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신경 신호의 전달 방식
모든 행동, 생각, 감정을 버튼 하나로 전달할 수 있다면 어떨까요? 가장 간단한 앱을 사용하는 것처럼 동일한 볼륨과 길이의 작은 신호로 "여기 춥다", "나는 츄러스를 좋아해", "숨 좀 쉬고 싶다" 같은 모든 것을 전달할 수 있다면요. 실제로 신경 세포(뉴런)는 모든 행동, 생각, 감정에 대한 신호를 이런 방식으로 전달합니다.
뉴런이 충분히 자극받으면, 전기적 충격(활동 전위)이 축삭을 통해 이웃 뉴런으로 전달됩니다. 이 신호는 단 하나의 형태로만 전달되며, 강도와 속도도 일정합니다. 그러나 신호의 빈도나 횟수를 조절할 수 있습니다. 뇌는 이 신호를 이진법 코드처럼 해독하여 "난방 온도를 올려라"와 "불타고 있어"를 구별합니다. 이 전기적 충격이 바로 활동 전위입니다. 이는 해부학과 생리학, 더 나아가 생명 전반에 걸쳐 가장 근본적인 측면 중 하나입니다.
신체는 전지로 이루어져 있다
신경 세포가 어떻게 의사소통하는지 이해하려면, 먼저 전기에 대해 조금 이해해야 합니다. 신체를 전지의 집합체로 생각해 보세요. 신체는 전체적으로 전기적으로 중성 상태이며, 양전하와 음전하가 동일하게 분포되어 있습니다. 그러나 특정 영역은 더 긍정적이거나 부정적으로 충전되어 있습니다. 양전하와 음전하는 서로를 끌어당기기 때문에, 우리는 이들을 분리하여 잠재적 에너지를 저장합니다. 예를 들어, 배터리는 플래시 라이트나 전화기, 장난감 등에 연결될 때 에너지를 방출합니다.
뉴런도 마찬가지로 자체적으로 전하를 분리하여 잠재적 에너지를 저장합니다. 이러한 전위를 이용하여 전기적 신호를 생성합니다.
신경계 내부의 전기 작동 방식
휴식 상태의 뉴런은 마치 배터리처럼, 내부가 외부보다 더 부정적으로 충전되어 있습니다. 이 차이를 휴지 전위라고 하며, 약 -70 밀리볼트입니다. 이 전하는 주로 나트륨 이온과 칼륨 이온에 의해 결정됩니다. 휴식 상태에서 뉴런 외부에는 나트륨 이온이 많고, 내부에는 칼륨 이온과 큰 음전하 단백질이 있습니다. 이로 인해 뉴런의 내부는 상대적으로 음전하를 띱니다.
나트륨-칼륨 펌프
이 이온들은 나트륨-칼륨 펌프라는 중요한 단백질 기구에 의해 배열됩니다. 이 펌프는 뉴런의 막을 가로질러 존재하며, 세포 내부로 칼륨 이온 두 개를 펌프질하고 세포 외부로 나트륨 이온 세 개를 펌프질하여 전하의 차이를 만듭니다. 이 차이를 전기화학적 기울기라고 하며, 이는 뉴런의 활동 전위를 유발하는 데 중요한 역할을 합니다.
이온 채널의 종류
세포막에는 이온이 통과할 수 있는 통로인 이온 채널이 있습니다. 이 채널은 전압-의존성 채널, 리간드-의존성 채널, 기계적-의존성 채널 등으로 구분됩니다. 이 채널들은 각각의 조건에 따라 열리고 닫히며, 이온의 이동을 통해 전기적 신호를 생성합니다.
활동 전위와 전기 신호
활동 전위는 뉴런의 휴지 상태에서 시작됩니다. 어떤 자극이 발생하면 나트륨 채널이 열리고, 나트륨 이온이 세포 내부로 들어와 전위를 증가시킵니다. 이 자극이 충분히 강하면 활동 전위가 발생하여 전기 신호가 축삭을 따라 전달됩니다. 이 과정에서 뉴런은 탈분극, 재분극, 과분극 단계를 거쳐 다시 휴지 상태로 돌아갑니다.
신경 신호의 전달
신경 신호는 항상 동일한 강도로 전달되며, 자극의 세기에 따라 신호의 빈도가 달라집니다. 신경 신호는 특정 전압에서 시작하여 특정 전압에서 끝나며, 이는 신경 신호의 일관성을 유지합니다. 신경 신호의 속도는 주로 축삭의 미엘린 수초 여부에 따라 달라집니다. 미엘린 수초가 있는 축삭은 신호를 더 빠르게 전달합니다.