뉴런의 신호전달 방식

뉴런 간 신호전달 방식은 전기적인 부분과 화학적인 부분이 있다.

뉴런 내의 신호전달은 전기적이다. 전기적 반응이 생성되어 축색을 따라 전도된다. 

뉴런 간 신호전달은 화학적으로 이루어진다. 뉴런과 뉴런은 붙어 있지 않고 아주 미세한 간격을 둔다.

이 공간을 통해 전달되는 신호는 화학물질의 이동으로 이루어진다. 

 

전기적 신호전달

수상돌기에서 다른 뉴런의 신호를 받아들이는 것으로 시작한다. 수상돌기에서 받아들인 신호는 흥분성이거나, 억제성이다. 

세포체는 이들 신호를 종합하여 신경반응을 생성할 것인지 말 것인지를 결정한다. 

흥분성 신호가 억제성 신호보다 충분히 강하면 세포체는 전기적 신경반응을 생성한다. 생성된 반응은 축색을 따라 종말단추까지 전도된다. 

전도 방식은 실무율을 따른다. 반응은 존재하거나 존재하지 않을 뿐이며, 일단 반응이 생성되면 그 반응은 자극의 강도에 관계없이 종말단추까지 일정한 속도로 전도된다는 뜻이다.

그렇다면 회초리로 맞는 것과 몽둥이로 맞는 것처럼 신체에 가해지는 자극의 강약 차이는 어떻게 부호화되는 것일까?

이 의문의 답은 간단하다. 자극의 강약에 따라 그 자극에 반응하는 뉴런의 개수와 각 뉴런에 의해 생성되는 반응의 비율이 달라진다.

자극이 강할수록 반응을 생성하는 뉴런의 수가 많아지며, 각 뉴런의 반응 또한 잦아진다.

즉, 몽둥이로 맞았을 때에 더 많은 뉴런이 반응을 하고 또 더 자주 반응한다는 뜻이다.

신경반응이 전도되는 속도는 뉴런에 따라 다르지만 최고 속도는 시속 30Km에 이른다.

빠른 것 같지만, 전류의 속도와 컴퓨터의 처리 속도에 비하면 턱없이 느린 편이다.

신경반응의 전도속도를 결정하는 요인 중 하나는 축색이 수초를 덮여 있느냐는 것이다.

수초로 덮여 있지 않은 축색의 신경반응은, 다이너마이트의 도화선이 타들어 가듯, 고정된 속도로 느리게 전도된다.

수초로 덮여 있는 축색의 신경반응은 빠르게 전도되는데, 그 이유는 반응이 수초와 수초 사이에 있는 작은 간격이 존재한다.

신경반응은 간격이 있는 곳에서만 다시 생성되기 때문에, 축색을 따라 쭉 전도되는 것이 아니고 소시지를 하나닜ㄱ 건너뛰는 식으로 전도된다. 이 두 경우의 전도 속도에서 나는 차이를 이해하는 방법 중 하나는,

앞뒤 발꿈치를 맞추며 걸어가는 것과 풀쩍풀쩍 뛰어가는 것 사이의 차이를 상상해 보는 것이다.

수초가 손상되면 심각한 문제가 발생한다. 예컨대, 다발성 경화증이라는 질환은 수초를 퇴화시킨다.

그 결과 신경반응이 축색을 따라 전도되는 속도가 느려진다.

다발성 경화증을 앓고 있는 사람들은 몸을 자유자재로 놀릴 수가 없다. 아직까지 이병을 치료하는 방법은 없다.

수초는 희색이기 때문에 뇌에서 회질과 백질을 구분하는 기초가 되기도 한다. 

수초로 둘러싸인 축색의 군집은 '백질'을 이루고 수초가 없는 세포체와 수상돌기의 군집은 '회질'을 이룬다.

수초로 덮여 있는 축색의 군집이 백색으로 보이는 이유는 축색의 색상이 흰색이기 때문이다.

만약 우리가 뇌의 좌우 대뇌피질의을 육안으로 들여다볼 수 있다면, 그 색깔은 회색일 것이다. 대뇌피질의 바깥층은 거의 세포체로 구성되어 있기 때문이다.

