빛 신경세포 활동전위

빛, 카메라, 활동 전위

이번 장에서는 뉴런(neuron)이 어떻게 작동하는지 설명하겠습니다. 최대한 쉽게 설명하도록 하겠지만 뉴런이 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 중요한만큼 세부적인 내용이 많더라도 그림을 보며 천천히 살펴보시기 바랍니다.

뉴런의 작동 원리의 상당 부분은 오징어의 거대한 축색돌기를 연구하는 과정에서 밝혀졌습니다. 오징어의 거대 축색돌기는 머리 부분에서부터 꼬리부분으로 뻗어있고 오징어의 꼬리를 움직이는데 사용됩니다. 그렇다면 오징어의 축색돌기는 얼마나 클까요? 축색돌기의 직경은 최대 1mm로 도구를 사용하지 않고도 눈으로 쉽게 관찰할 수 있습니다.

뉴런은 전기화학적인 방식으로 신경신호를 전달합니다. 다시 말해 화학물질을 사용하여 전기 신호를 발생합니다. 체내 화학물질은 “전기 충전” 혹은 “대전”되는데, 이러한 상태의 화학물질을 이온이라고 부릅니다. 신경체계 내의 중요한 이온으로는 나트륨(sodium)과 칼륨(potassium)(둘 다 한 개의 양전하를 가지고 있음, +), 칼슘 (두 개의 양전하를 가지고 있음, ++), 염화물 (한 개의 음전하를 가지고 있음, -) 등이 있습니다. 이 외에도 몇 가지의 음으로 대전된 단백질 분자들이 있습니다. 각 신경 세포는 특정한 이온만을 통과시키고 다른 이온의 통과를 막아주는 막으로 둘러싸여져 있는데, 이러한 유형의 막을 반투과성이라고 부릅니다.

안정막 전위

뉴런이 신호를 전송하지 않을 때, “안정” 상태가 됩니다. 뉴런이 안정 상태가 되면, 뉴런의 내부는 외부에 비해 상대적으로 음(+)성이 됩니다. 비록 여러 다른 이온들이 모여 막 안밖의 균형을 유지하려고 하지만, 세포막은 이온 통로를 통해 특정한 이온들만 통과시키기 때문에 결국 불균형한 상태가 됩니다. 안정 상태에서 칼륨 이온(K⁺)들은 세포막을 쉽게 통과 합니다. 하지만 안정 상태에서 염화물 이온(Cl^-)과 나트륨 이온(Na⁺)은 쉽게 세포막을 통과하지 못합니다. 뉴런 내부에 있는 음극성의 단백질 분자(A^-)는 세포막을 전혀 통과하지 못합니다. 이러한 선택적 이온 통로 이외에도 에너지를 사용하여 2개의 칼륨 이온을 들여보낼 때마다 3개의 나트륨 이온을 배출시키는 펌프라는 장치가 존재합니다. 결국 이 모든 힘들이 균형을 이루어 생겨나게 된 뉴런 내•외부의 전압차를 안정 전위(resting potential)라고 합니다. 뉴런의 안정막 전위는 대략-70 mV(mV=millivolt)입니다. 이는 뉴런의 내부 전압이 외부보다 70mV 더 낮다는 의미입니다. 안정 상태에서 상대적으로 더 많은 나트륨 이온이 뉴런 외부에 존재하며 더 많은 칼륨 이온이 뉴런 내부에 머물러 있습니다.

활동전위

안정전위는 뉴런이 안정상태일 때의 상황을 설명해 줍니다. 반면 활동전위(action potential)는 뉴런이 세포체에서부터 축색돌기로 정보를 전달할 때 발생합니다. 신경과학자들은 활동전위라는 용어 대신 “스파이크” 혹은 “충동”이라는 용어를 사용하기도 합니다. 활동전위는 탈분극 전류에 의해서 폭발적으로 일어나는 전기 활동입니다. 이는 어떤 사건(자극)으로 인해 안정전위가 0 mV 쪽으로 변화한다는 뜻입니다. 탈분극이 -55 mV 정도가 되면 뉴런은 활동전위를 일으키게 되는데 이를 임계점(threshold)이라고 합니다. 만약 뉴런이 임계점에 도달하지 않으면 활동전위는 일어나지 않을 것입니다. 하지만 임계점에 도달한다면 일정한 규모의 활동전위가 항상 발생하고, 각 뉴런에 대한 활동전위 규모 또한 항상 동일합니다. 하나의 신경세포 내에서 규모가 다른 활동전위는 일어나지 않습니다. 그러므로 뉴런은 임계점에 도달하지 않아 활동전위가 일어나지 않거나 임계점에 도달하여 동일한 규모의 활동전위가 일어나는 두 가지 상황만 발생하게 되는 데 이를 “실무율 (ALL OR NONE principle)“이라고 합니다.

활동전위는 뉴런 막을 가로질러 이온이 교환되는 과정에서 발생합니다. 자극이 주어지면 우선적으로 나트륨 통로가 개방됩니다. 뉴런 외부에 더 많은 나트륨 이온이 존재하고 외부에 비해 내부가 상대적으로 음(-)극성이기 때문에, 나트륨이온이 뉴런 내부로 유입됩니다. 나트륨은 양전하를 가지고 있으므로, 결국 뉴런은 이전보다 더 양(+)극성을 띄게 되고 탈분극화 됩니다. 칼륨 통로가 개방되는 데는 더 많은 시간이 필요합니다. 일단 칼륨 통로가 개방되면 칼륨은 세포 외부로 빠져 나가고 탈분극 상태를 되돌려 놓습니다. 이 시점에서 나트륨 통로는 폐쇠되기 시작합니다. 이로 인해 활동전위는 -70 mV 쪽으로 변하게 됩니다(재분극). 실제로는 칼륨 통로가 너무 오래 개방되어 활동전극이 -70 mV를 넘어섭니다(과분극). 점진적으로 이온의 농도는 안정 상태가 되어 -70 mV로 되돌아오게 됩니다.

이러한 일시적 전위변화가 바로 활동전위입니다.

알고 계셨나요?

|오징어의 거대 축색돌기는 포유류의 축색돌기보다 100~1000배 더 큽니다. 거대 축색돌기는 오징어의 외투막 근육에 신경 자극을 전달합니다. 이 근육은 오징어가 물 속을 헤엄쳐 나가는 데 사용됩니다.

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임종우 번역. 배정옥 리뷰.

 

청소년을 위한 신경과학 (tistory.com)

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