뇌의 기전

1 뇌의 생물리학적 정보처리 메카니즘

1.1 뇌 (Central Nervous System)의 일반적 구조

뇌간(brain stem)에는 연수와 교가 있다. 연수(medulla) 는 뇌와 척수를 연결하는 신경로와 자율신경핵(호흡, 심박, 위장작용 조절)을 내포하고 있고 교(pons)는 뇌간과 소뇌를 상호 연결하는 많은 교차섬유와 몇개의 신경핵(먹는 일과 얼굴표정의 통제에서 중요한 기능담당)을 내포하고 있다.

중뇌(midbrain)는 배측과 복측으로 구분된다. 중뇌의 배측(tectum)은 시각계의 핵을 지닌 상소구와 청각계의 핵을 지닌 하소구를 내포하고 중뇌의 복측은 운동의 통제에 관여하는 적핵(red nucleus)와 흑질(substantia nigra,흑색을 띤 뉴런들)을 내포하면서 기저핵과 연결되어있다.

소뇌(cerebellum)는 운동의 협동조절에 관여하며 소뇌피질과 소뇌핵이 있다. 소뇌 피질은2 ~ 3mm이고 뉴런의 배열과 편성이 대뇌피질과 비교해서 부위에 관계없이 일률적인 편이다. 소뇌핵은 입력섬유가 전정계, 척수의 감각신경, 청각계, 시각계, 대뇌피질과 연결되어 있고 출력섬유의 연결부위는 시상, 뇌간 및 기타 몇 구조이다.

시상(thalamus) 은 좌우 두개로 여러 개의 핵으로 구성되어있으며 대뇌피질로 투사되는 주요 감각계의 최종 중계소 역할을 한다.

대뇌(cerebrum)는 기저핵, 변연계, 대뇌피질로 구성되어있다. 기저핵(basal ganglia)은 미상핵(caudate nucleus), 피각(putamen), 담창구(globus pallidus)를 내포하며 추체외로 운동계(extrapyramidal motor system)에 속한다. 변연계(limbic system)는 해부학적 관점에서 시상하부와 연결된 여러 뇌구조물이 모여서 형성된 것이며 정서를 통제하는 중추(1954년, James Olds, Peter Milner)이다. 변연피질은 후각계의 일부이며 해마(hippocampus)는 학습과 기억에 관련되어 있고 편도체(amygdala)는 후각계와 직접적인 연결되어있다. 시상하부(hypothalamus)는 peptide, steroid 계의 화학적 전달물질로 여러 정신상태(전투,도피등)의 신체적 표출에 관여하는 호르몬을 분비하여 뇌하수체(내분비선의 통제자)를 지배한다. 대뇌피질(neocortex)은 고도의 감각과 지각, 운동과 기술, 사고력, 상상력, 언어능력을 담당하고 있으며 3mm 정도의 두께로 6층으로 구별되는 층을 이루고, 뉴런기둥이 기능적 단위를 이루고 있다. 좌우 대뇌피질을 연결하는 뇌량(corpus callosum)이 있으며, 전두엽, 두정엽(신체피부에서 비롯한 정보), 측두엽(청각 정보), 후두엽(시각 정보)으로 영역이 세분되어져 있다.

