우리 몸은 감각을 느끼고, 움직이고, 생각하고, 기억하며, 심장과 호흡을 조절하기 위해 끊임없이 정보를 주고받습니다. 이러한 정보 전달의 중심에 있는 세포가 바로 신경세포, 즉 뉴런입니다. 하여 이번 글에서는 인체 항상성에서 신경세포는 어떻게 신호를 전달하는지에 대해 써보겠습니다.
신경세포는 어떤 구조로 이루어져 있을까
신경세포는 보통 다음과 같은 구조로 이루어져 있습니다.
- 수상돌기
- 세포체
- 축삭둔덕
- 축삭
- 수초
- 랑비에 결절
- 축삭말단
각 부분은 신호 전달 과정에서 서로 다른 역할을 합니다.
수상돌기는 다른 세포에서 오는 신호를 주로 받아들이고, 세포체에서는 여러 신호가 통합됩니다. 축삭은 만들어진 전기 신호를 먼 거리까지 전달하고, 축삭말단에서는 다음 세포로 신호를 전달합니다.
수상돌기는 어떤 역할을 할까
수상돌기는 나뭇가지처럼 뻗어 있는 구조입니다.
다른 신경세포가 분비한 신경전달물질이 수상돌기의 수용체에 결합하면 세포막의 이온 이동이 달라질 수 있습니다.
이로 인해 막전위가 변하고 그 변화가 세포체 쪽으로 전달됩니다.
따라서 수상돌기는 신경세포가 외부 정보를 받아들이는 중요한 입력 영역입니다.
세포체에서는 어떤 일이 일어날까
세포체에는 핵과 여러 세포소기관이 존재합니다.
세포의 생존과 단백질 합성 같은 기본적인 기능이 이루어지는 곳입니다.
동시에 수상돌기와 세포체로 들어온 여러 전기적 신호가 통합됩니다.
어떤 신호는 신경세포를 흥분시키는 방향으로 작용하고, 어떤 신호는 억제하는 방향으로 작용합니다.
이러한 여러 신호의 합이 활동전위를 만들기에 충분한지 결정됩니다.
축삭둔덕은 왜 중요할까
축삭이 시작되는 부분에는 축삭둔덕과 초기분절이 있습니다.
이 영역은 활동전위가 시작되는 데 특히 중요합니다.
수상돌기와 세포체에서 들어온 흥분성 신호와 억제성 신호가 합쳐진 결과 막전위가 일정한 역치에 도달하면 전압의존성 나트륨 통로가 빠르게 열립니다.
그 결과 활동전위가 만들어집니다.
즉 다음과 같이 이해할 수 있습니다.
여러 입력 신호 통합 → 역치 도달 → 활동전위 발생
신경세포는 평소에도 전기를 가지고 있을까
신경세포가 아무 신호도 전달하지 않을 때도 세포막 안과 밖에는 전기적 차이가 존재합니다.
이를 안정막전위라고 합니다.
신경세포 내부는 일반적으로 외부보다 상대적으로 음전하를 띱니다.
이러한 전위차는 세포막을 사이에 두고 여러 이온의 농도가 서로 다르고, 특정 이온이 세포막을 통과하는 정도가 다르기 때문에 만들어집니다.
안정막전위는 어떻게 만들어질까
안정막전위 형성에는 여러 요소가 관여합니다.
대표적으로 다음과 같습니다.
- 세포 안팎의 나트륨 농도 차이
- 세포 안팎의 칼륨 농도 차이
- 칼륨 누출통로
- 나트륨-칼륨 펌프
- 세포 내부의 음전하 물질
특히 안정 상태에서는 세포막이 칼륨에 상대적으로 더 잘 투과됩니다.
칼륨이 농도 차이에 따라 세포 밖으로 이동하면서 세포 내부가 상대적으로 음전하를 유지하는 데 기여합니다.
나트륨-칼륨 펌프는 무엇을 할까
나트륨-칼륨 펌프는 ATP 에너지를 사용해 이온을 이동시키는 단백질입니다.
일반적으로 한 번 작동할 때 세포 안의 나트륨 3개를 밖으로 보내고 세포 밖의 칼륨 2개를 안으로 이동시킵니다.
이 과정은 세포막 안팎의 나트륨과 칼륨 농도 차이를 장기적으로 유지하는 데 중요합니다.
하지만 활동전위가 일어날 때마다 펌프가 즉시 전압을 원래대로 되돌린다고 이해하면 정확하지 않습니다.
빠른 활동전위 변화는 주로 이온통로의 열림과 닫힘으로 이루어지고, 나트륨-칼륨 펌프는 장기적으로 이온 농도 차이를 유지합니다.
막전위란 무엇일까
막전위는 세포막 안쪽과 바깥쪽 사이의 전기적 전위 차이입니다.
신경세포에서는 이 막전위가 변하면서 정보가 전달됩니다.
