신경생리학 √ 수초형성은 활동전위의 전도 속도를 증가시키며 에너지를 보존 1. 유수섬유 : 척추동물에서 주로 발견되며 축삭의 길이를 따라 규칙적으로 수초 형성세 포의 수초에 덮혀 있음. 절연체로 전류의 누출을 방지(그림 4-15 b, c). 이온의 유입과 유출이 결절부위에서만 일어나므로 에너지를 보전 함 2. 수초형성세포 : 중추신경계(뇌와 척수)에서는 소돌기교세포(oligodendrocyte) 임. 말초신경계(중추신경계와 신체 각 부분 사이의 신경)에서는 슈반세포 임

유수신경

3. 랑비에 결절 : 수초는 지질 성분으로 되어 있고 축삭막 중 세포외액에 누출되어 있는 부분이며 수초가 없음. 막 전위가 존재하고 전압 개페성 Na+ 채널이 높은 농 도로 존재(그림 4-15d). 도약전도(비수초섬유에 비해 약 50배 정도 전도가 빠름)가 일어남. 약 1mm 정도 떨어져 있어 국지전류가 소멸되지 않고 충분히 전도될 수 있는 거리(그림 4-16) 4. 소화기관에 연결된 수초가 없는 작은 섬유는 전도속도가 0.7 m/sec인 반면 골격 근을 조절하는 큰 수초 섬유는 120m/sec로 빠름

4.4 전기 및 화학 시냅스 ￮ 시냅스(Synapse) : 활동전위 정보가 다른 신경세포나 근육 등의 작동세포에 전달되는 곳 ￮ 신호전달에는 전기적(직접적) 전달과 화학적(간접적) 전달이 있음

도약전도

√ 전기시냅스는 활동전위를 간극연접을 통해서 전달 1. 시냅스전 신경세포의 세포질과 시냅스후 신경세포의 간극연접(gap junction)

을 통해서 직접 접촉하고 있어 활동전위는 전기적시냅스를 방해 없이 전달됨 2. 시간 지연이 없이 자극 전달이 되므로 무척추동물은 탈출 반응 메커니즘으로 유용하게 사용 3. 전기적 교신의 빠른 속도는 척추동물의 특정 조직에서는 한 그룹의 세포 활성 을 조절하는 사용

√ 화학시냅스는 활동전위를 세포외 배출에 의해 시냅스틈으로 방출되는 유기화학 전달자로 바꾸어줌 1. 화학시냅스 : 신경과 표적 세포가 직접 접촉하지 않음. 시냅스틈(synaptic cleft)은 전기적 전달이 이루어지지 지지 않음(20~40nm) 2. 신경전달물질 : 유기화학 전달물질로 신경말단에서 표적세포로 신호를 전달. 표적세포의 수용체 단백질과 결합하여 표적세포의 활성을 변화 시킴 3. 화학시냅스는 신경전달물질의 확산에 의존하므로 전기적 시냅스 보다 매우 느림 이점 : 한 방향으로만 작용. 표적세포의 활동전위를 유발하는 것 외에도 다양한 종류의 신호를 만들 수 있음 4. 신경전달물질은 화학적으로 매우 다양한 종류가 있음(표 4.3) : amine류, 글루탐산 (glutamate), norepinephrine , dopamine , sertonin(척추동물의 신경계에서 수면, 통증, 공격성, 성적 행동 및 섭식 등에 관여) 5. 신경세포는 다른 신경세포와 화학적 시냅스를 형성하거나 작용기관의 근육, 분비샘 등과 시냅스를 형성함

4.5 신경-신경 시냅스 1. 신경-신경 시냅스 : 시냅스전 신경세포의 한 신경세포의 축삭돌기 말단과 두 번째 신경세포의 수상돌기 또는 세포체 사이의 연결부 2. 대부분 신경세포 몸체와 수상돌기는 여러 신경세포로부터 유입되는 수 천개의 시냅스를 가짐. 중추신경계의 일부 신경세포는 100,000개의 시냅스를 가진 것도 있음(그림 4-17) 3. 시냅스전 신경세포 축삭말단은 약간 부풀어져 있는 시냅스꼭지(신경전달물질 이 있는 시냅스 소낭이 분포)를 이루고 있음. 시냅스꼭지 바로 아래의 시냅스후 막 부분을 시냅스아래막 이라 함

