신경세포, 전시 신호 전달, 신경회로

신경 생리학(neurophysiology)은 신경계의 생리적 기능, 구조, 메커니즘 및 전기적 특성을 연구하는 생물학의 한 분야입니다. 신경 생리학은 뇌, 척수 및 말단 신경계의 작동 방식을 이해하려고 합니다. 이 분야의 연구는 기본적인 신경 작용 및 고차원적인 인지 기능과 같은 고차원 기능 간의 상호 작용에 이르기까지 다양한 수준에서 이루어집니다. 신경 생리학의 주요 주제들은 다음과 같습니다

 

 

1.신경세포

신경세포(neuron)는 신경계의 기본 구성 요소로서 전기적 및 화학적 신호를 생성하고 전달하는 세포입니다. 인간의 뇌에는 대략 860억 개의 신경세포가 있으며, 이들은 복잡한 신경회로를 형성하여 높은 수준의 정보 처리와 의사 소통을 가능하게 합니다. 신경세포의 주요 구조는 다음과 같습니다.

①세포체(Cell body): 뉴런의 중심부로 핵과 세포의 대부분의 세포질이 자리하고 있습니다. 세포체는 뉴런의 생존과 관련된 다양한 작업을 수행합니다.

②축색돌기(Axon): 신경신호를 다른 뉴런 또는 효소에게 전달하는 세포의 긴 확장물입니다. 축색 돌기는 마이언 또는 마이린 시스에 의해 덮여 있을 수 있어서 신경신호의 전달 속도가 빠릅니다.

③수상돌기(Dendrite): 뉴런의 다수의 가지들로 이루어져 있으며, 인접한 뉴런들로부터 받은 신호를 세포체로 유도하는 역할을 합니다.

④시냅스(Synapse): 뉴런 사이의 연결 지점으로, 한 뉴런의 축색돌기 끝과 다른 뉴런의 수상돌기 사이에 위치하며 화학물질인 뉴로트랜스미터를 통해 신호를 전달합니다.

 

1-2. 신경세포의 기능은 다음 과정들을 통해 이루어집니다

➊자극 수용(Receiving stimuli): 뉴런은 외부 환경 혹은 인접한 뉴런으로부터 자극을 받습니다.

➋신호 생성(Generating signals): 예를 들어, 특정 자극이 임계치를 초과하면 뉴런은 전위변화를 발생시켜 전기적 신호인 액션 포텐셜(Action potential)을 생성합니다.

➌신호 전달(Transmitting signals): 액션 포텐셜이 생성되면, 이 신호는 축색돌기를 따라 전달됩니다. 이 과정에서 마이린 시스의 유무가 전달 속도에 영향을 줍니다.

➍신호 전달 (Communication): 전달된 액션 포텐셜은 축색돌기 끝에서 뉴로트랜스미터를 통해 시냅스를 통해 다른 뉴런이나 효소에게 전달됩니다.

신경세포는 수많은 종류가 있고, 이들은 전달되는 정보의 종류와 기능의 차이에 따라 분류 될 수 있습니다. 이제 프로세스의 기본 이해를 가지고 있으므로 신경과학자들이 이러한 절차를 더 깊게 연구하는데 초점을 맞추고 있음을 알 수 있습니다. 이 연구는 인간의 건강과 복잡한 두뇌 기능에 대한 이해를 높이는데 기여하고 있습니다.

 

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2.전시 신호 전달

전기신호 전달은 신경계에서 정보를 전달하는 핵심 메커니즘이며, 뉴런 간의 의사소통에 기반을 두고 있습니다. 전기신호는 뉴론의 세포막 전위를 변화시켜 뉴론이 자극에 반응하도록 만듭니다. 주요 과정은 다음과 같습니다.

①잠정적 전위(Resting potential): 뉴런이 자극을 받지 않은 상태에서 세포 내부와 외부의 전기적 차이를 유지합니다. 일반적으로 잠정 전위는 약 -70 밀리볼트(mV)입니다. 이는 나트륨(Na+)와 포타슘(K+) 이온 펌프를 통한 세포막 투과성 조절로 유지됩니다.

