흥분의 전도와 전달(축삭돌기, 시냅스)

흥분성 세포는 자극에 반응하여 활동 전위를 발생시킬 수 있는 세포를 가리킨다. 대표적인 예로 뉴런과 근육 세포가 있으며, 이들 세포는 정보를 전기적 신호 형태로 처리하고 전달하는 핵심 기능을 담당한다. 이러한 흥분성은 세포막, 즉 원형질막에 존재하는 특수한 이온 채널과 이온 펌프의 활동에 기초한다.

세포막은 인지질 이중층으로 구성되어 있어 일반적으로 이온이 자유롭게 통과하는 것을 막는다. 그러나 막을 가로지르는 막 전위는 세포 내외의 이온 농도 차이와 막의 이온에 대한 선택적 투과성에 의해 형성된다. 주요 이온으로는 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 염화 이온(Cl⁻), 칼슘 이온(Ca²⁺) 등이 있다. 정상적인 휴지 상태에서 세포 내부는 외부에 비해 음전위를 띠는데, 이를 휴지 전위라고 한다.

휴지 전위를 유지하는 데 가장 중요한 역할을 하는 것은 Na⁺/K⁺ ATPase 펌프이다. 이 펌프는 ATP를 소모하여 세포 내로 2개의 K⁺을 들여오고, 세포 밖으로 3개의 Na⁺을 내보낸다. 그 결과 세포 내부의 K⁺ 농도가 높아지고 Na⁺ 농도는 낮아진다. 휴지 상태의 세포막은 K⁺에 대해 상대적으로 높은 투과성을 가지므로, K⁺은 농도 기울기를 따라 세포 밖으로 유출되려 한다. 이때 양이온이 빠져나가면 세포 내부는 상대적으로 음전위를 띠게 되며, 이 전기적 힘과 화학적 농도 기울기의 힘이 평형을 이루는 지점이 바로 휴지 전위이다. 일반적인 뉴런의 휴지 전위는 -70mV 정도이다.

휴지 전위는 흥분성 세포가 활동하지 않는 상태, 즉 휴지 상태에서 세포막 안팎에 존재하는 전위차를 의미한다. 이 전위는 세포 내부가 외부에 비해 음전위를 띠는 상태이며, 일반적인 신경 세포의 경우 약 -70mV 정도이다. 이 전위차는 주로 세포막에 존재하는 나트륨-칼륨 펌프와 이온 채널에 의해 유지된다. 나트륨-칼륨 펌프는 ATP를 소모하여 세포 내로 2개의 칼륨 이온을 들여보내고, 세포 밖으로 3개의 나트륨 이온을 내보내 막 안팎의 이온 농도 기울기를 형성한다. 또한, 막에는 휴지 상태에서 주로 열려 있는 칼륨 누출 채널이 있어, 농도 기울기에 따라 세포 밖으로 유출되는 칼륨 이온이 세포 내부의 음전위를 유지하는 데 기여한다.

활동 전위는 흥분성 세포가 충분한 자극을 받아 일시적으로 발생하는 급격한 막 전위의 변화를 말한다. 이는 휴지 전위에서 벗어난 뒤 다시 원래 상태로 회복되는 일련의 과정이다. 활동 전위는 크게 탈분극, 재분극, 과분극의 단계를 거친다. 충분한 자극으로 인해 전압 개폐 나트륨 채널이 열리면, 세포 외부에 고농도로 존재하는 나트륨 이온이 농도 기울기와 전기적 기울기를 따라 세포 내부로 급속히 유입된다. 이로 인해 막 전위는 급격히 상승하여(탈분극) 약 +40mV에 이른다.

이후 나트륨 채널이 비활성화되고, 전압 개폐 칼륨 채널이 열리면서 칼륨 이온이 세포 밖으로 유출된다. 이로 인해 막 전위는 빠르게 하강하여(재분극) 휴지 전위 수준으로 돌아온다. 칼륨 채널이 늦게 닫히는 특성으로 인해 일시적으로 휴지 전위보다 더 음전위가 되는 과분극 상태를 거친 후, 나트륨-칼륨 펌프와 칼륨 누출 채널의 작용으로 안정된 휴지 전위가 다시 유지된다. 활동 전위는 '전부或无의 법칙'을 따르며, 일단 발생하면 그 크기와 형태가 일정하다는 특징을 가진다.