막전위가 안정 상태보다 덜 음성으로 변하는 것을 탈분극이라고 합니다.
반대로 다시 음성 방향으로 돌아가는 것을 재분극이라고 합니다.
안정막전위보다 더 음성으로 내려갈 수도 있는데 이를 과분극이라고 합니다.
탈분극은 어떻게 시작될까
신경세포가 충분한 자극을 받으면 막전위가 역치 방향으로 이동합니다.
막전위가 역치에 도달하면 전압의존성 나트륨 통로가 빠르게 열립니다.
나트륨은 전기적·화학적 힘에 의해 세포 안으로 들어옵니다.
그 결과 세포 내부의 전위가 빠르게 양의 방향으로 변합니다.
이를 탈분극이라고 합니다.
흐름은 다음과 같습니다.
역치 도달 → 전압의존성 Na⁺ 통로 열림 → Na⁺ 유입 → 빠른 탈분극
활동전위란 무엇일까
활동전위는 신경세포가 먼 거리로 정보를 전달할 때 사용하는 빠른 전기적 신호입니다.
활동전위는 일정한 역치를 넘으면 거의 일정한 크기로 발생합니다.
이를 전부 아니면 전무의 원리라고 합니다.
즉 작은 활동전위와 큰 활동전위를 만들어 자극 강도를 표현하는 방식이 아닙니다.
대신 자극이 강하면 일정 시간 동안 활동전위가 더 자주 발생할 수 있습니다.
활동전위는 어떤 단계로 진행될까
활동전위는 일반적으로 다음과 같이 진행됩니다.
안정 상태 → 역치 도달 → 탈분극 → 재분극 → 일시적 과분극 → 안정 상태 회복
각 단계마다 주요 이온통로의 상태가 달라집니다.
재분극은 어떻게 일어날까
탈분극이 진행된 뒤 전압의존성 나트륨 통로는 비활성화됩니다.
조금 늦게 전압의존성 칼륨 통로가 열립니다.
칼륨이 세포 밖으로 이동하면서 세포 내부 전위가 다시 음의 방향으로 변합니다.
이를 재분극이라고 합니다.
다음과 같이 정리할 수 있습니다.
Na⁺ 통로 비활성화 + K⁺ 통로 열림 → K⁺ 유출 → 재분극
과분극은 왜 생길까
전압의존성 칼륨 통로는 재분극이 끝나는 즉시 모두 닫히지 않습니다.
일정 시간 동안 칼륨이 계속 빠져나갈 수 있습니다.
그 결과 막전위가 안정막전위보다 더 음성으로 내려갈 수 있습니다.
이를 과분극이라고 합니다.
이후 칼륨 통로가 닫히고 이온 분포가 안정되면서 막전위가 정상 상태로 돌아옵니다.
불응기는 무엇일까
활동전위가 발생한 직후에는 또 다른 활동전위가 쉽게 발생하지 않는 시간이 존재합니다.
이를 불응기라고 합니다.
불응기는 크게 두 단계로 나눌 수 있습니다.
- 절대불응기
- 상대불응기
절대불응기에는 아무리 강한 자극이 와도 새로운 활동전위를 만들기 어렵습니다.
상대불응기에는 평소보다 강한 자극이 있어야 새로운 활동전위를 만들 수 있습니다.
절대불응기는 왜 생길까
절대불응기는 주로 전압의존성 나트륨 통로의 비활성화 상태와 관련이 있습니다.
나트륨 통로가 비활성화되어 있는 동안에는 새로운 활동전위를 시작할 수 없습니다.
통로가 다시 활성화 가능한 상태로 돌아와야 다음 활동전위가 발생할 수 있습니다.
이 특성은 활동전위가 축삭을 따라 한 방향으로 전달되는 데 중요한 역할을 합니다.
활동전위는 축삭을 따라 어떻게 이동할까
축삭의 한 부분에서 활동전위가 발생하면 그 부위에 들어온 양전하가 주변 막의 전위를 변화시킵니다.
인접한 부분이 역치에 도달하면 그곳의 전압의존성 나트륨 통로가 열리고 새로운 활동전위가 발생합니다.
이 과정이 연속적으로 반복됩니다.
따라서 활동전위 자체가 하나의 물체처럼 축삭 안을 이동하는 것이 아니라, 축삭의 각 부분에서 순차적으로 새로운 활동전위가 재생됩니다.
전기신호가 뒤로도 이동할까
활동전위가 발생한 직후의 막은 불응기에 들어갑니다.
따라서 바로 뒤쪽 영역은 다시 활동전위를 만들기 어렵습니다.
반면 앞쪽의 아직 흥분하지 않은 막은 새로운 활동전위를 만들 수 있습니다.
이 때문에 활동전위는 일반적으로 축삭말단 방향으로 전달됩니다.
수초는 무엇일까
수초는 축삭을 둘러싸는 지방 성분이 풍부한 절연 구조입니다.