시냅수후 신경세포의 시냅스 입력

√ 신경전달물질은 빠른 시냅스 너머로 신호를 운반하여 화학 개폐성 채널을 개방 1. 빠른 시냅스 : 신경전달 물질이 화학 개폐성 채널의 입체구조를 변화시켜 막 투과성 변화를 일으켜 막을 통한 이온의 흐름을 변화시킴(반응이 빠르게 일어남) (1) 시냅스전 신경세포에서 활동전위가 축삭말단에 전달되면 시냅스꼭지의 전압 개폐성 Ca2+ 채널이 열림(그림 4-18) (2) ECF(Extracellulor fluid, 세포외액)의 Ca2+농도가 높고 세포는 음전하를 띠므로 Ca2+이 열린 채널을 통해 시냅스꼭지로 들어옴 (3) Ca2+에 의해 시냅스틈의 시냅스 소낭(synaptic vesicle)으로부터 신경전달물질의 분비가 유도 (4) 방출된 신경전달물질은 확산을 통해 시냅스 아래막의 특정 수용체 단백질에 결합 (5) 시냅스 아래막의 특정 이온 채널이 열려 시냅스후 신경세포의 막투과성이 변함 2. 시냅스전 세포 말단에서만 신경전달물질이 분비되고 시냅스후 세포막에만 이들 수용체가 존재하여 항상 신호 전달이 시냅스전 세포에서 시냅스후 세포 방향으로 전달

시냅스의 구조와 기능

√ 일부 신경전달물질은 시냅스후 신경세포를 활성화시키는 반면 시냅스후 세포의 활성을 저해하는 것도 있음 ￮ 흥분성 시냅스(excitatory synapse) 1.신경전달물질이 수용체에 결합하면 시냅스아래막의 비특이적 양이온 채널이 열려 Na+과 K+이 동시에 이동. 이들 이온의 투과성이 동시에 증가 2. 적은 양의 K+ 이온이 시냅후 세포로 유출되는 반면 Na+ 이온은 많은 양이 세포 안 으로 유입됨. 시냅스후 신경세포에서 작은 탈분극이 발생 3. 흥분성 시냅스에서 발생하는 시냅스 후 전위를 흥분성 시냅스후 전위(excitatory postsynaptic potential, EPSP)라 함

￮ 억제성 시냅스(inhibitory synapse) 1. 화학전달자와 수용체의 조합에 의해 시냅스아래막의 K+ 또는 Cl- 이온 채널의 구조변화가 유발. 신경후 신경세포를 과분극 시킴(세포 안쪽이

더 음이 됨) 2. 과분극 결과 역치값에서 더 멀어져 역치에 도달하여 활동전위를 발생시 키기가 더 어려워 짐 3. 시냅스 후 신경세포의 과분극은 억제성 시냅스후 전위(inhibitory postsynaptic potential, IPSP)라 함 ￮ 시냅스 지연(synaptic delay) 전기 신호가 화학적 수단을 이용하여 시냅스후 세포의 전기신호로 바뀌 는 데 걸리는 시간이 필요. 시냅스 지연은 약 0.5에서 1 msec 정도. 신경 경로가 복잡하면 할수록 시냅스지연과 총 반응시간이 증가

√ 각각의 빠른 시냅스는 항상 흥분성이거나 또는 항상 억제성 임 1. 하나의 시냅스에서는 항상 같은 신경전달물질이 방출됨

2. 특정한 신경전달물질이 시냅스 아래막의 수용체에 결합하면 항상 동일한 막 투과성의 변화와 그에 따른 시냅스후막의 전위 변화를 일으킴 3. 주어진 하나의 시냅스는 항상 흥분성이거나 또는 억제성임 4. norephrine은 한 시냅스에서 EPSP(흥분성 시냅스후 전위)을 만들어 내고 다른 시냅스에서는 IPSP(억제성 시냅스후 전위)을 만들어 내는데 이는 다른 종류의 수용체를 가지고 있는 다른 시냅스후 신경세포에서 막투과성의 변화가 달라질 수 있기 때문 5. 대부분의 경우 각각의 축삭말단은 한 종류의 신경전달물질만 방출. γ-아미노 부틸산(γ-aminobutyric acid, GABA)는 억제성 반응을 생성 √ 신경전달물질은 빠르게 시냅스틈에서 제거됨 시냅스후 신경세포는 반응 후 신경전달물질이 불활성화 되거나 제거됨 (1) 신경전달물질은 시냅스틈에서 확산되어 없어짐 (2) 시냅스아래막에 있는 특수한 효소에 의해 불활성화 됨 (3) 시냅스전 세포막에서 수송 메카니즘에 의해 축삭말단으로 되돌아감

√ 느리게 작용하는 시냅스의 신경전달물질은 세포 내 2차 전달자 시스템을 이용 1. 느린 시냅스 : 시냅스후 신경세포에서 신호전달 방법으로 cAMP와 같은 세포내 2차 전달자를 이용. 예로 serotonin이 있음. 반응이 느리고 오래 지속됨. cAMP는

시냅스후 세포의 전사 인자를 활성화함으로써 유전자 발현 양상을 변화시켜 장기적인 변화 초래하며 이러한 효과로 신경의 성장 및 발달, 학습 및 기억에 중요한 역할을 함

