뇌 화학의 기본은 무엇인가요?

아래는 2013년 12월 3일의 신경과학 관련 영어 블로그 What are the basics of brain chemistry?를 한국인 플레이어 @scoobi님이 번역한 글입니다.

뇌 화학의 기본은 무엇인가요?

paul king image신경과학자인 Paul KingQuora에서 대답해주었습니다.

 

신경 생화학이 꽤 복잡하므로 이 질문에 답하기는 쉽지 않은 일입니다. 그러나 상위 단계(high level)에서 일어나는 일은 아래와 같습니다.

뇌의 화학적 신호 체계에는 2가지 주요 형태가 있습니다.

  • 빠른 화학 전기적 신호 체계(fast chemoelectric signaling): 신경 전달 물질 = glutamate(글루타민산), GABA(gamma-aminobutyric acid의 약자)
  • 느린 기능적 조절: 신경 전달 물질 = 도파민, 세로토닌, 아세틸콜린, 노르에피네프린

대뇌 피질에 있는 대부분 뉴런은 거의(혹은 모든) 종류의 신경 전달 물질 수용체를 가지고 있습니다. 각각의 화학 물질은 다른 방송 채널로 생각할 수 있으며, 모든 채널에서 동시에 신호를 받더라도 각 신호를 다르게 취급합니다.

아래에 흔히 발견되는 신경 전달 물질의 분자 구조식을 나타내었습니다.

빠르게 작용하는 신경 전달 물질(glutamate와 GABA)은 뉴런을 전기적으로 활성화하여 정보를 뇌 여기저기에 전파합니다. 뇌에 있는 전체 뉴런 중 99%는 둘 중 하나의 신경 전달 물질을 분비합니다. glutamate는 긍정(+)이고 GABA는 부정(-)입니다. 지각, 인식, 의식의 내용은 이들 두 신경 전달 물질을 통한 뉴런들의 의사소통을 통해 만들어집니다. 안정제, 일반적인 마취제, 발작 억제 약물은 GABA를 강화하여 뇌의 활동을 억누르는 방법으로 작용합니다.

neuron branches, eyewire, neurons
가장 관심을 받는 신경 전달 물질은 신경 조절 물질입니다. 신경 조절 물질은 특히 정신 의학에서 많은 관심을 가지는 물질입니다. 그러나 도파민, 세로토닌, 아세틸콜린, 노르에피네프린 같은 신경 조절 물질은 채 1%도 되지 않는 뉴런들만이 사용합니다. 각 신경 조절 물질은 조금씩 다른 역할을 가지며, 복수의 평행 시스템에서 사용됩니다. 예를 들어 도파민은 습관과 중독에 연관되어있습니다. 노르에피네프린과 아세틸콜린은 구조는 비슷하지만 다르게 작용합니다(대략적으로 말하자면, 노르에피네프린은 각성과 아세틸콜린은 집중과 관련이 있음). 세로토닌의 역할은 여전히 잘 알려지지 않았지만, 감정이나 개인의 정체성과 관련이 있는 것 같습니다. 니코틴은 아세틸콜린 수용체를 활성화 시킵니다. ADHD 치료제, 코카인, 암페타민은 도파민과 노르에피네프린 수용체를 활성화 시킵니다. Prozac과 Effexor 같은 항우울제는 주로 세로토닌 수용체를 활성화 시키지만 때때로 노르에피네프린 수용체를 활성화 시킵니다.

빠른 작용 신경 전달 물질이 뉴런에 직접적인 전기적 효과를 나타내지만, 신경 조절 물질은 세포 안의 화학적 경로를 바꾸는 우회적인 방법으로 작용합니다. 각 뉴런은 적응과 학습을 조정하는 복잡한 내부 신호 경로 망이 있습니다. 그리고 신경 조절 물질은 이 경로에 영향을 줍니다.

위의 모든 내용은 그저 맛보기에 불과하며, 많은 예외가 있습니다.

 

synaptic vesicle, neuroscience, vesicle, eyewire

위에서 말하지 않은 엔돌핀, 히스타민, 엔도카나비노이드, 멜라토닌, 옥시토신 같은 다른 신경 전달 물질도 있습니다. 세포 내부에는 ATP와 칼슘 이온으로 활성이 조절되는 분자 조절 시스템이 있습니다. 이 시스템에는 PKA, CaMKII, MAPK, PLC, PP1, DARPP-32, DAG, PIP2, cAMP 같은 100종 이상의 분자들이 존재합니다. 이들은 거대한 3D 단백질들로서, 세포의 내부 신호 체계라는 기계에 있는 톱니바퀴와 같습니다.

이 많은 분자 중에서 하나를 골라 말씀드리면, DARPP-32는 약물 중독에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 아래의 그림은 다른 중독성 약물이 어떤 특정 수용체에 영향을 주고, 세포 내부의 신호 체계를 어떻게 변화시키는지 보여줍니다. 이러한 변화는 뉴런이 잘 못 된 것을 학습하게 하며, 중독의 피드백 회로를 강화합니다. DARPP-32는 원의 중앙에서 찾으실 수 있습니다. 원은 세포막을 나타내며, VIP나 5HT4등으로 표시된 수용체들은 원의 끝에 있습니다.

 

신경 화학과 관련된 좋은 책은 Basic Neurochemistry이며 현재 제 8판으로 1100페이지가 넘습니다.(!). (http://www.amazon.com/Basic-Neur…)

관련 글(영문)
Neuroscience: What are the main neurotransmitters?
What are some of the most recently discovered neurotransmitters?
Neuroscience: Is recent backlash that Dopamine is not a reward signal justified?

(@scoobi님, 감사합니다!)

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