중추신경계에서는 희소돌기아교세포가 수초 형성에 관여하고, 말초신경계에서는 슈반세포가 수초를 만듭니다.
수초는 전류가 축삭막을 통해 불필요하게 빠져나가는 것을 줄여 신호가 빠르게 전달되도록 돕습니다.
랑비에 결절은 무엇일까
수초가 축삭 전체를 완전히 덮고 있는 것은 아닙니다.
수초와 수초 사이에는 작은 노출 부위가 존재하는데 이를 랑비에 결절이라고 합니다.
랑비에 결절에는 전압의존성 나트륨 통로가 많이 분포합니다.
활동전위는 이 결절에서 집중적으로 재생됩니다.
도약전도란 무엇일까
수초가 있는 축삭에서는 활동전위가 랑비에 결절에서 다음 랑비에 결절로 빠르게 전달됩니다.
이를 도약전도라고 합니다.
실제로 신호가 빈 공간을 순간이동하는 것은 아닙니다.
수초 아래에서는 전류가 빠르게 퍼지고 다음 결절에서 활동전위가 새롭게 발생합니다.
다음과 같이 이해할 수 있습니다.
랑비에 결절 → 수초 아래 빠른 전류 이동 → 다음 랑비에 결절 → 활동전위 재생
수초가 있으면 왜 더 빠를까
수초는 축삭막을 통한 전하 손실을 줄입니다.
그 결과 한 결절에서 발생한 전류가 더 멀리 빠르게 퍼질 수 있습니다.
또 활동전위를 축삭 전체에서 매번 만들어야 하는 것이 아니라 랑비에 결절을 중심으로 재생하기 때문에 전달 효율이 높아집니다.
따라서 수초는 신경전도 속도와 에너지 효율을 높이는 데 중요합니다.
축삭이 굵으면 신호가 더 빨리 전달될까
일반적으로 축삭의 직경이 커질수록 내부 전기 저항이 낮아집니다.
그 결과 전류가 더 빠르게 퍼질 수 있습니다.
따라서 신경전도 속도는 주로 다음 요소의 영향을 받습니다.
- 축삭 직경
- 수초 존재 여부
- 랑비에 결절 구조
- 막의 전기적 특성
신경세포끼리는 직접 붙어 있을까
많은 신경세포 사이에는 아주 작은 공간이 존재합니다.
이를 시냅스틈이라고 합니다.
한 신경세포의 축삭말단과 다음 세포의 막이 서로 가까이 위치하지만 완전히 연결되어 하나의 세포처럼 이어져 있는 것은 아닙니다.
이 공간을 통해 화학적 신호가 전달됩니다.
시냅스란 무엇일까
시냅스는 한 신경세포가 다른 세포에 정보를 전달하는 연결 부위입니다.
주로 다음 구조로 이루어집니다.
- 시냅스 전 축삭말단
- 시냅스틈
- 시냅스 후 세포막
시냅스 전 세포에서는 신경전달물질을 분비하고, 시냅스 후 세포에는 이를 받아들이는 수용체가 존재합니다.
축삭말단에 활동전위가 도착하면 어떤 일이 일어날까
활동전위가 축삭말단에 도착하면 말단 세포막이 탈분극됩니다.
그러면 전압의존성 칼슘 통로가 열립니다.
칼슘이 축삭말단 안으로 들어오면 신경전달물질이 들어 있는 시냅스 소포가 세포막과 융합하게 됩니다.
그 결과 신경전달물질이 시냅스틈으로 방출됩니다.
전체 흐름은 다음과 같습니다.
활동전위 도착 → Ca²⁺ 통로 열림 → Ca²⁺ 유입 → 시냅스 소포 융합 → 신경전달물질 분비
칼슘은 왜 중요한가
축삭말단에서 칼슘은 전기적 신호를 화학적 신호로 바꾸는 핵심 연결고리입니다.
활동전위만 도착하고 칼슘이 들어오지 못하면 정상적인 신경전달물질 분비가 어려워질 수 있습니다.
따라서 다음과 같이 이해할 수 있습니다.
활동전위 = 전기 신호
칼슘 유입 = 분비 시작 신호
신경전달물질 = 다음 세포로 전달되는 화학 신호
시냅스 소포는 무엇일까
시냅스 소포는 축삭말단 안에 존재하는 작은 막 구조입니다.
안에는 신경전달물질이 저장되어 있습니다.
칼슘 신호가 들어오면 일부 소포가 세포막과 융합하고 내부의 신경전달물질을 시냅스틈으로 방출합니다.
이러한 분비 방식은 세포외배출의 한 형태입니다.
신경전달물질은 어떻게 다음 세포까지 갈까
시냅스틈으로 분비된 신경전달물질은 짧은 거리를 확산합니다.
이후 다음 세포의 막에 있는 특정 수용체와 결합합니다.
신경전달물질이 수용체에 결합하면 이온통로가 직접 열리거나 세포 내부 신호전달 체계가 활성화될 수 있습니다.