 

뉴런 간 화학적 신호전달

전기적 신경반응이 축색의 종말단추에 도달하면 어떤 일이 벌어질까?

종말단추에는 화학물질을 싸고 있는 작은 보따리가 들어 있다. 시냅스 낭 속에 들어있는 화학물질이 신경전달물질인데,

신경전달물질은 우리 몸이 신경계의 신호전달에 사용하기 위해 특별히 제작해 놓은 천연 화학물질이다.

축색을 따라 종말단추에 도착한 신경반응은 시냅스 낭을 시냅스 간극 쪽으로 밀어붙인 다음, 그 낭을 터뜨려 속에 들어있는 신경전달물질을 시냅스 간극에 방출시킨다. 시냅스 간극 2,000개를 모아놓은 굵기가 인간의 가장 작은 머리카락 굵기와 같다.

방출된 신경전달물질은 시냅스 간극을 건너 그 다음 뉴런의 수상돌기에 있는 수용기로 들어간다. 

이런 과정을 거쳐 신호전달이라는 임무를 완수한 신경전달물질은 다시 시냅스 간극으로 빠져나와

효소에 의해 분해되거나 방출되었던 종말단추로 흡수된다.

 

뇌 영상

뉴런이 이런 신호전달 임무를 수행하기 위해서는 영양분과 산소를 필요로 한다.

아마 이 때문에 우리 몸 속 혈액의 20%가 뇌로 흘러가며, 산소의 25%가 뇌에서 소비되는 것일 것이다.

산소가 없으면 뉴런은 수분 내에 죽고 만다.

일을 많이 하는 뉴런일수록 더 많은 산소와 영양분을 필요로 하는데, 뇌 영상을 만들어내는 여러 기법은 바로 이 사실을 기초로 개발되었다.

 양전자방출단층촬영법(PET scan)에서는 먼저, 몸에 해가 되지 않을 정도로 소량의 방사성 포도당을 혈관에 주입한다. 이 포도당은 뇌 속에서 열심히 활동하는 뉴런이 모인 부위로 더 많이 흘러들어 간다. 뉴런 속으로 들어간 포도당이 그 속에서 변형되면 양전자가 방출된다. 이때 컴퓨터를 이용하여 방출된 양전자를 찾아내어 그 양을 측정한다. 측정 결과를 이미지로 바꾸면 활동이 왕성한 부분일수록 밝은 색을 띤다. 따라서 PET 스캔을 이용하면 사람들이 읽기나 말하기 같은 특정 과제를 수행할 때 뇌의 어느 부위가 가장 활발하게 활동하는지를 찾아낼 수 있다.

 기능성자기공명영상법(fMRI)으로 알려진 또 다른 뇌 영상기법에서는 방사성 물질을 뇌에 주입하지 않는다. 그 대신 뇌의 각 부위에서 산소가 모이는 양을 측정한다. 활동을 많이 할수록 더 많은 산소를 필요로 할 것이고 그러기 위해서는 더 많은 양의 혈액이 그쪽으로 흘러들어야 할 것이다. fMRI는 바로 이 부위를 찾아내어 이미지를 만든다. 혈류의 변화가 이 이미지 속 색깔의 차이로 나타난다. PET 스캔처럼 fMRI도 뇌의 각 부위가 담당하는 기능을 밝혀내는 데 자주 이용된다. 그러나 fMRI가 PET보다 선호되는 이유는 방사능 물질을 투입하지 않아도 되고 또 이미지도 보다 선명하기 때문이다. 과거에는 뇌의 각 부위가 담당하는 기능을 밝히기 위해 뇌가 손상된 환자들의 행동을 관찰하거나, 뇌 손상 환자가 죽은 후에 그 뇌를 수습하여 정상인의 뇌와 비교하는 방법을 이용하였다. 이에 비해, 현대의 뇌 영상기법은 살아서 활동하고 있는 사람을 대상으로 그 뇌의 구조와 기능을 할 수 있게 해 준다.