Regeneration of Brain Cells
| 편도체는 | 감정을 지배하는 뇌의 일부. |
| 시상 하부는 | 자율 신경계와 뇌하수체의 호르몬 활동을 유지. |
| 체온, 갈증, 배고픔을 조절, 수면과 정서적 활동 관여. |
참고 자료 // glutamic acid 글루탐산/ 단백질 가수분해 산물로 상당량 존재하는 아미노산.
글리아딘과 같은 특정 식물성 단백질은 그 무게의 45% 이상, 기타 단백질들도 10~20%의 글루탐산을 만든다. 글루탐산은 대부분 단백질 내의 글루타민으로부터 생산된다. 즉 단백질이 가수분해될 때에 글루타민이 글루탐산으로 전환된다. 1865년에 최초로 분리된 글루탐산은 신진대사의 중요한 중간체이다. 이른바 비필수 아미노산의 하나로, 탄수화물의 대사 과정에서 형성되는 옥소글루타르산에서 동물이 합성할 수 있으므로 음식물에서 섭취할 필요가 없다.
글루탐산염인 글루탐산일나트륨은 음식의 맛을 좋게 하기 위한 조미료로 널리 사용된다.
뇌의운동신호
뇌의 운동출력 과정은 상위운동신경원인 대뇌운동피질에서 하위운동신경원인 척수전각의 알파운동뉴런까지 신경세포에 의한 전기펄스의 전달현상입니다. 대뇌감각피질의 시각, 청각, 체감각의 감각입력, 전두엽의 운동계획, 기저핵의 운동선택 그리고 소뇌의 운동 타이밍이 매 순간 효율적으로 연계되어 인간의 목적지향적 운동이 생성되는 것이죠. 소뇌, 기저핵, 전전두엽의 운동신경 처리과정은 일차운동피질에서 척수로 전달되어 골격근의 근섬유(muscle fiber)를 수축시켜 수의적 운동을 만들지요.
척수전각의 피라미드세포인 알파운동뉴런의 축삭은 최종공통신경로를 형성하여 골격근에 신경-근 연접을 만듭니다. 감각신경세포로 외부자극을 받아들여 운동신경세포를 통해 근육에 신경자극을 전달하여 운동하게 되지요. 감각입력과 운동출력 사이에 있는 연결신경세포가 대뇌피질의 대부분을 차지합니다. 연결신경 세포망에 저장된 과거의 경험 기억을 참조하여 현재의 감각입력에 대한 운동출력이 생성되지요. 결국 감각입력으로 자극된 생각이 운동으로 출력되어 외부자극에 반응할 수 있게 됩니다. 신경세포는 자신의 흥분상태를 다른 신경세포로 전달합니다. 한 세포에서 다른 세포로 정보를 전달하는 것은 생명체가 자신을 둘러싼 환경에 적응하는 과정에서 획득한 능력이죠.
세포 간 정보전달 방식
가장 직접적인 정보전달은 두 세포의 원형질막이 접촉한 상태인 갭결합(gap junction)입니다. 갭결합은 두 세포의 원형질막에 상호간 물질 이동이 가능한 이온채널의 무수한 구멍이 생긴 형태입니다. 갭결합에 의한 정보전달은 신속하고 동시에 일어나서 심장근에서처럼 많은 근육이 동시에 수축합니다. 분리된 세포 사이의 신호전달은 오토크린(autocrine)과 파라크린(paracrine) 방식이 있지요.
오토크린은 세포 외부로 분비한 호르몬을 자신이 재흡수하는 방식이며, 파라크린은 분비된 호르몬을 다른 세포가 흡수하는 방식입니다. 그리고 신체 내 여러 부위에 작용하는 호르몬 분비 형태는 방출된 호르몬이 모세혈관을 통하여 온몸으로 전달되는 방식입니다. 두 세포 사이의 호르몬 전달 방식은 신경세포가 출현함에 따라 전달 속도와 전달 방식이 크게 발전합니다.