그 결과 시냅스 후 세포의 막전위와 기능이 달라집니다.
신경전달물질에는 어떤 종류가 있을까
대표적인 신경전달물질에는 다음과 같은 것들이 있습니다.
- 글루탐산
- 감마아미노부티르산
- 아세틸콜린
- 도파민
- 노르아드레날린
- 세로토닌
각 신경전달물질은 하나의 기능만 담당하지 않습니다.
어떤 효과가 나타나는지는 어느 신경회로에서 분비되는지, 어떤 수용체에 결합하는지에 따라 달라질 수 있습니다.
글루탐산은 어떤 역할을 할까
글루탐산은 중추신경계에서 대표적인 흥분성 신경전달물질입니다.
글루탐산이 특정 수용체에 결합하면 양이온이 세포 안으로 들어가 막전위가 탈분극 방향으로 이동할 수 있습니다.
그 결과 다음 신경세포가 활동전위를 만들 가능성이 증가합니다.
그러나 모든 글루탐산 신호가 곧바로 활동전위를 발생시키는 것은 아닙니다.
다른 흥분성·억제성 입력과 함께 통합됩니다.
감마아미노부티르산은 어떤 역할을 할까
감마아미노부티르산은 중추신경계에서 대표적인 억제성 신경전달물질입니다.
특정 수용체를 통해 시냅스 후 세포의 막전위를 활동전위 발생이 어려운 방향으로 변화시킬 수 있습니다.
이러한 억제성 신호는 신경회로가 지나치게 활성화되지 않도록 조절하는 데 중요합니다.
흥분성 신호란 무엇일까
흥분성 시냅스 신호는 시냅스 후 세포의 막전위를 역치에 가까워지게 하는 방향으로 작용합니다.
이를 흥분성 시냅스후전위라고 합니다.
하나의 작은 흥분성 신호만으로 활동전위가 발생하지 않을 수도 있습니다.
여러 흥분성 신호가 시간적·공간적으로 합쳐지면 역치에 도달할 수 있습니다.
억제성 신호란 무엇일까
억제성 시냅스 신호는 활동전위 발생 가능성을 줄이는 방향으로 작용합니다.
이를 억제성 시냅스후전위라고 합니다.
이 과정에는 염화이온이나 칼륨의 이동이 관여할 수 있습니다.
결과적으로 막전위를 역치에서 멀어지게 하거나 막전위 변화 자체를 억제할 수 있습니다.
시간적 가중이란 무엇일까
하나의 시냅스에서 짧은 시간 동안 여러 신호가 연속적으로 들어오면 각각의 전위 변화가 겹칠 수 있습니다.
이를 시간적 가중이라고 합니다.
첫 번째 신호가 완전히 사라지기 전에 다음 신호가 들어오면 효과가 합쳐집니다.
그 결과 활동전위 역치에 도달할 가능성이 증가할 수 있습니다.
공간적 가중이란 무엇일까
여러 다른 시냅스에서 동시에 신호가 들어오면 각각의 막전위 변화가 세포체와 축삭 초기부에서 합쳐질 수 있습니다.
이를 공간적 가중이라고 합니다.
즉 신경세포는 하나의 입력만 보고 반응하는 것이 아니라 여러 곳에서 들어오는 정보를 동시에 비교하고 통합합니다.
신경세포는 어떻게 결정을 내릴까
신경세포가 사람처럼 의식적으로 결정을 내리는 것은 아닙니다.
그러나 전기적으로는 여러 흥분성·억제성 입력의 합이 활동전위 역치에 도달하는지를 통해 출력 여부가 결정됩니다.
다음과 같은 흐름입니다.
흥분성 입력 + 억제성 입력 → 세포체·초기분절에서 통합 → 역치 도달 여부 → 활동전위 발생 또는 미발생
활동전위의 크기로 자극 강도를 표현할까
그렇지 않습니다.
일단 역치를 넘으면 활동전위의 크기는 대체로 일정합니다.
자극 강도는 주로 활동전위의 발생 빈도와 여러 신경세포의 동원 정도로 표현됩니다.
즉 다음과 같습니다.
강한 자극 = 더 큰 활동전위 X
강한 자극 = 활동전위가 더 자주 발생할 수 있음 O
신경전달물질은 분비된 뒤 계속 남아 있을까
그렇지 않습니다.
신호가 계속 유지되면 다음 세포가 지속적으로 자극될 수 있기 때문에 신경전달물질은 빠르게 제거되어야 합니다.
대표적인 제거 방법은 다음과 같습니다.
- 재흡수
- 효소에 의한 분해
- 주변으로 확산
- 주변 세포에 의한 흡수
재흡수는 무엇일까
일부 신경전달물질은 시냅스 전 신경세포의 운반체를 통해 다시 흡수됩니다.
이 과정을 재흡수라고 합니다.
재흡수된 물질은 다시 시냅스 소포에 저장되거나 세포 안에서 분해될 수 있습니다.