활동 전위는 흥분성 세포의 세포막에서 발생하는 순간적이고 역전 가능한 전기적 신호이다. 이 신호는 축삭돌기를 따라 일정한 크기로 전파되며, 신경 정보의 기본 단위 역할을 한다.

활동 전위의 발생은 역치 이상의 자극에 의해 나트륨 이온 채널이 대량으로 열리면서 시작된다. 채널이 열리면 세포 외부에 농도가 높은 나트륨 이온(Na+)이 농도 기울기를 따라 세포 내부로 유입된다. 이 유입으로 인해 막 전위가 급격히 상승하여 탈분극이 일어나고, 전위는 +30mV 내외까지 상승한다(역전). 이후 칼륨 이온 채널이 서서히 열리면서 칼륨 이온(K+)이 세포 외부로 유출되고, 나트륨 이온 채널은 불활성화된다. 이 과정에서 재분극이 일어나 막 전위가 다시 휴지 전위 수준으로 회복된다. 짧은 과분극기를 거친 후, 나트륨-칼륨 펌프의 작용으로 이온 농도 기울기가 원상복구된다.

발생한 활동 전위는 인접한 막 부위로 국소 전류의 형태로 전파된다. 구체적으로, 활동 전위가 발생한 지점의 막 내부는 양전하를 띠게 되어, 인접한 휴지 상태의 막 내부(음전하)로 양전하가 이동한다(국소 전류). 이 전류는 인접 부위의 막을 탈분극시켜 그 부위의 나트륨 이온 채널을 열고, 새로운 활동 전위를 유발한다. 이 과정이 연쇄적으로 반복되면서 신호가 축삭의 말단까지 손실 없이 전달된다. 활동 전위의 크기는 전부或无의 법칙에 따라 일정하며, 자극의 세기에 따라 빈도로 정보를 부호화한다.

축삭돌기를 따라 활동 전위가 전도되는 속도는 여러 요인에 의해 결정된다. 가장 중요한 요인은 축삭의 직경과 수초 형성 여부이다. 일반적으로 축삭의 직경이 클수록 축삭 내부의 저항이 낮아져 전도 속도가 빨라진다. 또한, 수초로 절연된 축삭은 랑비에 결절에서만 활동 전위가 재생성되는 도약 전도 방식을 취하여 전도 속도를 획기적으로 증가시킨다.

온도도 전도 속도에 영향을 미치는 중요한 환경적 요인이다. 생체 내 효소 반응과 이온 채널의 개폐 속도는 온도에 민감하게 반응하기 때문이다. 일반적으로 일정 범위 내에서 온도가 상승하면 이온 이동과 막의 탈분극 속도가 빨라져 전도 속도가 증가한다. 반대로 온도가 낮아지면 전도 속도는 감소한다.

축삭의 생리적 상태도 고려해야 한다. 예를 들어, 축삭 내부의 점성도나 이온 농도 변화, 또는 축삭돌기 막에 존재하는 전압 개문 이온 채널의 밀도와 종류는 전도 효율에 차이를 만든다. 아래 표는 주요 요인들이 전도 속도에 미치는 영향을 정리한 것이다.

이러한 요인들은 신경계가 정보를 처리하는 데 필요한 속도와 정밀도를 조절하는 기초를 제공한다. 예를 들어, 빠른 반응이 요구되는 운동 신경의 축삭은 일반적으로 직경이 크고 수초로 잘 절연되어 있다.

수초형 축삭은 축삭돌기를 둘러싸고 있는 절연체 역할의 수초로 덮여 있는 축삭이다. 이 수초는 슈반 세포 (말초 신경계) 또는 희소돌기아교세포 (중추 신경계)에 의해 형성된다. 수초는 연속적으로 덮여 있지 않고, 약 1mm 간격으로 랑비에 결절이라는 노출된 부분을 남긴다.

도약 전도는 수초형 축삭에서 활동 전위가 빠르게 전도되는 방식이다. 활동 전위는 한 랑비에 결절에서 발생하면, 그 전기적 변화가 수초의 절연 효과로 인해 다음 결절까지 빠르게 전파된다. 다음 결절의 전압 개폐성 나트륨 채널이 이 전기적 변화에 의해 활성화되어 새로운 활동 전위를 발생시킨다. 이 과정이 연속적으로 반복되며, 활동 전위가 마치 결절에서 결절로 '도약'하는 것처럼 보인다.

