신경 신호가 전달되는 방법

활동 전위가 일어나면 뉴런 안쪽 전압이 약 2밀리초 만에 -70 mV에서 +30 mV까지 올랐다가 돌아옵니다.

세포막에 걸린 작은 전지

모든 뉴런은 저마다 세포막을 사이에 두고 작은 전압 차이를 유지합니다. 이 차이는 바깥과 비교한 안쪽의 전압으로 재며, 단위는 밀리볼트(mV)입니다. 세포가 쉬고 있을 때 안쪽은 약 -70 mV에 머뭅니다. 이런 상태는 두 가지 조건이 맞물려 생깁니다. 나트륨 이온(Na+)은 세포 밖의 농도가 안보다 약 10배 진하고, 반면 칼륨 이온(K+)은 세포 안쪽이 더 진합니다. 나트륨-칼륨 펌프(sodium-potassium pump)가 Na+를 밖으로, K+를 안으로 퍼내서 이런 농도 차이가 제자리에 유지되도록 지키는데, 농도 차이를 거슬러 옮기므로 ATP라는 형태의 에너지를 소비합니다. 그래서 쉬고 있는 세포막은 스위치가 켜지기만을 기다리는 충전된 전지와 비슷합니다.

역치, 그리고 전부 아니면 전무

예를 들어 다른 세포가 보낸 신경전달물질이나 촉각 수용기를 누르는 압력 같은 자극이 오면 Na+가 조금 안으로 들어오고, 그만큼 세포 안쪽이 덜 음전하를 띠게 됩니다. 이것을 탈분극(depolarization)이라고 합니다. 이 변화가 작은 채로 머물면 아무 일 없이 그대로 사그라듭니다. 그러나 역치(threshold)인 약 -55 mV에 이르면 전압 개폐 나트륨 통로(voltage-gated sodium channel)가 한꺼번에 무더기로 열려 Na+가 한꺼번에 쏟아져 들어오고, 세포 안쪽이 약 +30 mV까지 치솟습니다. 그다음에는 전압 개폐 칼륨 통로(voltage-gated potassium channel)가 열려 K+가 밖으로 빠져나가고, 막전위가 다시 내려옵니다. 이때 잠깐 -70 mV보다 더 아래로 지나쳐 내려가는 짧은 과분극(hyperpolarization)을 거친 뒤에야 휴지 상태로 돌아옵니다. 이 활동 전위(action potential) 전체는 약 2밀리초 걸리며, -70에서 +30까지는 100 mV, 다시 말해 0.1볼트의 변화입니다.

이렇게 역치가 있기 때문에 활동 전위는 「전부 아니면 전무」입니다. -55 mV에 닿지 못하는 약한 자극은 활동 전위를 전혀 만들지 못합니다. 그렇다고 센 자극이 더 큰 활동 전위를 만드는 것도 아닙니다. 활동 전위는 언제나 같은 전압에서 꼭대기를 찍기 때문입니다. 센 자극이 하는 일은 활동 전위를 더 자주 일으키는 것입니다. 그래서 신경계는 자극의 세기를 신호 하나하나의 높이가 아니라 뉴런이 얼마나 자주 발화하느냐로 나타냅니다. 절대 불응기에는 같은 막 구간에서 또 다른 활동 전위가 시작될 수 없습니다. 이 시간을 불응기(refractory period)라고 하는데, 이 불응기 덕분에 신호는 축삭 말단 쪽 한 방향으로만 나아갑니다.

축삭을 따라 기어가기와 뛰어가기

말이집이 없는 축삭에서는 탈분극이 조금 퍼지면서 바로 옆의 나트륨 통로를 열고, 그러면 다시 조금 더 퍼지는 일이 계속 되풀이됩니다. 이런 연속 전도(continuous conduction)는 느립니다. 반면 말이집이 있는 축삭에서는 전압 개폐 나트륨 통로가 랑비에 결절에만 있습니다. 전하는 말이집 아래를 따라 빠르게 퍼지고 활동 전위는 결절마다 새로 생기므로, 활동 전위가 결절에서 결절로 껑충 뛰어가는 것처럼 보입니다. 「뛰다」라는 라틴어 saltare에서 이름을 딴 도약 전도(saltatory conduction)입니다. 또 축삭이 굵을수록 신호 전도도 빨라집니다. 말이집 없는 가는 섬유는 초속 약 0.5~2미터, 말이집이 있는 가장 굵은 섬유는 초속 약 120미터에 이르는 빠르기로 신호를 나릅니다.

틈을 건너는 법: 시냅스

축삭 끝에 다다른 전기 신호는 이제 다른 세포에게 전해져야 합니다. 몇몇 시냅스는 전기적 시냅스(electrical synapse)입니다. 이때는 두 세포가 맞붙어 이어져 있어서 이온이 바로 건너갑니다. 그러나 대부분은 화학적 시냅스(chemical synapse)입니다. 활동 전위가 시냅스 말단에 도착하면 전압 개폐 칼슘 통로(voltage-gated calcium channel)가 열리고 Ca2+가 들어옵니다. 들어온 칼슘의 도움으로 신경전달물질이 든 아주 작은 주머니인 소포(vesicle)가 세포막과 합쳐져 내용물을 두 세포 사이에 있는 좁은 틈인 시냅스 틈(synaptic cleft)으로 내보냅니다. 신경전달물질(neurotransmitter)은 확산으로 틈을 건너 받는 세포의 수용체에 붙습니다. 수용체마다 꼭 맞는 신경전달물질이 하나씩 정해져 있어서, 자물쇠와 열쇠의 관계와 비슷합니다.

신경전달물질이 수용체에 붙으면 받는 세포막의 전압이 바뀝니다. 흥분성 시냅스후 전위(excitatory postsynaptic potential)는 막전위를 역치 쪽으로 밀고, 억제성 시냅스후 전위(inhibitory postsynaptic potential)는 반대로 역치에서 멀어지게 합니다. 입력 신호 하나만으로는 부족할 때가 많습니다. 여러 시냅스에서 온 신호, 또는 한 시냅스에서 잇따라 온 신호가 방아쇠 구역에서 합쳐지고, 그 합계가 역치에 이를 때에만 다음 뉴런이 발화합니다. 마지막으로 신경전달물질을 깨끗이 치워야 신호가 끝날 수 있습니다. 예를 들어 아세틸콜린은 아세틸콜린에스테라아제라는 효소가 분해하고, 글루탐산 같은 아미노산은 뉴런이나 아교세포로 다시 퍼 넣어져 흡수된 뒤 재사용됩니다. 미국 국립신경질환뇌졸중연구소(NINDS)에 따르면 아세틸콜린은 근육을 수축시키고, 글루탐산은 대표적인 흥분성 신경전달물질이며, GABA는 억제성입니다.

이 내용은 몸의 구조와 작동을 배우기 위한 교육 자료입니다. 의학적 조언이 아니며 진단이나 치료에 쓰지 않습니다.