도파민과 세로토닌, 노르아드레날린 등의 신호 종료에 재흡수 과정이 중요합니다.
아세틸콜린은 어떻게 제거될까
아세틸콜린은 시냅스틈에서 아세틸콜린에스터레이스라는 효소에 의해 빠르게 분해될 수 있습니다.
분해된 일부 성분은 다시 신경말단으로 흡수되어 새로운 아세틸콜린을 만드는 데 활용됩니다.
이러한 빠른 제거는 신호를 정확한 시간에 종료하는 데 중요합니다.
신경전달물질과 수용체는 일대일 관계일까
그렇지 않습니다.
하나의 신경전달물질도 여러 종류의 수용체에 결합할 수 있습니다.
예를 들어 아세틸콜린은 니코틴성 수용체와 무스카린성 수용체에 작용할 수 있습니다.
수용체 종류가 다르면 세포 내부에서 발생하는 반응도 달라질 수 있습니다.
따라서 신경전달물질의 이름만으로 효과를 완전히 결정할 수는 없습니다.
이온통로형 수용체란 무엇일까
이온통로형 수용체는 신경전달물질이 결합하면 수용체 자체의 이온통로가 열리는 구조입니다.
이온이 빠르게 이동하기 때문에 반응 속도가 매우 빠릅니다.
대표적으로 일부 글루탐산 수용체와 니코틴성 아세틸콜린 수용체가 있습니다.
빠른 시냅스 전달에 적합합니다.
대사성 수용체란 무엇일까
대사성 수용체는 신경전달물질이 결합한 뒤 세포 안의 G단백질과 2차 전달체 등의 신호전달 체계를 활성화합니다.
반응 시작은 이온통로형 수용체보다 느릴 수 있지만 효과가 더 오래 지속될 수 있습니다.
세포의 이온통로와 효소, 유전자 발현 등 다양한 기능을 조절할 수 있습니다.
전기적 시냅스도 있을까
그렇습니다.
모든 시냅스가 신경전달물질을 사용하는 화학적 시냅스는 아닙니다.
전기적 시냅스에서는 두 세포가 간극연접으로 연결되어 이온 전류가 한 세포에서 다른 세포로 직접 이동할 수 있습니다.
전기적 시냅스는 매우 빠르게 신호를 전달할 수 있습니다.
그러나 사람의 신경계에서는 많은 정보 처리가 화학적 시냅스를 통해 이루어집니다.
화학적 시냅스와 전기적 시냅스는 어떻게 다를까
화학적 시냅스에서는 신경전달물질이 필요합니다.
전기적 시냅스에서는 간극연접을 통해 전류가 직접 전달됩니다.
화학적 시냅스는 상대적으로 조금 느리지만 다양한 조절과 증폭, 억제가 가능합니다.
전기적 시냅스는 매우 빠르고 여러 세포의 활동을 동기화하는 데 유리할 수 있습니다.
신경세포와 근육도 같은 방법으로 연결될까
운동신경과 골격근이 만나는 곳을 신경근접합부라고 합니다.
운동신경의 축삭말단에 활동전위가 도착하면 아세틸콜린이 분비됩니다.
아세틸콜린이 근육세포의 니코틴성 아세틸콜린 수용체에 결합하면 근육세포막이 탈분극됩니다.
이후 근육세포 안에서 칼슘 조절이 일어나 근육 수축으로 이어집니다.
신경근접합부의 흐름을 정리하면
전체 과정은 다음과 같습니다.
운동신경 활동전위 → 축삭말단 Ca²⁺ 유입 → 아세틸콜린 분비 → 근육 수용체 결합 → 근육세포막 탈분극 → 근육 활동전위 → 세포 내부 Ca²⁺ 증가 → 근육 수축
따라서 신경신호는 결국 실제 움직임으로 변환될 수 있습니다.
감각신경도 같은 활동전위를 사용할까
그렇습니다.
피부와 근육, 장기 등에 있는 감각수용체가 자극을 감지하면 감각신경에서 막전위 변화가 발생합니다.
충분한 자극이 만들어지면 활동전위가 발생해 척수와 뇌로 전달됩니다.
따라서 촉각과 통증, 온도, 압력 등 서로 다른 감각도 기본적인 전기신호 전달 원리를 공유합니다.
뜨거운 물체를 만졌을 때 어떤 과정이 일어날까
뜨거운 물체를 만지면 피부의 온도수용체와 통각수용체가 자극됩니다.
이 신호는 감각신경의 활동전위로 변환됩니다.
활동전위는 척수로 전달되고 일부 신호는 척수 반사를 통해 운동신경으로 빠르게 전달됩니다.
그 결과 손을 빼는 근육이 수축할 수 있습니다.
동시에 신호가 뇌로 올라가면서 우리는 뜨겁고 아프다는 사실을 의식합니다.
신경 전달은 항상 뇌를 거쳐야 할까
그렇지 않습니다.