도약 전도는 전도 속도를 획기적으로 증가시킨다. 무수초형 축삭에서는 활동 전위가 축삭막을 따라 연속적으로 재생성되며 전파되어 상대적으로 느리다. 반면 도약 전도에서는 활동 전위가 결절에서만 재생성되므로, 에너지 효율이 높고 전파 속도가 빠르다. 전도 속도는 축삭의 직경과 수초화 정도에 비례한다.

이 메커니즘은 빠른 반사 신경 회로와 의식적 운동 제어에 필수적이다. 다발성 경화증과 같은 탈수초성 질환은 수초가 손상되어 도약 전도가 방해받아 다양한 신경학적 증상을 유발한다[3].

시냅스는 한 뉴런의 활동 전위가 다음 세포로 정보를 전달하는 접합 부위이다. 구조적으로는 신호를 보내는 시냅스 전 뉴런의 말단인 시냅스 단추(종말 단추)와, 신호를 받는 시냅스 후 세포의 막으로 구성된다. 두 세포 사이의 좁은 간격을 시냅스 간격이라 부른다.

시냅스는 정보 전달 방식에 따라 크게 화학적 시냅스와 전기적 시냅스로 나뉜다. 화학적 시냅스에서는 시냅스 전 말단에서 신경전달물질이 방출되어 시냅스 간격을 확산한 후, 후세포의 수용체에 결합하여 신호를 전달한다. 전기적 시냅스에서는 두 세포의 막을 연결하는 간극연접 채널을 통해 이온이 직접 흐르며 전기 신호가 전달된다.

화학적 시냅스는 연결 대상에 따라 추가로 분류된다. 가장 흔한 형태는 한 뉴런의 축삭 말단이 다른 뉴런의 수상돌기나 세포체와 연결되는 경우이다. 이를 각각 축삭-수상돌기 시냅스, 축삭-세포체 시냅스라 한다. 드물게 축삭-축삭 시냅스도 존재하며, 이는 주로 시냅스 전 억제와 같은 조절 기능에 관여한다. 화학적 시냅스는 방향성이 있어 신호가 한 방향으로만 전달된다는 특징이 있다.

반면, 전기적 시냅스는 간극연접을 통해 양방향으로 빠르게 신호를 전달한다. 이는 빠른 동기화가 필요한 회로, 예를 들어 심장 근육 세포나 특정 뇌 영역의 억제성 뉴런 사이에서 발견된다. 다음 표는 두 주요 시냅스 종류의 특징을 비교한 것이다.

화학적 시냅스에서의 신호 전달은 신경전달물질이라는 화학적 매개체를 통해 이루어진다. 이 과정은 크게 신경전달물질의 방출, 시냅스 간극을 통한 확산, 그리고 시냅스 후 세포의 수용체 결합 및 반응의 세 단계로 나눌 수 있다.

전달 과정은 시냅스 전 말단에 활동 전위가 도달하면서 시작된다. 활동 전위에 의한 탈분극은 전압 개폐성 칼슘 이온 채널을 열어, 세포 외액의 칼슘 이온이 시냅스 전 말단으로 유입되게 한다. 이렇게 증가한 세포 내 칼슘 이온 농도는 시냅스 소포가 시냅스 전 막과 융합하도록 유도한다. 소포가 막과 융합하면 그 안에 저장되어 있던 신경전달물질이 시냅스 간극으로 방출된다.

방출된 신경전달물질은 확산에 의해 간극을 가로지르며, 반대편의 시냅스 후 막에 위치한 특이적인 수용체에 결합한다. 수용체는 크게 이온통로형과 G-단백질 연결형으로 구분된다. 이온통로형 수용체는 리간드(신경전달물질)가 결합하면 직접 이온 채널을 열어, 특정 이온(예: 나트륨, 칼륨, 염소)의 투과성을 변화시킨다. G-단백질 연결형 수용체는 2차 전달자를 활성화하는 일련의 생화학적 반응을 시작하여, 간접적으로 이온 채널을 조절하거나 세포 내 대사 과정에 영향을 미친다.

