2. Transmission of Neural Impulses(신경 자극 전달)

뉴런은 복잡한 생물학적 메커니즘을 통해 신호를 전달하는 기능을 합니다. 여기서는 이런 과정을 자세하게 살펴보겠습니다.

 

휴면 막 전위 (Resting Membrane Potential)

• 우리의 신경세포인 뉴런(neurons)은 대략 -70 mV의 휴면 막 전위(resting membrane potential)를 보입니다. 휴면 전위란 뉴런이 신호를 보내지 않을 때의 전기적인 상태를 의미합니다. 이 상태는 이온의 선택적 투과성과 나트륨-칼륨 펌프(Na+/K+ ATPase)를 사용하여 유지됩니다.
• Na+/K+ ATPase는 세포 밖으로 나트륨 이온 3개를 펌프로 내보낼 때마다 세포 안으로 칼륨 이온 2개를 펌프로 넣습니다. 이런 기능을 통해 뉴런 내부와 외부의 이온 농도를 조절합니다.

 

2. 흥분 및 억제 신호 (Excitatory and Inhibitory Signals)

들어오는 신호는 흥분성(excitatory)이거나 억제성(inhibitory)일 수 있습니다. 흥분성 신호는 뉴런의 탈분극화(de-polarization)를 일으키며, 반면에 억제성 신호는 뉴런의 과분극화(hyperpolarization)를 일으킵니다.

• 흥분성 신호가 뉴런에 도착시: 뉴런 내부의 전위가 증가하게 되어 액션 포텐셜(action potential)을 발생시키는 임계값에 도달할 수 있습니다.
• 억제성 신호가 뉴런에 도착시: 내부의 전위가 감소하여 액션 포텐셜 발생을 방해합니다.

 

3. 가중 (Summation)

뉴런은 시간적 가중 (temporal summation)과 공간적 가중 (spatial summation)을 통해 신호를 통합합니다.

• 시간적 가중: 시간에 따라 가까운 여러 신호의 통합을 나타냅니다. 예를 들어, 동일한 시냅스에서 짧은 시간 동안 연속적으로 전달되는 여러 신호가 가중될 수 있습니다.
• 공간적 가중: 공간에 따라 가까운 여러 신호의 통합을 나타냅니다. 즉, 여러 시냅스에서 동시에 도착하는 신호들이 가중될 수 있습니다.

4. 액션 포텐셜 (Action Potential)

뉴런은 액션 포텐셜이라는 신호를 통해 정보를 전달합니다. 이 액션 포텐셜은 뉴런의 멤브레인 전위(membrane potential)에 발생하는 급격한 변화를 나타냅니다. 액션 포텐셜은 축색체 (axon)를 따라 신호를 전파하는 데 사용됩니다.

1. 액션 포텐셜의 시작 (Initiation of Action Potential):
   • 먼저, 뉴런의 휴면 막 전위(resting membrane potential)는 약 -70mV입니다. 여기서 흥분성 신호(excitatory signals)가 도착하면, 뉴런의 막 전위가 점진적으로 증가하여 탈분극화(de-polarization)를 일으킵니다. 막 전위가 임계치(threshold)에 도달하면 액션 포텐셜이 시작됩니다.
2. 탈분극화와 액션 포텐셜의 피크 (Depolarization and Peak of Action Potential):
   • 액션 포텐셜이 시작되면, 전압에 의해 조절되는 나트륨 이온 채널(voltage-gated sodium channels)이 열리고, 나트륨 이온들이 뉴런 내부로 들어오게 됩니다. 이로 인해 막 전위는 급격히 증가하여 액션 포텐셜의 피크에 이르게 됩니다. 액션 포텐셜의 피크는 대략 +35mV입니다.
3. 재분극화와 과분극화 (Repolarization and Hyperpolarization)
   • 액션 포텐셜의 피크에서, 나트륨 채널이 닫히고 칼륨 채널이 열립니다. 칼륨 이온들이 뉴런 밖으로 흘러나가면서 뉴런은 재분극화(repolarization)되어 다시 휴면 전위로 돌아갑니다. 칼륨 채널은 닫히기 전에 과분극화(hyperpolarization)를 일으킵니다. 이는 뉴런이 임시적으로 휴면 전위 이하로 떨어지는 것을 의미합니다.
4. 반응불능 기간 (Refractory Period)
   • 과분극화 이후, 뉴런은 일시적으로 다른 액션 포텐셜을 생성할 수 없는 반응불능 기간(refractory period)에 들어갑니다. 이 기간 동안, 나트륨-칼륨 펌프(Na+/K+ ATPase)가 뉴런의 이온 농도를 복원하여 막 전위를 다시 휴면 전위로 돌려놓습니다.
   • 반응불능 기간은 대략 두 부분으로 나눌 수 있습니다: 
     • 절대 반응불능 기간 (Absolute Refractory Period): 이 기간 동안에는 아무리 강한 자극이 주어져도 뉴런은 새로운 액션 포텐셜을 생성하지 않습니다. 이 시기에는 나트륨 이온 채널이 '불활성화' 상태이며, 채널이 다시 '휴면' 상태로 돌아가기 전까지는 새로운 액션 포텐셜이 생성되지 않습니다. 
     • 상대 반응불능 기간 (Relative Refractory Period): 절대 반응불능 기간이 끝난 후, 뉴런은 상대적으로 새로운 액션 포텐셜을 생성하기 어려운 시기인 상대 반응불능 기간에 들어갑니다. 이 시기에는 일반적으로 보다 강한 자극이 필요하며, 이는 재분극화 과정이 완전히 끝나지 않아 막 전위가 휴면 전위보다 낮기 때문입니다. 이 기간 동안 칼륨 이온 채널이 열려있어 막 전위가 다시 휴면 전위에 도달하는 데 시간이 필요하기 때문입니다.
5. 액션 포텐셜의 전파 (Propagation of Action Potential)
   • 액션 포텐셜은 축색체(axon)를 따라 전파되며, 이는 신경 종단부(neural terminal)까지 도달합니다. 축색체의 이전 부분이 반응불능 기간에 있음으로써, 액션 포텐셜은 한 방향으로만 전파됩니다.

5. 신경전달물질의 방출 (Release of Neurotransmitters)

신경 종단부에서는 신경전달물질이 시냅스 (synapse)로 방출됩니다. 액션 포텐셜이 신경 종단부에 도달하면, 전압 게이트 칼슘 채널이 열리고 신경전달물질이 방출됩니다.

 

7. 신경전달물질의 제거 (Clearance of Neurotransmitters)

신경전달물질은 후시냅스 수용체에서 제거되어야 합니다. 이에는 세가지 방법이 있습니다. 1.효소에 의해 분해되거나,2. 재흡수 채널(reuptake channels)을 통해 세포로 다시 흡수되거나, 3.시냅스 간격에서 확산될 수 있습니다.