일부 반사는 척수나 뇌간 수준에서 빠르게 처리될 수 있습니다.
예를 들어 뜨거운 물체에서 손을 떼는 반사는 뇌가 통증을 완전히 인식하기 전에 시작될 수 있습니다.
이는 위험한 자극에서 몸을 빠르게 보호하기 위한 기능입니다.
뇌 속 신경세포는 어떻게 복잡한 정보를 처리할까
한 개의 신경세포는 수백 개 또는 수천 개 이상의 다른 신경세포로부터 입력을 받을 수 있습니다.
흥분성 신호와 억제성 신호, 빠른 신호와 느린 신호가 동시에 들어옵니다.
신경세포는 이를 끊임없이 통합해 활동전위 발생 패턴을 조절합니다.
이러한 신경세포들이 거대한 네트워크를 이루면서 감각과 기억, 운동, 감정, 사고가 만들어집니다.
신경신호는 항상 같은 속도로 전달될까
그렇지 않습니다.
신경전달 속도는 신경섬유의 구조에 따라 크게 달라질 수 있습니다.
굵고 수초가 잘 형성된 신경은 빠르게 전달합니다.
반대로 가늘고 수초가 없는 신경은 비교적 느리게 전달할 수 있습니다.
따라서 통증 같은 감각에서도 빠른 신호와 느린 신호가 서로 다른 신경섬유를 통해 전달될 수 있습니다.
신경전달에는 에너지가 필요할까
그렇습니다.
활동전위 자체는 이온이 농도와 전기적 기울기를 따라 이동하면서 발생하지만, 그 이온 농도 차이를 유지하는 데는 ATP가 필요합니다.
나트륨-칼륨 펌프와 시냅스 소포의 생성·재활용, 신경전달물질 합성 등에도 에너지가 필요합니다.
뇌가 전체 체중에서 차지하는 비율에 비해 많은 에너지를 사용하는 이유 가운데 하나가 바로 이러한 지속적인 전기·화학적 활동입니다.
신경세포는 포도당을 사용할까
뇌는 평상시 포도당을 중요한 에너지원으로 사용합니다.
신경세포와 아교세포는 ATP를 만들어 이온 농도와 막전위, 신경전달물질 순환을 유지합니다.
따라서 혈당과 산소 공급이 안정적으로 유지되는 것은 정상적인 신경 기능에 매우 중요합니다.
산소가 부족하면 신경신호에 영향을 줄까
신경세포의 ATP 생산에는 산소 공급이 중요합니다.
산소 공급이 크게 감소하면 ATP 생산이 충분하지 않을 수 있습니다.
그 결과 이온 펌프와 막전위 유지가 어려워지고 신경세포의 정상적인 전기 활동도 영향을 받을 수 있습니다.
따라서 뇌혈류와 산소 공급 역시 신경계 항상성에 중요합니다.
아교세포도 신경전달에 관여할까
아교세포는 단순히 신경세포를 지지하는 구조가 아닙니다.
여러 종류의 아교세포가 신경계 환경 유지와 신호 전달을 돕습니다.
대표적으로 다음과 같은 역할을 합니다.
- 수초 형성
- 이온 환경 조절
- 신경전달물질 제거
- 영양 지원
- 면역 방어
- 시냅스 기능 조절
별아교세포는 어떤 역할을 할까
별아교세포는 중추신경계에서 신경세포 주변 환경을 조절합니다.
세포외 칼륨 농도를 조절하고 일부 신경전달물질을 흡수합니다.
또 혈관과 신경세포 사이의 대사적 연결에도 관여할 수 있습니다.
따라서 정상적인 신경신호 전달에는 신경세포뿐 아니라 주변 아교세포도 필요합니다.
신호가 너무 강하면 어떻게 조절될까
신경계는 흥분성 신호만으로 구성되어 있지 않습니다.
억제성 신경세포와 다양한 피드백 회로가 과도한 흥분을 제한합니다.
또 신경전달물질의 제거와 수용체 조절, 불응기 같은 여러 장치가 신호를 일정 범위 안에서 유지하는 데 도움을 줍니다.
이러한 균형은 신경계 항상성에 매우 중요합니다.
신경세포도 항상성을 유지할까
그렇습니다.
신경세포는 세포막 안팎의 이온 농도와 막전위, 에너지 상태를 지속적으로 조절합니다.
또 너무 많은 흥분과 너무 강한 억제 사이에서 적절한 활동 수준을 유지해야 합니다.
신경계 전체에서도 흥분성·억제성 회로가 균형을 이루도록 조절됩니다.
따라서 신경신호 전달 자체도 항상성의 일부라고 볼 수 있습니다.
학습하면 신경전달 방식도 변할까
신경계는 고정된 회로가 아닙니다.
반복적인 경험이나 학습에 따라 시냅스의 강도가 변할 수 있습니다.