신경세포의 호르몬 방출과 전달은 신경세포-혈관과 신경세포-신경세포 방식으로 구분할 수 있죠. 신경세포-혈관 방식의 예는 시상하부 실방핵과 시삭상핵의 축삭말단에서 옥시토신과 바소프레신 호르몬이 분비되는 방식이 있습니다. 분비된 호르몬은 뇌하수체후엽의 혈관을 통해서 온몸으로 전달되지요. 신경세포-신경세포 신호 전달 방식은 중추신경계의 대부분에서 일어나며, 호르몬이 신경세포 주변의 모든 방향으로 확산되지 않기 때문에 두 신경세포 사이의 일정한 극소적인 영역인 시냅스(연접틈새)에서만 호르몬 전달이 일어납니다. 신경세포 사이에 전달되는 호르몬을 신경전달물질이라 하지요. 신경세포-신경세포 방식도 신경전압펄스가 이동하는 축삭의 형태에 따라 무수신경과 유수신경으로 구분합니다.
축삭과 수상돌기 사이에 형성된 시냅스 구조
시냅스 구조에서 신경펄스를 송신하는 세포의 축삭말단을 시냅스전막이라 하고 수신하는 세포의 수상돌기 말단의 막을 시냅스후막이라 합니다. 시냅스전막과 시냅스후막 사이에 수십 나노미터의 간격이 있는데, 전막에서 분비된 신경전달물질이 확산되는 공간이지요. 축삭돌기말단까지 전파된 전압펄스에 의해 소낭으로 포장된 신경전달물질이 화학적 확산으로 분비되어 시냅스후막의 수용기에 결합하지요. 수용기 단백질에 신경전달물질이 결합하면 시냅스후막에 전압파가 생성되어 신경세포체로 전파됩니다. 이처럼 신경세포는 화학물질을 확산시켜 자신의 흥분 상태를 다른 신경세포로 전달합니다. 신경전달물질을 받아들인 신경세포는 전기적으로 흥분되어 활성전위를 생성합니다.
신경계를 구성하는 신경세포는 감각신경세포, 운동신경세포, 연결신경세포로 구성됩니다. 감각신경세포는 세포체에서 양방향으로 축삭이 뻗어나가 신호전달에 효과적 구조이지요. 운동신경세포는 세포체 부근의 수많은 수상돌기와 한 개의 긴축삭으로 구성되며 축삭에 곁가지가 있기도 하지요. 감각신경세포와 운동신경세포에서 신경초는 미엘린수초라고도 하는데, 신경전류가 새어나가지 않고 축삭말단으로 전달하기 위해 축삭을 감싸는 절연체입니다. 신경초를 형성하는 절연체도 독립된 세포이지요. 중추신경계에서는 희소돌기세포, 말초신경계에서는 슈반세포가 신경초를 만듭니다
감각신경세포와 운동신경세포
운동신경세포가 생성한 활성전위는 축삭을 통하여 다른 신경세포로 전달되어 최종적으로 척수전각의 알파운동뉴런에 도달합니다. 알파운동뉴런의 발화는 근육을 수축시키며 근육의 수축 정보는 감각신경을 통해 중추신경계로 전달됩니다. 중추신경계의 운동뉴런 축삭다발에 의해 형성된 운동신경로를 살펴봅시다. 대뇌운동피질에서 운동출력은 그물척수로, 전정척수로, 덮개척수로, 적색척수로, 올리브척수로, 피질척수로의 하행신경로를 만들지요. ‘피질척수로’에서 피질은 운동신호의 출발 영역이며, 척수는 운동 명령의 목표 영역입니다. 신경로의 이름은 이처럼 출발지와 목적지를 순서대로 기술합니다.
대뇌운동영역, 적핵, 전정핵 그리고 그물핵의 신경세포가 활성전위를 생성하는 상위운동신경원이고, 척수전각의 알파운동뉴런이 하위운동신경원이죠. 그물척수로는 뇌간의 그물형성체에서 척수로 연결되어 골격근에 시냅스하여 몸 운동을 만들죠. 전정척수로는 교뇌와 연수의 외측전정핵에서 시작되어 척수로 내려오며, 전정기관에서 평형감각정보를 받아 몸의 균형을 유지합니다.
덮개척수로는 중뇌 덮개(tectum)의 상구에서 시작해 척수에 이르는 신경로이며, 시각의 반사운동을 만들지요. 적색척수로는 중뇌의 적색핵에서 시작되고, 팔다리의 자동적 운동을 생성하지요. 수영을 하고 자전거를 타는 운동학습은 단계별로 수준이 높아집니다. 이러한 운동학습은 대뇌피질, 소뇌, 하올리브핵의 운동학습 회로에 의한 것이지요.