4.6 신경근육 시냅스 1. 활동전위는 크고 수초를 지낸 운동뉴런(motor neuron)을 통해 골격근에 전도 축삭이 근육에 가까워지면 여러 개의 말단 가지로 갈라짐 2. 신경근육접합부 : 축삭말단은 각각 근육을 구성하는 근육세포와 특수한 시냅스 접합부를 형성(그림 4-20). 운동종판 (motor end plate) 이라고도 함. 일반적으로 각 척추동물의 근섬유에는 하나 혹은 2개의 운동종판이 분포 3. 말단버튼 : 축삭의 말단이 혹 모양으로 퍼져 있음. 아래쪽의 근섬유에 있는 얕은 홈에 잘 맞는 모양(그림 4.21)

골격근 세포에 분포하는 운동뉴런

√ 빠른 흥분성 신경전달물질인 acetylcholine은 운동뉴런의 전기 신호를 근육세포의 전기신호와 연결시켜 줌 ￮ 근육시냅스는 신경-신경 시냅스 전달 단계와 거의 동일 함 ￮ 말단버튼은 acetylcholine 여러 분자를 저장하고 있는 수천개의 소낭을 가지고 있음 (1) 말단버튼의 전압 개폐성 Ca2+ 채널이 열림(그림 4-21,1) (2) Ca2+이 말단버튼으로 퍼져 나감 (3) 소낭으로부터 세포외배출을 통해 ACh이 틈으로 방출되어 확산 (4) 2개의 ACh 분자가 시냅스후 세포막 수용체에 결합 (5) 운동종판의 화학전달자 개폐성 채널이 열려 운동종판을 탈분극 시킴 (6) EPP(종판전위)가 운동종판에서 발생하면 탈분극된 운동종판과 이웃한 지역의 막전위를 역치에 도달하게 함 (7) 활동전위가 발생하여 근섬유를 따라 전도 (8) 전도는 운동종판에서 근섬유의 양방향으로 전달. 근섬유의 수축을 일으킴 (9) 두 분자의 ACh은 매우 짧은 시간 동안 수용체에 결합한 후(약 1 msec) 곧바로 이탈. AChE는 ACh를 조각 내어 불활성화

신경근육 접합부

￮ 종판전위(end-plate potential, EPP) : 운동종판이 탈분극하여 생긴 전위. EPSP(흥분성 시냅스후 전위)와 유사하나 EPSP 보다 큰 값을 가짐(원인 : 1. 시냅스꼭지에서 분비되는 신경전달물질이 많음 2. 운동종판은 신경전달물질 수용체를 많이 가진 부위의 표면적이 넓어 신경전달물질의 결합부위를 많이 가지고 있음 3. 운동종판에서 신경전달물질 수용체 복합체에 의해 많은 이온채널이 열림. ￮ EPP 하나의 크기는 근육세포에 활동전위를 일으키기 충분함 √ acetylcholinesterase 신경근육접합부에서 acetylcholine의 활성을 종결시킴 1. 근육세포의 전기적 반응은 ACh을 불활성화하는 acetylcholinesterase(AChE)

효소에 의해 중지됨 2. ACh의 제거는 EPP(종판전위)을 종료시키며 근육세포막은 휴지상태로 돌아가 고 근육은 이완할 수 있음

4.7 시냅스와 통합 √ 총시냅스후 전위의 크기는 모든 시냅스전 섬유로부터 입력된 활성의 합에 의해 결정됨 1. 신경-신경시냅스는 시냅스후 신경세포에 EPSP(흥분성 시냅스후 전위) 또는 IPSP(억제성 시냅스후 전위)을 만들어 냄 2. 신경세포의 몸체에서는 다른 신경세포로부터 수천개의 입력(환경으로부터 오는 감각 정보, 항상성 유지를 위한 내부 변화의 신호, 뇌의 조절 중추로부터 전달되는 신호 및 기타 정보 포함)이 주어짐 3. 특정 시기에는 특정 숫자의 세포들만이 활동전위를 만들어 시냅스후 신경세포의 활동에 영향을 줌 4. 총시냅스후 전위(grand postsynaptic potential, GPSP) : 시냅스후 신경세포의 총 전위. 모든 EPSP와 IPSP의 총합 5. 시냅스후 신경세포는 시간적 가중(temporal summation)과 공간적 가중 (spacial summation)으로 역치에 도달