어떤 시냅스는 같은 입력에도 더 강하게 반응하고, 어떤 시냅스는 반응이 약해질 수 있습니다.
이러한 변화를 시냅스 가소성이라고 합니다.
학습과 기억에는 이러한 변화가 중요한 역할을 합니다.
장기강화는 무엇일까
특정 신경회로가 반복적으로 활성화되면 일부 시냅스의 전달 효율이 오랫동안 증가할 수 있습니다.
이를 장기강화라고 합니다.
신경전달물질 수용체 수와 기능, 세포 내부 신호, 시냅스 구조 등이 변할 수 있습니다.
장기강화는 학습과 기억을 설명하는 중요한 세포 수준의 기전 가운데 하나입니다.
신경전달이 빠르다는 것은 모든 과정이 전기적이라는 뜻일까
아닙니다.
한 신경세포 내부의 축삭에서는 주로 전기적 활동전위가 신호를 전달합니다.
하지만 대부분의 신경세포 사이에서는 신경전달물질을 이용하는 화학적 전달이 이루어집니다.
따라서 신경계는 전기신호와 화학신호를 반복적으로 변환하면서 정보를 전달합니다.
핵심은 다음과 같습니다.
전기 → 화학 → 전기 → 화학 → 전기
신경신호 전달 전체 과정을 한 번에 정리하면
첫 번째 단계는 자극을 받는 과정입니다.
수상돌기와 세포체에서 흥분성·억제성 신호가 들어옵니다.
두 번째 단계는 신호 통합입니다.
여러 입력이 축삭 초기부에서 합쳐지고 역치에 도달하면 활동전위가 발생합니다.
세 번째 단계는 축삭 전달입니다.
나트륨과 칼륨 통로가 순차적으로 열리고 닫히면서 활동전위가 축삭말단 방향으로 전달됩니다.
네 번째 단계는 시냅스 전달입니다.
활동전위가 축삭말단에 도착하면 칼슘이 들어오고 신경전달물질이 분비됩니다.
다섯 번째 단계는 다음 세포 반응입니다.
신경전달물질이 수용체와 결합해 새로운 전기적·화학적 변화를 만듭니다.
신경세포의 주요 구조와 역할
| 구조 | 주요 역할 |
|---|---|
| 수상돌기 | 다른 세포의 신호 수용 |
| 세포체 | 신호 통합·세포 유지 |
| 축삭 초기부 | 활동전위 시작 |
| 축삭 | 전기신호 전달 |
| 수초 | 신호 전달 속도 증가 |
| 랑비에 결절 | 활동전위 재생 |
| 축삭말단 | 신경전달물질 분비 |
| 시냅스 | 다음 세포로 정보 전달 |
활동전위의 주요 단계를 정리하면
| 단계 | 주요 변화 |
|---|---|
| 안정막전위 | 세포 내부가 상대적으로 음성 |
| 역치 | 활동전위 시작 조건 충족 |
| 탈분극 | Na⁺ 유입 증가 |
| 재분극 | K⁺ 유출 증가 |
| 과분극 | K⁺ 유출이 일시적으로 지속 |
| 불응기 | 새 활동전위 발생 제한 |
| 회복 | 안정 상태로 복귀 |
시냅스 전달의 주요 단계를 정리하면
| 단계 | 주요 과정 |
|---|---|
| 활동전위 도착 | 축삭말단 탈분극 |
| 칼슘 통로 개방 | Ca²⁺ 유입 |
| 소포 융합 | 신경전달물질 분비 |
| 시냅스틈 확산 | 다음 세포까지 이동 |
| 수용체 결합 | 시냅스 후 세포 반응 |
| 신호 종료 | 재흡수·분해·확산 |
신경세포 신호 전달에 대한 대표적인 오해
첫째, 신경신호가 전선 속 전기처럼 그대로 이동하는 것은 아닙니다. 축삭의 각 부분에서 활동전위가 순차적으로 재생됩니다.
둘째, 활동전위의 크기가 자극 강도에 따라 계속 커지는 것은 아닙니다. 강한 자극은 주로 활동전위 빈도 증가로 표현됩니다.
셋째, 나트륨-칼륨 펌프가 활동전위의 재분극을 직접 빠르게 만드는 주된 원인은 아닙니다. 재분극에는 주로 칼륨 통로가 중요합니다.
넷째, 수초가 있는 축삭에서 신호가 실제로 빈 공간을 순간이동하는 것은 아닙니다.
다섯째, 신경전달물질 하나가 항상 흥분 또는 억제만 만드는 것은 아닙니다. 어떤 수용체에 결합하는지가 중요합니다.
여섯째, 신경전달은 모두 전기적이지 않습니다. 전기신호와 화학신호가 반복적으로 변환됩니다.
일곱째, 뇌에서 신호를 전달하는 것은 신경세포만의 역할이 아닙니다. 아교세포도 주변 환경과 시냅스 기능을 지원합니다.