 1.2 뉴런내의 전기적 신호에 의한 정보전달 메카니즘

수상돌기 는 주위의 많은 다른 뉴런들의 시냅스 전막과 전기적,화학적 상호작용에 의해 시냅스 후막 전위를 형성함으로써 정보를 받아들이는 부분이다. 이러한 정보는 세포체에서 모아져서 국부적 전위(localized potentials, receptor potentials)를 형성한다. 시냅스사이의 상호작용을 통해 세포막을 통해 이동하는 이온들의 양에 의해 연속적인 국부적 전위의 크기와 유지시간이 결정된다. 신호전달시 이러한 전위의 모양은 거리가 멀어질수록 약해지면서 완만해진다. 전기, 화학적 상호작용은 10nm두께, 인지질(phosphoric acid(물친화) + glyceride (지방친화))로 구성된 세포막(cell membrane)의 '채널(channel, aqueous pores)' 이라는 조건에 따라 열리고 닫히는 구조에 의해 이루어진다. 채널의 갯수와 열리는 횟수가 많을수록 막전위가 활성화되므로 채널은 세포막의 '전도도 (conductivity)' 로 해석되기도 한다. 일반적으로 채널이 열려있는 상태를 유지하는 시간은 특정한 평균값을 기준으로 무작위적이며, 불규칙적으로 채널이 열리고 닫힌다. 이온의 종류에 따라 채널의 열리고 닫히는 반응이 달라진다. 채널은 주요하게 효소에 의해 열리는 형(ligand activated channel)과 전압에 의해 열리는 형(voltage activated channel )이 있다. 전자는 5개의 폴리펩타이드의 하부단위(five polypectide subunits)가 원형으로 배열되어있는 물질이며 nicotinic ACh receptor, neurotransmitter,vertbrate muscle이 대표적인 예이다. 후자는 하나의 큰 폴리펩타이드 사슬구조 (a single large polypeptide chain containing four repeating domains in its polypeptide sequence)로 이루어진 물질이며 sodium, calcium, potassium channel,eel electric organ, mammalian brain, skeletal muscle이 대표적인 예이다. 그 밖에 intercellular messengers로 작동하는 세포질 내의 화학물질에 의해 열리는 형 (chemicals in the cytoplasm activated channel)과 막의 기계적 변형에 의해 열리는 형(mechanical defomation-the deformation of membrane- activated channel)이 있다. 채널을 통한 이온의 이동은 전류를 형성하게 되고 신경계의 전기적 신호인 전위를 발생시킨다. 이때 막전류의 잡음은 막에 존재하는 채널의 전도도와 열려있는 시간에 대한 정보를 간접적으로 줄 수 있다. Patch clamp방법으로 측정된 전류와 전압사이의 관계로부터 막의 전기전도도의 특성을 살펴보면 비선형적인 관계가 나타난다. 채널의 특성을 전기적 특성을 나타내는 양과 대응을 시키면 open channel-> permeability, open channel + ions -> conductance, open channel + ions +driving potential ->current 와 같다. 즉, 채널전류는 채널 고유의 특성인 the permeability와 세포질내와 세포밖의 이온 농도, 농도차이와 전위차이에 의한 driving potential에 의존한다. 채널을 통한 이온의 이동에 의해 형성되는 막전위에는 아무런 외부 입력이 주어지지 않아도 형성되어 있는 정지전위가 있다. 정지전위는 세포막의 안과 밖에서 각 이온들의 확산력과 이온의 전하량에 기인한 전기적인 힘이 평형상태가 되도록 이온들이 분포하였을 때의 막의 안밖사이의 전위차이다. 이는 칼륨이온농도의 평형상태를 다룬 nernst equation, 양이온 농도(cation concentraion)와 막투과성 ( membrane permeabilities )을 고려한 constant field equation, 나트륨-칼륨의 Na-K ATP ase에 의한 능동수송을 추가적으로 더 고려한 steady-state equation 등에 의해 정량적으로 기술된다. 세포체(미토콘드리아, ,형질내세망,골기체, 니슬체,유전 정보포함하고 있음)에서 많은 시냅스전위들이 모아져서 국부적 전위값이 점차 증가하여 특정한 문턱치값(threshold)보다 크게되면 폭발적으로 활동전위(action potential)를 발생시킨다. 하나의 활동전위의 모양은 거의 일정한 데 이는 나트륨이온의 막안으로의 급격한 이동에 의한 탈분극 (depolarization) 이 이뤄지면 곧 칼륨이온의 세포막 밖으로의 방출에 의한 재분극(repolarization) 이 일어나 막전위를 정상화시키게 과정에 기인한다. 반복되는 활동전위의 진동수는 국부적 전위의 크기에 의존하고 활동전위가 연속적으로 발생하는 시간폭은 국부적 전위의 지속시간에 따라 의존한다. 이는 누르는 자극을 가했을 때 자극의 세기는 반복되는 활동전위의 진동수 (action potential frequency within train) 에 반영되고 자극의 지속시간은 반복되는 활동전위가 나타나는 시간폭(the length of the train )에 반영된다. 이미 탈분극이 진행된 상태에서는 국소 전위가 문턱치값이상이더라도 활동전위를 발생시킬 수가 없으며 재분극이 일어날 때부터 국소전위값이 크면 활동전위의 발생이 가능해진다. 이러한 시간 간격은 relative refractory period라 부른다.즉 이웃하는 활동전위의 시간 간격은 적어도 이러한 refractory period이상이어야 한다. 활동전위의 축색에서의 전도현상은 Hodgkin-Huxley Equation에 의해 모델링된다. 세포체가 정보처리기능을 주로 한다면 축색은 전달기능을 주로 한다고 할 수 있다. 화학적 상호작용을 일으키는 신경전달물질은 세포체내에 있는 형질내세망과 니슬체에서 합성된 후 골기체에서 소낭안에 담겨져서 축색으로 방출되어 축색종말부분으로 확산원리(축색수송)에 의해 이동한다. 축색수송에 의한 전달속도는 하루에 10-20 mm에서 하루에 1mm까지 특성에 따라 다양하며, 세포체에서 축색종말로 전달되는 순행성 수송과 축색종말에서 세포체로 전달되는 역행성 수송이 있다.

세포체에서 발화된 활동전위는 축색을 따라 먼거리를 에너지 손실없이 대략 120m/s의 속도로 전달되며, 축색의 반경이 클수록 전달 속도는 더 빠르다. 축색이 수초라는 수소, 지방질의 절연물질로 둘러싸이면 유수신경이라 하고 수초가 없는 경우를 무수신경이라 하는 데, 유수신경에서의 축색전도는 절연물질에 의해 점프식으로 전도되어 무수신경에 비해 훨씬 빠른다. 축색종말에 도달한 활동전위는 전압에 의해 열리는 칼슘이온채널을 열게하여 종말내에 주입된 칼슘이온들이 다른 뉴런들로 뻗어나가 있는 많은 시냅스부위에서 소낭을 터뜨려 신경전달물질을 방출(presynaptic depolarization-> calcium entry->transmitter release(quanta release))케 한다. 이 과정에서 소요되는 시간은 대략 0.5ms정도이며 이는 정보전달지연의 주돤요인이 된다. 각 시냅스부위에서 방출된 신경전달물질들은 연결된 다른 뉴런의 세포막 채널을 열게함으로써 연결된 뉴런의 세포체에 국부적 전위를 형성시킨다. 이러한 순서로 하나의 뉴런내에서 전기적 신호에 의한 정보전달 이 이루어진다.