￮ 시간적 가중(temporal summation) 1. EPSP(흥분성 시냅스후 전위)와 IPSP(억제성 시냅스후 전위)는 차등전위이기 때 문에 짧은 거리까지만 퍼져 나감 2. 시냅스후 신경세포에서 첫 번째 EPSP가 발생하여도 탈분극된 상태이며 두 번째 EPSP가 만들어지면 첫 번째 EPSP에 더해져서 역치에 도달하여 활동전위가 생성됨. 차등전위는 불응기가 없음 3. 시간적 가중이란 하나의 시냅스전 신경세포가 연속적으로 활동전위를 전달하여 시간적으로 매우 가깝게 일어나는 여러 개의 EPSP가 합쳐지는 것. 시냅스후막을 역치에 도달하게 할려면 50개의 EPSP가 합쳐져야 함(그림 4-22)

총시냅스후 전위는 시냅스전 입역에 의한 활성성의 합에 의해 결정

￮ 공간적 가중(spacial summation) ￭ 여러 개의 다른 시냅스전 입력에 의해서 동시에 생겨나는 EPSP의 가중을 말함 ￭ 시냅스후막을 역치에 도달하게 할려면 50개의 EPSP가 동시에 합쳐져야 함 ￭ IPSP(억제성 시냅스후 전위)도 시간적, 공간적 가중이 일어남 ￭ 동시에 발생하는 EPSP와 IPSP의 상쇄 ￭ 대부분의 경우 시냅스후 막전위는 휴지상태에 가깝게 됨 ￭ 시냅스후 신경세포 통합의 중요성 1. GPSP(총시냅스후 전위)의 크기는 모든 시냅스전 입력의 합에 의해 결정되며 이로 인해 시냅스후 신경세포가 활동전위를 만들어 신호를 전달할 것인가, 전달하지 않을 것인가에 대해 결정함 2. 수상돌기는 전달받은 정보의 초기 연산자로 역할 3. 각각의 시냅스후 신경세포는 역치에 도달할 만큼 충분히 중요하지 않은 정보를 걸러 제거함

√ 활동전위는 역치가 가장 낮은 축삭기점구에서 시작됨 1. 신경세포에서 가장 낮은 역치 전위는 축삭기점구에 위치함 축삭기점구에서 전압 개폐성 Na+ 채널의 농도가 가장 높아 전위의 변화에 더 민감함 2. 활동전위는 축삭기점구에서 시작되어 축삭 말단으로 전파 √ 신경펩티드는 주로 신경조절물질로 작용 1. 전형적인 신경전달물질 : 작고 빠르게 작용하는 물질. 시냅스후 신경세포의 특정 채널을 열어 몇 msec 이내에 반응. 시냅스후막 전위변화(EPSP, IPSP)를 나타냄. 축

색말단의 세포질에 있는 시냅스 소낭에 저장. 아미노산이나 이와 유사한 화합물 2. 신경펩타이드 : 2개에서 40개의 아미노산으로 구성된 큰 분자. 신경세포 몸체의 소포체와 골지체에서 합성되어 축삭 말단으로 이동. 크고 밀도가 높은 소낭에 저장. 세포외배출에 의해 신경전달물질이 신경소낭에서 배출되는 것과 동시에 방출. 신경전달물질에 비해 낮은 농도에서도 작용. 느리고 지속적인 반응. 대부분 신경조절물질로 작용 3. 신경조절물질 : EPSP(흥분성 시냅스후 전위)와 IPSP(억제성 시냅스후 전위)를 만들 어 내지 못하나 시냅스의 활동을 증진시키거나 억제하는 등 민감하게 조정하는 장기적인 변화를 일으킴. 신경세포의 비시냅스 부위에 있는 수용체에 결합하여 2차 전달자 시스템을 활성화 시킴. 시냅스전이나 시냅스후 어디에서도 작용 가능. 시냅스의 반응을 정교하게 조절 함. 몇 일에서 몇 년까지 지속

√ 시냅스전 억제 또는 촉진은 주어진 시냅스전 입력의 효과를 선택적으로 변화시킬 수 있음(그림 4-23) √ 역방향 전달자는 반대방향으로 이동하며 시냅스의 기능을 조절 역방향(retrograde) 전달 : 자극을 받은 시냅스후 세포가 방출한 신호물질이 반대 쪽의 시냅스전 말단으로 확산되어 신호를 만들어 내지는 못하나 신경조절물질 처럼 민감성을 장기적 또는 지속적으로 변화시킴

수렴과 발산

√ 신경세포는 수렴과 발산에 의해 서로 연결되어 복잡한 신경경로를 구성 1. 수렴(convergence) : 하나의 주어진 신경세포는 여러개의 다른 신경세포와 시냅스를 형성. 하나

의 세포는 수천개의 다른 세포에 의해 영향을 받음(그림 4-24)

2. 발산(divergence) : 한 세포의 축삭말단이 여러 개 의 가지를 생성하여 여러 세포와 시냅스를 형성함 으로 여러 세포에 영향을 미치는 것 3. 인간의 뇌에는 1,000억 개의 신경세포와 1014개의 시냅스가 있는 것으로 추정