Crash Course 2: 활동 전위와 뉴런 간의 의사소통

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활동 전위 (출처: Crash Course)

2016년 1월 5일의 신경과학 관련 영어 블로그 Crash Course Nervous System 2: How Action Potentials Work를 한국인 플레이어 @djajsl1234님이 번역하고 Kyung Lim이 일부 수정하였습니다.

Crash Course – Part 2에서는 활동전위(Action Potential)가 어떻게 일어나는지 알아봅시다!

뉴런은 특별한 세포입니다. 복잡하게 가지가 쳐지거나 거의 모든 세포에 걸쳐 거대한 관계가 있는 것을 넘어서, 당신의 몸 안에서 활동 전위라고 불리는 매초 수 십억 번의 전기 자극이 전달됩니다. 이것이 어떻게 작동하는지 확인해 보기 전에, 전기에 관한 용어를 알아보는 것이 유용합니다.

전압은 전하의 차이입니다. 뉴런에서 전압은 mV(밀리볼트, 1mV는 1/1000V)로 측정되고 이것은 막전위(membrane potential)라고 불립니다. 전하 차이가 클수록 막전위도 커집니다. 전류는 전하의 흐름을 말합니다. 뉴런에서 전류는 막 사이의 양이온 또는 음이온의 이동을 말합니다. 우리가 전류의 흐름을 알아보기 전에, 뉴런의 기본상태 또는 “휴지 상태(resting state)”에 대해 이해해봅시다.

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휴지 상태의 뉴런(출처: Crash Course)

당신의 몸은 피부에 의해 안과 밖이 나누어져 있습니다. 이것은 당신의 몸속의 상태와 몸 밖의 상태를 다르게 해줍니다. 뉴런 또한 자체의 “피부”가 세포막 형태로 형성되어 있습니다. 이 세포막은 많은 단백질로 만들어진 이온 통로가 있습니다. 이온 통로는 특정한 분자 또는 이온을 만나면 이를 세포막을 통해 통과시키기 위해 모양이 변합니다. 이러한 이온의 움직임 때문에 활동 전위가 일어납니다.

뉴런이 쉬고 있을 때 즉 휴지 상태일 때, 나트륨-칼륨 펌프 때문에 세포막 안은 음전하 상태가 됩니다. 이때 나트륨-칼륨 펌프가 농도 기울기에 의해 나트륨 이온을 세포 밖으로 내보냅니다.

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나트륨-칼륨 펌프가 안팎의 전기적인 기울기를 유지합니다. (위 그림 참고) 오른쪽 아래의 보라색 분자는 펌프에 에너지를 주어 활성화하는 ATP입니다. 칼륨 이온 두 개가 세포 안으로 들어오고, 나트륨 이온 세 개가 세포 밖으로 나감으로써, 세포막 밖을 양전하로 만듭니다. Via Crash Course

나트륨-칼륨 펌프 이외에도 뉴런은 많은 종류의 이온 통로(ion channels)가 있습니다.

An Ion Channel via Crash Course
이온 통로 via Crash Course

이온 통로는 많은 이온이 세포막을 지날 수 있게 합니다. 전하를 가진 입자가 갑자기 세포막을 건너서 분산되면 무극성이 되고, 결국 전하가 바뀌게됩니다.

여기 여러 가지의 이온 통로들이 있습니다.

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가장 기본적인 이온 통로는 전위의존성(voltage gated) 통로입니다. 이 통로는 특정한 세포막 기준치가 되면 열립니다. Via crash course

 

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다른 이온 통로들로는 아세틸콜린과 같은 신경전달물질에 의해 활성화되는 효소 통로, 그리고 물리적인 힘으로 활성화되는 Mechanical 통로도 있습니다. via Crash Course

 

활동전위는 어떻게 일어날까?

모든 통로가 닫혔을 때, 뉴런은 휴지상태입니다. 막 전류가 -70mV 정도로 극성을 띱니다.

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휴지 상태(resting state)에 있는 세포막(membrane potential) via Crash Course

하지만 뉴런에 자극이 가해지면, 이온 통로가 열립니다. 이온이 세포 안으로 들어오면 (아래의 그림보다 더 빠름), 막 전위의 변화를 알립니다. 그림의 오른쪽 하얀색 선을 보세요. 하얀색 선의 -55mV까지 도달합니다.

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이제 -55mV가 되려고 합니다. 나트륨 이온(빨간색)이 뉴런 내부로 들어갑니다. Via Crash Course

그런데 왜 하필 -55mV일까요? 이 기준치가 되면, 수 천 개의 나트륨 통로가 열립니다. 엄청난 양의 나트륨 이온이 세포 내부로 들어와서 급격하게 양전하가 되거나 혹은 극성이 없어집니다. 하지만 이 차이는 오래가지 않습니다.

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나트륨 통로(보라색)이 엄청난 양의 나트륨 이온을 무극성으로 만들면서 뉴런 안으로 통과시킵니다.Via Crash Course

 

뉴런의 내부가 +30mV가 될 때, 나트륨 통로의 형태가 변화합니다. 나트륨 통로가 닫히고, 칼륨 이온을 세포 밖으로 내보내기 위해 칼륨 통로가 열립니다.