1.3 뉴런-뉴런연결부위에서의 전기적 신호발생 및 전달메카니즘

시냅스연결는 진화과정상 먼저 나타난 것으로 여겨지는 전기적 시냅스와 화학적 시냅스가 있으며 인간의 뇌의 경우 대부분이 화학적 시냅스이다. 화학전 시냅스는 그 활동을 증가 또는 감소시키기 위하여 여러방식으로 시냅스의 전달단계를 변형할수 있으나 전기적 시냅스는 언제나 입력이 출력을 결정해 버리며 변형되지 못한다. 따라서 학습과 기억은 전기적 시냅스만 있는 신경계에서는 발달하지 못한다. 전기적 시냅스는 시냅스 전막에서 발생된 전기적 펄스가 다음 세포에 낮은 저항을 지닌 채널을 통해 전류를 전달하는 방식이다. 화학적 시냅스는 시냅스 전막과 시냅스 후막사이에 유체물질이 차 있어서 직접적인 전류의 전달을 피하고 시냅스 전막에서 소낭단위로 분비되는 신경전달물질을 통해 채널이 조절되어 시냅스 후막에 전류가 형성되는 방식이다. 전도된 막전위에 의해 열리는 이온채널로 주입된 칼슘이온양이 시냅스 전막에서 방출되는 신경전달물질의 양을 결정한다. 신경전달 물질은 소낭의 갯수단위, 즉 양자화(quanta release)되어 방출된다. 아무런 자극이 없는 상태에서도 자발적으로 적은 양의 신경전달물질이 binomial확률분포형태로 무작위적으로 방출되어 보통 수 밀리볼트의 크기와 낮은 주파수를 지닌 시냅스 후막 전위를 poisson분포로 무작위(random)적으로 형성한다. 한개의 quanta는 평균 수 천개정도의 신경전달 물질분자를 포함하고 있으며 평균값을 기준으로 이 양은 binomial분포를 보인다. 신경전달물질에는 나트륨, 칼륨이온과 같은 양이온 채널을 열게하는 흥분성(excitatory) 물질이 있고 염소와 같은 음이온 채널을 열게하는 억제성(inhibitory)물질이 있다. 흥분성 신경전달물질을 방출하는 뉴런은 연결된 다른 뉴런에 활동전위를 형성하는 데에 기여하므로 흥분성 뉴런이라하고 억제성물질을 방출하는 뉴런은 음의 막전위를 형성해 다음 뉴런의 흥분을 방해하므로 억제성 뉴런이라 한다. 억제성 신경전달 물질은 이웃해 있는 흥분성시냅스에서 흥분성 신경전달물질의 방출을 막음으로써 억제작용(second kind inhibition; presynaptic inhibition)을 하기도 한다. 직접적으로 후 시냅스 막에 영향을 끼치는 흥분성, 억제성 신경전달물질 이외에 시냅스 후막의 2차 전달계를 활성화시켜 특히 칼륨과 칼슘채널의 반응특성을 간접적으로 조정하여 자발전위의 양상과 시냅스 입력에 대한 반응을 바꾸는 신경전달물질도 있다. 일반적으로 전자는 짧은 시간 상호작용(short term interaction)에 관여하고 후자는 긴 시간 상호작용(long term interaction)에 관여한다. 신경전달물질에는 Acetylcholine, Norepinephrine, dopamine, epinephrine, serotonin, histamine, amino acids glutamate, glycine, GABA등이 있는데 이들은 수용기의 종류에 따라 억제성 또는 흥분성으로 작동한다. 시냅스로 방출된 신경전달 물질은 작용을 끝내면 비활성화되어 다시 세포내로 흡수(pinocytosis)되어진다. 각 신경전달물질을 방출하는 뉴런들은 뇌에서 특정한 회로을 이루며 각성, 수면, 감성등과 같은 넓은 범위의 뇌기능에 관여한다. 시냅스에서 시냅스 전막 부위를 몇초 동안 계속 자극을 가하게 되면 시냅스 후막의 반응이 달라지게 되어 시냅스 연결특성이 바뀌게 된다 (posttetanic potentiation). 같은 자극이 반복되어 가해질 때 어떤 시냅스는 방출되는 신경전달물질의 양이 증가하여 후전위가 점차 크게 형성되어 더 과민(facililation)해지기도 하고 어떤 시냅스는 반응결과 형성된 후전위가 점차 작아져서 더 둔감(depression)해지는 경향을 보인다. 이는 해마(hippocampus)의 뉴런 연결망에서 학습과정 중 나타나는 민감화 현상과 습관화 현상의 근본적 원인으로 해석되기도 한다.

 

 

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