다. 이약물들 중 가장 잘 알려진 플루옥세틴(fluoxetine)은 우울증, 특정 유형의 불안장애 그리고 강박장애를 치료하는 데 쓰인다. 다른 약물인 펜플루라민(fenfluramine)은 세로토닌을 분비하게 하고 재흡수를 차단하는데, 비만치료에서 식욕억제제로 사용된다.

 

히스타민(histamine)

히스타민은 히스티딘 탈탄산 효소(histididinede carboxylase)의 작용으로 아미노산인 히스티딘으로부터 생산된다. 히스타 민성 뉴런의 세포체는 뇌의 후 시상하부에 위치한 조면 유두(ruberomammilly nucleus)에서만 발견된다. 히스타 민성 뉴런은 자신의 축색을 대뇌피질과 뇌간의 광범위한 영역으로 보낸다. 히스타 민성 뉴런의 활동은 수면과 각성의 상태와 강한 상관이 있고, 그래서 히스타민 수용기를 차단하는 약물은 졸음을 유발한다. 가령, 디펜 하이드라 민(diphenhydramine)과 같은 항히스타민제(H1 길항제)는 졸음을 유발한다. 이런 이유 때문에 일부 처방전 없이 살 수 있는 수면제는 이 약물을 포함하고 있다. 또한, 히스타민은 소화 체계와 면역체계를 통제하는 데 관여하고, 알레르기 증상의 발생에도 핵심적인 역할을 한다.

 

(3) 아미노산

지금까지 살펴본 신경전달물질은 뉴런에서 합성된다. 가령, 콜린으로부터 아세틸콜린, 아미노산인 타이로신으로부터 카테콜아민, 아미노산 트립토판으로부터 세로토닌의 합성 등이다. 어떤 뉴런은 신경전달물질로 단순히 아미노산을 분비한다. 아미노산은 뇌에 있는 모든 세포가 단백질을 합성하는 데 사용하기 때문에, 특정 아미노산이 신경전달물질이라는 것을 증명하기가 어렵다. 그러나 연구자들은 최소한 8개의 아미노산이 포유류의 중추신경계에서 신경전달물질로 기능할 것이라고 생각한다. 특히, 아미노산 중 글루타메이트, GABA 및 글라이신은 중추신경계에서 가장 보편적인 신경전달물질이다.

 

글루타메이트(glutamate 또는 glutamic acid)

글루타메이트와 GABA는 매우 단순한 유기체에서도 발견되기 때문에, 많은 연구자는 이 전달물질이 최초로 진화한 것이라고 믿는다. 이 두 물질은 시냅스 후 수용기를 활성화시켜 전위를 발생시킨다. 이 외에도 축색에서 직접 흥분성 효과(글루타메이트)와 억제성 효과(GABA)를 가져와 흥분의 역치를 높이거나 낮춤으로써 활동 전위의 발생률에 영향을 준다. 글루타메이트는 세포의 대사과정에서 풍부하게 만들어지고, 뇌와 척수에서 주요한 흥분성 신경전달물질로 작용한다.

 

GABA(gamma-aminobutyric acid)

뇌에 있는 뉴런은 서로 간에 많은 연결을 맺고 있다. 억제성 시냅스의 활동이 없다면 이런 상호연결은 뇌를 불안정하게 만든다. 왜냐하면 뉴런은 흥분성 시냅스를 통해서 이웃한 뉴런을 흥분시키고 그다음 또 이웃한 뉴런을 흥분시킴으로써, 연쇄적으로 원래 활동적인 뉴런을 흥분시켜 뇌에 있는 대부분의 뉴런이 통제 불가능하게 흥분되기 때문이다. 사실상 이런 사건은 때때로 발생하는데, 이것을 발작(seizure)이라고 부른다. 간질(epilepsy)은 발작을 특징으로 하는 신경학적 장애이다. 따라서 이와 같은 뉴런의 활성화를 억제할 수 있는 신경전달물질이 필요하다.

GABA는 뇌와 척수 전체에 걸쳐 광범위한 분포를 가지고 있는 대표적인 억제성 신경전달물질이다. GABA 수용기 분자의 활성화는 염소이온 통로만을 열리도록 함으로써 억제성 시냅스 후 전위를 유발하여 정보 전달을 억제한다. GABA가 없다면 뇌는 흥분성 신경 충동 이과 도하 게 많아 경련과 발작이 생길 것이다. 그래서 뇌의 GABA 수준이 너무 낮으면 간질발작이 발생하는 것이다. 불안은 뇌에 과도한 흥분성 시냅스 전도가 있을 때 유발되는 발륨(Valium)이나 리브륨(Librium) 같은 항 불안 약물은 시냅스 간격에 대한 GABA의 분비를 증가시켜 흥분성 뉴런을 억제함으로써 긴장을 감소시킨다.

 

글라이신(glycine)

글라이신은 척수와 뇌의 하부에서 발견되는 억제성 신경전달물질로 보인다. 이것의 생성과 합성 경로에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 파상풍을 일으키는 박테리아는 글라이신(그리고 GABA)의 분비를 방해하는 화학물질을 방출한다. 그래서 이 시냅스가 가지고 있는 억제성 효과를 제거함으로써 근육을 계속 수축하도록 만든다. 글라이신 수용기는 염소 통로를 통제하기 때문에 수용기가 활성화되면 억제성 시냅스 후 전위를 발생시킨다. 인도에서 자라는 스트리크닌 나무(Strydmos nux vomica)의 종자에서 발견되는 스트리크닌(strychnine)이라는 약물은 글라이신의 길항제로 기능한다. 스트리크닌은 매우 독성이 강해 비교적 적은 용량으로도 경련을 일으켜 사람을 죽음에 이르게 한다.

 

(4) 펩타이드

최근 연구자들은 중추신경계의 뉴런이 매우 다양한 펩타이드를 분비한다는 것을 발견했다. 펩타이드는 시냅스 전 막이 아니라 종말 단추의 모든 부분에서 방출되고, 그 일부 가시 냅스 틈에 방출된다. 나머지는 인접한 다른 세포의 수용기에 작용하는 것 같다. 대부분의 펩타이드는 신경조절물질로 기능하는 것처럼 보이지만 어떤 것은 신경전달물질로 기능한다. 펩타이드 중 가장 잘 알려진 것이 내인성 아편 물질 아편 물질(endogenous opioids)이다. 여러 연구는 아편제(아편, 모르핀, 헤로인)가 뇌에 직접적으로 영향을 주어 통증을 감소시킨다는 것을 밝혔다.

지금까지 약물 학자들은 신경전달에 영향을 미치는 두 유형의 약물을 개발하였다. 헤로인과 페르 코단을 포함하는 많은 합성 아편제는 진통을 위해서 임상적으로 사용된다. 몇몇 아편 수용기 차단제도 개발되었다. 그중 하나인 하나인 날록손(naloxone)은 아편제의 해독을 위해 임상적으로 사용된다. 이 약물은 헤로인 과용으로 죽음에 이를 수 있던 많은 약물 남용자의 목숨을 구하기도 했다.