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세포막의 재분극. 나트륨 통로(밝은 보라색)은 닫히고, 칼륨 통로(어두운 보라색)은 닫힙니다. 그 동시에 양이온을 세포 밖으로 분산시킵니다.via Crash Course

 

이것은 뉴런의 내부 전하를 휴지 상태 정도인 -70mV로 잠시 떨어뜨립니다. 그리고 나트륨-칼륨 펌프를 활성화하면서 하던 작용을 끝내고, 뉴런의 항상성을 유지하게 합니다. 이 모든 과정은 1-2ms (1ms 은 1/1000초) 동안 지속됩니다.

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활동 전위는 뉴런 가지를 통해 움직입니다. Via Crash Course

이러한 방식으로 뉴런 가지 안에서 연쇄 반응을 통해 탈분극과 재분극을 반복하며 활동 전위가 전도됩니다. 활동 전위는 한 방향으로만 전도됩니다.

그래서 활동 전위는 가지를 따라서 움직입니다. 그리고 그 끝은 ‘시냅스(a synapse)’라고 하며 뉴런 가지의 가장 끝부분입니다.

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via Crash Course

활동 전위가 시냅스에 도착할 때는 많은 일이 벌어집니다. 오늘 이 시간에는, 화학적인 시냅스(chemical synapse)에 대해서만 살펴보기로 하겠습니다. 화학적인 전달은 연결 지점에서 신경전달물질(neurotransmitters)을 사용합니다.

여기서 활동 전위는 세포 내에 있던 양이온을 내보내면서 전위의존성 칼슘 통로를 활성화합니다. 칼슘은 두 뉴런의 사이 지점인 시냅스 틈에 그 내용물을 방출하기 위해 소포(vesicles)라고 불리는 신경전달물질로 가득 찬 포대 같은 구조물을 만듭니다.

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활동 전위가 뉴런의 끝에 도달합니다. (시냅스를 통한 화학적인 전달) Via Crash Course

 

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신경 전달 물질이 소포에서 시냅스 틈으로 방출됩니다. 시냅스 틈의 크기는 5백만 분의 1cm 입니다. 이 물질들은 자극하거나 억제하면서 시냅스 후 세포에 있는 수용기에 달라붙습니다. Via Crash Course

 

신경 전달 물질에는 많은 종류가 존재합니다. 어떤 물질은 흥분 신경 전달 물질이고 또 어떤 것들은 억제 신경전달물질(neurotransmitters)이기도 합니다.

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어떤 신경전달물질(neurotansmitter)이 어떤 수용기(receptor)에 붙느냐에 따라 뉴런은 흥분상태(excited)가 되거나 억제상태(inhibited)가 됩니다.

 

여기에 뉴런의 전기적인 자극이 왔을 때, 흥분 신경 전달 물질이나 억제 신경 전달 물질이 어떻게 다르게 작용하는지 보여줍니다. (Crash Course 이미지 제공)

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억제 신경 전달 물질은 활동 전위를 가지면서 역치 전류보다 멀리 밀어냅니다. (과분극, hyperpolarization) Via Crash Course

 

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흥분 신경 전달 물질은 역치 전류보다 더 가까워집니다. (탈분극, depolarizing) Via Crash Course

단순한 시냅스도 아니고 한 가지의 물질로 된 신경 전달 물질만이 있는 것은 아닙니다. 뇌에는 100가지 이상의 신경 전달 물질들이 있고 100조개가 넘는 시냅스가 존재합니다. 한 개의 뉴런에는 수 천개, 수 만개의 시냅스가 있습니다.

활동 전위에 관한 좀 더 많은 상식

활동 전위가 일어난 즉시 뉴런은 불응기(refractory period) 상태에 빠집니다. 불응기는 뉴런이 멀리 있는 자극에 대해 잠깐 느끼지 못하는 시간입니다. 만약 다른 자극이 불응기 때 도착한다면, 아무리 센 신호가 와도 활동 전위가 일어나지 않을 것입니다. 그 결과, 활동 전위는 한 방향으로만 전도되는 것입니다.

뉴런은 일정한 역치 전압(-55mV ~ 30mV)을 가지고 있습니다. 역치 전압은 전압(진폭)뿐만 아니라 주파수와 속도(frequency and speed, 전도 속도(conduction velocity))에 따라 그 신호가 다양합니다.

더 약한 자극은 더 느리고 낮은 주파수의 신호를 보내는 데 반해, 더 강하고 센 자극은 더 빠르고 높은 주파수의 신호를 보냅니다.

말초 신경계에 존재하는 말이집 신경은 가장 빠른 속도로 신호를 보냅니다. 말이집 신경의 말이집은 하얀색 물질이며 절연체 성질을 띱니다.

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말이집 신경에서의 활동 전위는 매우 빠르게 전도됩니다. 왜냐하면 한 말이집 틈에서 바로 다음 말이집 틈으로 “도약”을 하기 때문입니다. Via Crash Course

 

중추 신경계에서는 말이집myelin sheaths)이 축삭 돌기 주변을 싸는 희돌기교세포(Oligodendrocyte)에 의해 생산됩니다.

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희돌기교세포(Oligodendrocyte)가 즐겁게 말이집을 만들고 있네요! Via Crash Course

 

유튜브에서 Crash Course 구독하는 것 잊지마시고, 여러분의 의견을 아이와이어 채팅창에서 보내주세요! 과학을 위하여!

 

(번역하신 @djajsl1234님, 감사합니다!)

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