여덟째, 강한 신경활동이 항상 좋은 것은 아닙니다. 흥분과 억제의 균형이 중요합니다.
신경세포 신호 전달 이해 체크리스트
- 신경세포 내부에서는 주로 전기적 신호가 전달된다는 점을 이해했는가
- 안정막전위가 이온 농도와 막 투과성 차이로 만들어진다는 점을 알고 있는가
- 활동전위가 역치를 넘었을 때 발생한다는 점을 이해했는가
- 탈분극에는 나트륨 유입이 중요하다는 점을 알고 있는가
- 재분극에는 칼륨 유출이 중요하다는 점을 이해했는가
- 수초와 랑비에 결절이 빠른 신경전도에 중요하다는 점을 알고 있는가
- 활동전위가 축삭말단에 도착하면 칼슘이 유입된다는 점을 이해했는가
- 칼슘이 신경전달물질 분비를 촉진한다는 점을 알고 있는가
- 신경전달물질이 다음 세포의 수용체에 결합한다는 점을 이해했는가
- 흥분성·억제성 신호가 함께 통합된다는 점을 알고 있는가
- 신경전달물질은 재흡수·분해 등을 통해 제거된다는 점을 이해했는가
- 신경계에서 전기신호와 화학신호가 번갈아 사용된다는 점을 알고 있는가
신경세포 신호 전달 관련 주요 용어 정리
| 용어 | 의미 |
|---|---|
| 뉴런 | 전기·화학적 신호를 전달하는 신경세포 |
| 막전위 | 세포막 안팎의 전기적 전위 차이 |
| 안정막전위 | 신경세포가 활동전위를 만들지 않을 때의 기본 막전위 |
| 활동전위 | 축삭을 따라 전달되는 빠른 전기적 신호 |
| 탈분극 | 막전위가 양의 방향으로 변하는 과정 |
| 재분극 | 막전위가 다시 음의 방향으로 돌아가는 과정 |
| 불응기 | 활동전위 직후 새로운 활동전위 발생이 제한되는 기간 |
| 수초 | 축삭을 절연하여 신경전도를 빠르게 하는 구조 |
| 랑비에 결절 | 수초 사이에서 활동전위가 재생되는 노출 부위 |
| 시냅스 | 신경세포와 다음 세포 사이의 정보 전달 부위 |
| 신경전달물질 | 시냅스에서 다음 세포에 신호를 전달하는 화학물질 |
| 시냅스 소포 | 신경전달물질을 저장하는 작은 막 구조 |
| 흥분성 시냅스후전위 | 활동전위 발생 가능성을 높이는 막전위 변화 |
| 억제성 시냅스후전위 | 활동전위 발생 가능성을 낮추는 막전위 변화 |
| 시냅스 가소성 | 경험에 따라 시냅스 전달 효율이 달라지는 성질 |
신경세포는 어떻게 신호를 전달할까 마무리
신경세포는 전기적 신호와 화학적 신호를 연결해 매우 빠르고 정교하게 정보를 전달합니다.
다른 신경세포에서 들어온 신호는 수상돌기와 세포체에서 받아들여지고, 흥분성 신호와 억제성 신호가 축삭 초기부에서 통합됩니다. 이 결과 막전위가 역치에 도달하면 전압의존성 나트륨 통로가 열리면서 활동전위가 발생합니다.
활동전위는 축삭을 따라 순차적으로 재생되며 이동합니다. 수초가 있는 신경에서는 랑비에 결절을 중심으로 도약전도가 이루어져 신호를 더욱 빠르고 효율적으로 전달할 수 있습니다.
활동전위가 축삭말단에 도착하면 전압의존성 칼슘 통로가 열리고 칼슘이 세포 안으로 들어옵니다. 이 칼슘 신호에 의해 시냅스 소포가 세포막과 융합하고 신경전달물질이 시냅스틈으로 분비됩니다.
신경전달물질은 다음 세포의 수용체에 결합해 새로운 전기적 변화를 만들거나 세포 내부의 신호전달 과정을 조절합니다. 이후 신경전달물질은 재흡수되거나 효소에 의해 분해되고 주변으로 확산되면서 신호가 종료됩니다.
따라서 신경계의 정보 전달은 단순한 전기 흐름 하나로 설명할 수 없습니다. 전기신호가 축삭을 따라 이동하고, 축삭말단에서 화학신호로 바뀌며, 다음 세포에서 다시 전기적 또는 생화학적 신호로 변환되는 과정입니다.
결국 전체 과정은 자극 → 수상돌기·세포체의 신호 수용 → 흥분·억제 신호 통합 → 역치 도달 → 활동전위 발생 → 축삭 전도 → 축삭말단 Ca²⁺ 유입 → 신경전달물질 분비 → 다음 세포 수용체 결합 → 막전위 변화 → 새로운 활동전위 또는 세포 반응 → 신호 제거 → 신경계 항상성 유지의 흐름으로 이해할 수 있습니다.