신경전달물질의 작용은 일시적이며, 신속한 제거 메커니즘이 존재하지 않으면 신호가 지속될 수 있다. 제거는 주로 세 가지 방식으로 이루어진다. 첫째, 시냅스 간극이나 시냅스 후 세포에 있는 특정 효소에 의해 분해되는 경우(예: 아세틸콜린의 경우 아세틸콜린에스테라아제에 의해 분해됨)이다. 둘째, 시냅스 전 말단으로 재흡수되어 재활용되는 경우(예: 세로토닌, 도파민)이다. 셋째, 주변의 교세포로 흡수되는 경우이다. 이 효율적인 제거 과정은 시냅스가 빠른 주기로 다음 신호에 반응할 수 있도록 한다.

전기적 시냅스는 시냅스의 한 종류로, 시냅스 전달이 화학적 매개체를 거치지 않고 직접적인 이온 흐름을 통해 이루어진다. 이 과정은 간극연접이라는 특수한 구조를 통해 일어난다. 간극연접은 두 신경 세포의 세포막이 매우 가깝게 접촉하여 형성된 통로 덩어리로, 각 통로는 두 세포의 접합소관이 서로 맞닿아 구성된다.

전기적 시냅스에서 신호 전달은 양방향으로 매우 빠르게 일어난다. 시냅스 전 신경세포(시냅스 전 뉴런)에 활동 전위가 발생하면, 이온 전류가 세포 내부의 저항이 낮은 간극연접 통로를 통해 직접 인접한 시냅스 후 신경세포(시냅스 후 뉴런)로 흘러들어간다. 이 전류는 시냅스 후 세포의 막 전위를 변화시켜, 역치에 도달하면 새로운 활동 전위를 유발한다. 이 과정은 신경전달물질의 방출, 수용체 결합, 재흡수 같은 복잡한 화학적 과정이 필요 없기 때문에 지연 시간이 거의 없고, 신호 감쇠도 적다.

전기적 시냅스의 기능은 주로 빠른 동기화에 있다. 이는 특정 생리적 활동이 조화롭고 동시에 일어나야 할 때 중요하다. 예를 들어, 심장 근육 세포 간의 빠른 전기 전도는 심장 박동의 조율에 필수적이다. 또한, 포유류의 뇌에서도 일부 뉴런 군집, 특히 억제성 뉴런 네트워크에서 전기적 시냅스가 발견되어 신경 활동의 동기화에 기여하는 것으로 알려져 있다[5].

전기적 시냅스와 화학적 시냅스의 주요 특성을 비교하면 다음과 같다.

신경전달물질은 화학적 시냅스에서 시냅스 전 뉴런의 말단에서 방출되어 시냅스 후 뉴런의 수용체에 결합하여 흥분 또는 억제를 유발하는 화학 물질이다. 이들은 분자 크기와 화학 구조에 따라 여러 종류로 분류되며, 각각 특정한 기능과 분포를 가진다.

주요 신경전달물질은 다음과 같이 구분할 수 있다.

아세틸콜린은 말초신경계의 운동 종말판에서 골격근 수축을 유발하는 필수 물질이다. 중추신경계에서는 학습과 기억 형성에 중요한 역할을 한다. 도파민, 세로토닌, 노르에피네프린은 통칭하여 모노아민 신경전달물질이라 부르며, 기분, 감정, 인지 기능을 조절하는 데 핵심적이다. 이들의 이상은 다양한 정신신경 질환과 연관된다[7]. 글루탐산과 GABA는 각각 중추신경계에서 가장 보편적인 흥분성과 억제성 신호를 담당하여 신경 회로의 균형을 유지한다.

신경전달물질의 방출은 활동 전위가 시냅스 전말단에 도달하여 전압 개폐성 칼슘 통로가 열리면서 시작된다. 칼슘 이온(Ca²⁺)이 세포 외부에서 세포 내로 급격히 유입되면, 시냅스 소포가 시냅스 전막과 융합하여 그 안에 담긴 신경전달물질을 시냅스 간극으로 방출한다. 이 과정을 삼출작용이라고 한다.