감각입력과 하행운동신경로
대뇌-소뇌 회로와 소뇌-올리브 회로
올리브척수로는 새로운 운동학습에 관여합니다. 올리브척수로는 피질척수로의 곁가지 신경다발이 하올리브핵에 시냅스하고 하올브핵에서 소뇌로 유입되는 경로이지요. 피질척수로는 대뇌 피질에서 척수로 곧장 내려오며, 골격근의 수의운동을 조절하죠. 피질척수로에서 일부 신경섬유가 적핵과 하올리브핵에 시냅스하지요. 대뇌-소뇌 회로와 소뇌-올리브 회로에 소뇌와 관련된 운동회로로 대뇌-소뇌회로와 소뇌-올리브회로가 표시되어 있습니다. 대뇌-소뇌회로는 소뇌심부핵, 시상복외측핵, 그리고 교뇌회색질의 연결이고, 소뇌-올리브회로는 적핵과 하올리브핵 그리고 소뇌심부핵의 연결이죠. 상위회로인 대뇌-소뇌로는 외부자극에 대한 몸 운동을 생성하며 하위 회로인 소뇌-올리브 회로는 새로운 운동학습에 관련되지요.
뇌는 세포배양기로 볼 수 있으며, 뇌는 전압파를 생성합니다. 구체적으로는 신경세포가 전압파를 만듭니다. 신경세포가 전달하는 정보의 실체는 전압펄스이지요. 뇌가 만드는 감각, 지각, 생각은 모두 전압파의 생성과 전파과정입니다. 이런 관점에서 신경세포가 전압파형을 생성하고 전파하는 과정을 살펴봅시다.
무수신경과 유수신경의 전압 전도 방식
무수신경과 유수신경의 전압 전도 방식은 신경세포 전기 전도의 세 가지 양상을 나타낸 것입니다. 맨 위의 그림을 보시죠. 수상돌기에 생성된 전압파는 세포체로 전달되는 과정에서 빠르게 소멸되어 축삭으로 전달될 활성전위를 생성하지 못합니다. 가운데 그림에서, 무수신경 축삭을 통해 전달되는 활성전위는 전압 개폐(voltage gate) 이온채널까지 전달되는 과정에서 전류 누설로 전압파의 감쇄가 크지요.
반면에 아래 그림에서, 유수신경 축삭을 통한 활성전위의 전달은 미엘린 수초로 누설 전류가 크게 줄어들고, 랑비에 결절에 이온채널 밀도가 높아서 낮은 전압 감쇄와 빠른 신경 전달 속도를 보입니다. 무척추동물은 유수신경이 없어요. 미엘린 수초로 작용하는 세포가 해양 무척추동물에서는 진화하지 못했죠. 척추동물 신경시스템의 진화에서 가장 중요한 현상은 유수신경세포의 진화로 볼 수 있습니다. 무척추동물에 비해서 육상 포유동물의 다양하고 신속한 운동은 전류 누설을 방지한 수초화된 유수신경의 출현으로 가능해진 거죠.
신경세포체와 수상돌기에 형성된 시냅스
시냅스후 전위의 공간적 가중과 시간적 가중
한 개의 신경세포에는 수천에서 1만 개 정도의 시냅스가 형성되며, 수상돌기와 세포체 그리고 축삭에도 시냅스가 생성될 수 있습니다. 시냅스는 신경세포 내의 전압을 높이는 흥분성시냅스와 전압을 낮추는 억제성시냅스가 존재합니다. 이 모든 시냅스가 생성하는 전압파가 모두 더해져서 축삭의 최초 분절에서 활성전위가 생성될 가능성을 결정하지요.
신경세포체, 수상돌기, 그리고 축삭에 형성된 시냅스를 통하여 확산되는 전압흥분파는 축삭이 시작되는 영역에서 일정한 크기의 전압파 연쇄인 활성전위로 변환됩니다. 디지털화된 활성전위는 시간적 가중과 공간적 가중이 가능하지요. 수많은 신경돌기에 여러 개의 활성전위가 동시에 도달하면 전기자극이 신경세포체에서 공간적으로 모여 세포체 내의 기록전위가 상승하죠. 또한 시간상 연속되는 자극은 큰 자극으로 합해져서 신경세포를 전기적으로 흥분시킵니다.