②자극 임계치 도달: 뉴런에 자극이 가해지면, 세포 막 전위가 변화합니다. 만약 전위 변화가 임계치(보통 약 -55mV)를 넘으면, 액션 포텐셜이 발생합니다.

③액션 포텐셜 발생: 임계치가 초과되면, 빠른 전위 변화가 이루어지는데, 이를 액션 포텐셜이라고 합니다. 액션 포텐셜은 전압 게이트형 나트륨 이온 채널이 열리면서 나트륨 이온이 세포 내로 들어가는 것으로 인해 발생합니다. 이로 인해 세포의 전위는 급격하게 양전되며, 약 +40mV에 도달합니다.

④복귀 및 가교 판국(Repolarization and hyperpolarization): 전위가 최대치에 도달하면, 전압-게이트형 나트륨 채널이 닫히고 포타슘 채널이 열립니다. 포타슘 이온이 세포 밖으로 이동하면서 세포 전위는 다시 음전으로 바뀝니다. 과도한 충전 방전으로 인해 전위는 원래 잠정 전위보다 더 아래로 다소 가라 앉기도 합니다.

⑤Refractory period (회복기): 액션 포텐셜이 종료된 후 잠시 동안 뉴런은 다른 액션 포텐셜을 발생시키지 못합니다. 이 기간 동안 전기신호 전달이 길차니에 의해 일정한 방향으로 전달됩니다.

액션 포텐셜은 축색돌기를 따라 전달되며, 축색돌기 말단에 도착하면 시냅스를 통해 인접한 뉴런에 화학물질인 뉴로트랜스미터가 방출되어 신경 정보를 전달합니다. 이렇게 전기적 신호가 뉴론 간의 화학적 신호로 바뀌어 전달되는 과정을 전기화학적 전달이라고 합니다.

 

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3.신경회로

신경회로(neural circuit)는 서로 연결된 뉴런들의 집합으로, 신경계의 특정 기능을 담당하는 정보 처리 구조입니다. 이 구조는 뉴런들 간의 연결이 복잡하게 얽혀 있어, 신호를 받고 처리한 다음 최종 출력을 생성합니다. 신경회로는 간단한 반응부터 고차 인지 기능까지 다양한 수준의 복잡성을 가질 수 있습니다. 신경회로는 주로 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다

①입력 뉴런(Input neurons): 외부 환경에서 정보를 수신하거나, 또는 다른 신경회로에서 입력을 받습니다.

②반응 뉴런(Response neurons): 받은 정보를 처리하고 연산하는 뉴런들입니다. 이러한 뉴런들은 연속적으로 연결되어 있으며, 신경 회로 내에서 병렬적 또는 직렬적으로 작동할 수 있습니다.

③출력 뉴런(Output neurons): 처리된 정보를 다음 단계의 뉴런, 신경회로, 또는 핵심조직으로 전달합니다.

 

3-2. 신경회로는 다양한 종류와 기능을 가질 수 있습니다. 일부 예로는 다음과 같습니다

➊모터 회로(Motor circuits): 운동 신호를 생성하고 근육 활동을 조절합니다.

➋감각 회로(Sensory circuits): 외부 세계로부터의 감각 정보를 처리하고, 뇌에 전달하여 인식합니다.

➌인지 회로(Cognitive circuits): 학습, 창작, 기억, 의사결정 등 인지 과정을 조절하는 회로입니다.

신경 회로의 연구는 이 회로가 신경계의 기능과 어떻게 관련되어 있는지 이해하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 신경 회로 손상이 특정 질병이나 장애와 연관된 경우, 이러한 손상된 회로를 복구하거나 보호하는 치료법을 찾는 데 연구가 집중됩니다. 이외에도 인공지능 및 머신 러닝과 신경회로를 모방한 알고리즘을 개발하는 데에서도 영감을 얻게 됩니다. 이러한 발견은 신경과학과 컴퓨터 과학 사이의 다양한 발전을 이끌어 내게 되며, 뇌와 인간의 건강, 기능, 인지 능력에 대한 이해에 도움을 줍니다.