방출된 신경전달물질은 확산에 의해 시냅스 간극을 가로질러 이동하여 시냅스 후막의 특정 수용체에 결합한다. 수용체는 크게 이온통로형 수용체와 G-단백질 연결형 수용체로 나뉜다. 이온통로형 수용체는 신경전달물질 결합 시 직접 이온 통로를 열어 빠른 시냅스 후 전위를 유발하는 반면, G-단백질 연결형 수용체는 2차 전달자를 통해 보다 느리고 지속적인 세포 내 신호 전달을 매개한다.

시냅스 후 신호의 정밀성을 유지하기 위해 신경전달물질은 신속하게 제거되어야 한다. 주요 제거 메커니즘은 다음과 같다.

이러한 제거 과정은 시냅스 후 전위의 지속 시간을 제한하고, 연속적인 신호 전달을 위한 시냅스의 준비 상태를 유지하는 데 결정적 역할을 한다.

시냅스 후 전위는 시냅스 후 세포의 막 전위 변화를 의미하며, 이는 흥분성 시냅스 후 전위(EPSP)와 억제성 시냅스 후 전위(IPSP)로 구분된다. 두 전위는 발생 기전과 세포에 미치는 영향이 정반대이다.

EPSP는 일반적으로 글루탐산과 같은 흥분성 신경전달물질이 시냅스 후막의 수용체에 결합하여 발생한다. 이 결합은 양이온 채널(주로 나트륨 이온 채널)을 열게 하여, 세포 외부의 양이온이 세포 내부로 유입되도록 한다. 이로 인해 시냅스 후 세포의 막 전위가 탈분극되어 휴지 전위에 비해 덜 음전위로 변한다. 이 변화는 시냅스 후 세포가 활동 전위를 발생시킬 가능성(흥분성)을 높인다.

반대로, IPSP는 GABA나 글리신과 같은 억제성 신경전달물질에 의해 유발된다. 이 물질들은 시냅스 후막에서 염화 이온 채널이나 칼륨 이온 채널을 열게 한다. 염화 이온이 세포 내부로 유입되거나 칼륨 이온이 세포 외부로 유출되면, 막 전위는 더욱 음전위로 과분극되거나, 적어도 탈분극을 방해하는 안정화 상태가 된다. 이는 시냅스 후 세포가 활동 전위를 발생시키기 어렵게 만들어 신경 신호를 억제한다.

하나의 신경 세포는 수천 개의 시냅스로부터 동시에 EPSP와 IPSP를 받는다. 따라서 최종적으로 활동 전위를 발생시킬지 여부는 이들 전위의 크기, 수, 공간적 분포, 그리고 발생 시점이 복합적으로 작용하는 시간적 총합과 공간적 총합의 결과에 달려 있다.

시냅스 후 전위는 하나의 시냅스에서 단일 자극에 의해 발생하는 경우 그 크기가 활동 전위를 유발하기에 충분하지 않은 경우가 많다. 따라서 신경 세포는 여러 시냅스에서 들어오는 신호를 통합하여, 임계값에 도달할 때만 활동 전위를 발생시키는 방식으로 작동한다. 이 통합 과정은 주로 시간적 총합과 공간적 총합이라는 두 가지 기본 메커니즘을 통해 이루어진다.

시간적 총합은 동일한 시냅스에서 짧은 시간 간격을 두고 반복적으로 발생하는 시냅스 후 전위들이 서로 중첩되어 더 큰 탈분극을 만들어내는 현상이다. 이는 흥분성 시냅스 후 전위의 지속 시간이 다음 자극이 올 때까지 완전히 소실되지 않기 때문에 가능하다. 예를 들어, 첫 번째 EPSP가 아직 완전히 사라지기 전에 두 번째, 세 번째 자극이 연속적으로 들어오면, 그 효과가 누적되어 최종 전위 변화의 진폭이 증가한다. 높은 빈도의 자극일수록 총합 효과는 더욱 뚜렷해진다.

공간적 총합은 서로 다른 위치(공간)에 있는 여러 시냅스에서 동시에, 또는 매우 근접한 시간에 발생한 시냅스 후 전위들이 시냅스 후 세포의 수상돌기나 세포체에서 합쳐지는 현상이다. 하나의 시냅스에서 발생한 작은 EPSP는 활동 전위를 유발하지 못하지만, 지리적으로 가까운 여러 시냅스에서 발생한 여러 개의 작은 EPSP들이 동시에 합쳐지면, 그 합이 임계값을 넘어 활동 전위를 발생시킬 수 있다. 이 과정은 신경 세포가 다양한 입력 신호를 동시에 처리하는 데 핵심적이다.