흥분성시냅스의 시간적 가중으로 활성전위가 생성되는 과정
한 개의 활성전위에 의해 생성되는 신경세포의 전위 변화는 미약하지만, 한 신경세포가 수천에서 1만 개 정도의 다른 신경세포와 시냅스하므로 이들의 동시다발적 활성전위의 자극을 받은 신경세포는 흥분 상태가 되어 다시 활성전위를 생성할 수 있게 됩니다. 예를 들어 한 개의 신경세포에 4개의 활성전위가 도달한다고 해보죠. 자극이 없을 때는 -70mV의 상태였다가 활성전위의 가중에 의해 4번째 활성전위가 유입되면 대략 -50mV를 초과하게 되어 자극받은 신경세포가 활성전위를 생성할 수 있게 됩니다. 활성전위는 초당 수천 개의 빈도로 생성되는 일정한 크기의 전압파 행렬입니다. 따라서 신경세포는 아날로그의 전압파를 디지털 활성전위로 변환하는 전압파형 변환기라고 볼 수 있지요.
흥분성시냅스와 억제성시냅스가 모두 작용할 때의 시냅스 후막전위
신경전달물질인 글루탐산에 의한 흥분성시냅스와 GABA에 의한 억제성시냅스가 동시에 작용하면 흥분성시냅스와 억제성시냅스가 모두 작용할 때의 시냅스 후막전위처럼 활성전위 생성과 억제가 시냅스 종류에 따라 조절될 수 있지요. 두 개의 흥분성시냅스에 의해 활성전위가 생성되는 동시에 억제성시냅스가 함께 동작하면 활성전위가 생성되는 문턱값에 도달하지 못해 안정 상태에 머물지요.
활성전위는 신경세포 내로 나트륨이온이 유입되면 세포 내부 전압이 세포 외부보다 높아져 상승하여 탈분극할 때 생성됩니다. 세포 내부 전압이 대략 -50mV에 도달하면 나트륨이온 게이트가 닫히고 칼륨채널이 열려서 세포 내부의 칼륨이 세포 외부로 확산되고 전압이 -70mV로 급속히 낮아져 다시 마이너스 전압이 되어 재분극되죠. 재분극 과정으로 전압 값이 안정 상태보다 더 낮아지는 언더슛 상태가 잠시 나타나지요. 후속되는 자극이 없으면 신경세포는 안정 상태를 유지합니다. 이러한 과정을 통해 시냅스전막에서 분비된 신경전달물질에 의해 시냅스후막신경세포에 막전위가 생성됩니다. 시냅스 후막전위가 신경세포의 축삭에 도달하여 일정한 크기의 전압펄스를 형성하면 활성전위가 됩니다.
흥분성시냅스와 억제성시냅스에 의한 흥분성시냅스후막전위와 억제성시냅스후막전위
신경세포의 수상돌기, 축삭, 그리고 세포체에 시냅스하여 생성된 흥분 전압파의 흐름은 모두 합쳐져서 신경세포 축삭돌기가 시작되는 축삭막의 최초 분절로 모입니다. 축삭막 최초 분절에 모인 전압파는 흥분성시냅스후막전위(EPSP) 혹은 억제성시냅스후막전위(IPSP)를 형성합니다. 후막전위가 상승하면 흥분성, 하강하면 억제성이 됩니다. 흥분성시냅스후막전위가 대략 -50mV를 초과하면 일정한 크기의 펄스 형태 전압파인 활성전위가 됩니다.
신경세포의 수상돌기와 세포체를 통하여 전파되는 전압파는 아날로그 타입의 파형이지만, 축삭 최초 분절에서 생성되는 활성전위는 일련의 디지털 전압파형이 됩니다. 인체는 대략 200종류의 서로 다른 기능을 하는 세포로 구성됩니다. 그중에서 전압펄스를 만드는 세포를 신경세포(neuron)라 합니다. 다양한 형태로 변형하는 젤리 같은 무정형의 세포에서 이처럼 가지런한 전압파가 생성되다니 놀랍지요. 대뇌피질의 신경전달물질인 글루탐산은 흥분성시냅스후막전위를 생성하고 GABA는 억제성시냅스후막전위를 생성하죠.