이 두 가지 총합은 종종 함께 작용하여 신경 세포의 복잡한 정보 처리를 가능하게 한다. 또한, 억제성 시냅스 후 전위도 총합될 수 있으며, 이는 흥분성 입력의 효과를 상쇄하는 방향으로 작용한다. 최종적으로 축삭 언덕에서의 막 전위가 활동 전위 발생 임계값을 넘는지 여부는 이러한 모든 흥분성 및 억제성 입력의 시간적, 공간적 총합 결과에 의해 결정된다.

신경전달물질의 균형 이상은 다양한 신경정신과 및 신경계 질환의 주요 병리 기전으로 작용한다. 도파민 시스템의 이상은 특히 파킨슨병과 조현병에서 두드러지게 나타난다. 파킨슨병은 흑질의 도파민성 신경세포 퇴행으로 인해 선조체의 도파민 농도가 감소하여 운동 증상이 발생한다[10]. 반면, 조현병의 양성 증상은 중간변연계 도파민 경로의 과활성과 연관되어 있다고 여겨진다.

세로토닌과 노르에피네프린과 같은 단가아민 신경전달물질의 기능 장애는 기분 장애와 깊은 관련이 있다. 주요 우울장애는 세로토닌 및 노르에피네프린의 시냅스 간극 농도 감소와 연관되어 있으며, 이는 대부분의 항우울제의 주요 작용 지점이 된다. 글루탐산과 같은 흥분성 신경전달물질의 과도한 방출은 뇌졸중 후의 허혈성 손상이나 간질 발작에서의 신경세포 과흥분을 유발하는 주요 인자로 작용한다.

이러한 신경전달물질 시스템의 이상을 표적으로 하는 약물 치료가 많은 질환의 표준 치료법으로 자리 잡고 있다. 예를 들어, 파킨슨병 치료에 사용되는 레보도파는 도파민 전구체로 작용하며, 선택적 세로토닌 재흡수 억제제(SSRI)는 우울장애 치료의 일선 약물이다. 그러나 이러한 질환들은 단일 신경전달물질 시스템의 단순한 이상보다는 여러 시스템 간의 복잡한 상호작용 장애로 이해되는 경향이 강해지고 있다.

탈수초성 질환은 신경 세포의 축삭돌기를 둘러싸고 있는 수초가 손상되거나 파괴되는 것을 특징으로 하는 질환군을 말한다. 수초는 축삭을 절연체처럼 감싸 도약 전도를 가능하게 하여 신경 신호의 전도 속도를 크게 향상시키는 역할을 한다. 이 수초가 손상되면 신경 자극의 전도가 느려지거나 차단되어 다양한 신경학적 증상이 나타난다. 주요 병리 기전은 자가면역 반응, 유전적 결함, 대사 이상, 독성 물질 노출 등 다양하다.

가장 대표적인 탈수초성 질환은 다발성 경화증이다. 이는 중추신경계(뇌와 척수)에서 자가면역 반응에 의해 수초가 공격받는 만성 질환이다. 증상은 손상 부위에 따라 다양하게 나타나는데, 시력 장애, 감각 이상, 근력 약화, 균형 장애, 피로 등이 포함된다. 말초신경계에서 발생하는 대표적인 탈수초성 질환으로는 길랭-바레 증후군과 만성 염증성 탈수초성 다발신경병증이 있다. 이들은 주로 급성 또는 아급성으로 진행되며, 대칭적인 사지 무력과 감각 장애를 유발한다.

치료는 질환의 종류와 원인에 따라 다르다. 다발성 경화증의 경우 질환 조절 치료제를 사용하여 면역 체계를 조절하고 재발을 억제하는 것이 목표이다. 길랭-바레 증후군과 같은 급성 질환에는 혈장 교환술 또는 정맥 내 면역글로불린 투여가 일차 치료로 사용된다. 이러한 치료는 면역 매개적 손상을 막아 회복을 촉진하는 데 목적이 있다. 모든 탈수초성 질환에서 조기 진단과 적절한 치료 개시는 신경 기능의 회복 가능성을 높이고 장기적인 장애를 예방하는 데 중요하다.