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신경계를 이해하기 위해서는 가장 작은 단위인 뉴런의 동작을 우선 이해해야 한다. 뉴런 동작의 핵심은 이온(ion)의 움직임이다. 이온은 전하를 띠는 원자와 분자를 의미한다. 예를 들어 소금인 염화나트륨은 양전하를 띠는 나트륨 이온(Sodium, Na+)와 음전하를 띠는 염소 이온(Chloride, Cl-)로 나뉜다. 이 두 이온은 뉴런의 전기 신호 전달에서 중요한 역할을 하며 추가적으로 칼륨 이온 칼륨 이온(Potassium, K+)과 유기음이온 (A-)(단백질 분자)도 마찬가지다.

이러한 이온들은 일종의 출입문인 이온 채널을 통해 세포막 내/외부로 이동한다. 세포막에 나트륨 채널과 칼륨 채널이 있다. 세포막을 기준으로 외부에는 나트륨 이온, 세포막 내부에는 칼륨이 존재한다. 세포막 외부는 양극으로로 대전, 세포막 내부는 음극으로 대전되어 있는데 만약 나트륨 채널이 열려 세포막으로 들어오게 되면 안과 밖이 극이 바뀌는 탈분극 상태가 발생하며 뉴런에서 신호가 발생하게 된다.

이러한 탈분극 상태에 의한 신호 전달을 자세히 이해하기 앞서 뉴런의 구조를 먼저 살펴보면, 뉴런에는 크게 네 가지 주요 영역이 있다. 수상돌기, 세포체, 축삭돌기, 축삭 종말이다. 간단히 설명하자면 수상돌기/축삭돌기는 각각 신호 수신/발신 역할을 한다. 세포체(Cell body)는 세포호흡(Cell respiration)과 폴리펩티드 생산과 관련한 세포 소기관을 갖고 있다. 축삭 종말은 안쪽에 소포(vesicle)이라는 작은 막이 있어 신경전달물질을 저장하는 역할을 한다. 이외에 미엘린은 절연체로 축삭을 감쌈으로써 입력 신호를 더 빠르게 전달할 수 있도록 경로를 매끄럽게 만드는 역할을 한다. 

수상돌기에는 가시 모양으로 뻗은 돌기들이 있다. 이 부분에서 다른 뉴런들로부터 유입 신호(incoming signal)을 받는다. 유입신호는 세포체로 이동하는 과정에서 통합된다. 만약 신호 통합이 세포막(cell membrane)을 가로질러 충분히 강하게 탈분극 한다면 축삭(axon)이 시작되는 세포막에서 극파(spike)가 발생되어 축삭을 따라 전파된다. 만약 극파가 축삭 종말(axon terminal)에 도달하면 신경전달물질이 시냅스 간극으로 방출되고 일부는 시냅스 후 뉴런의 수용체에 결합한다. 참고로 이러한 신경 전달 과정은 단방향인 수상 돌기 → 세포체 → 축삭돌기 → 축삭 종말로만 흐른다.

유입 신호가 축삭 종말에 도달하기 전에는 축삭 돌기에서는 휴지 전위(Resting potential)를 유지한다. 휴지 전위란 뉴런이 흥분하여 신호를 전달하기 전, 준비 상태를 말한다. 만약 휴지 전위가 없다면 뉴런은 더 이상 신호를 전달할 수 없게 된다. 그렇다면 이런 휴지 전위는 왜 발생할까? 휴지 전위는 결과적으로 이온의 불균등한 분포(농도)차이 때문에 발생한다. 세포막을 기준으로 세포막 외부에는 나트륨 이온의 농도가 높고 세포막 내부에는 칼륨 이온의 농도가 높다. 

휴지 상태에서는 세포막에 있는 나트륨 채널과 칼륨 채널이 모두 닫힌 상태이다. 이런 휴지 상태에서는 세포막 외부는 내부에 비해 양극(positive)로 대전된 상태이며 세포막 내부는 외부에 비해 음극(negative)로 대전된 상태이다. 즉 세포막을 넘어 전압 차이가 발생한다. 

만약 이 휴지상태에서 유입 신호가 축삭 돌기에 도달한다면 탈분극 단계로 바뀐다. 탈분극 단계에는 나트륨 이온이 세포의 분극이 역전될 때 까지 세포 내부로 들어가며 결과적으로 세포 내부가 양극으로 대전된다. 이 상태가 되면 재분극 단계(Repolarizing phase)로 바뀌어 나트륨 이온 채널이 닫히고 칼륨 이온 채널이 열린다. 이 때 칼륨 이온은 세포 외부로 방출되며, 방출됨으로써 평형을 이루게 되어 다시 휴지 전위 상태가 된다.

여기서 평형 상태를 유지하기 위해서는 크게 두 가지 메커니즘이 작용한다. 첫 번째는 정전기력이다. 정전기력에 의해 양이온과 음이온이 서로 끌어 당기게 된다. 두 번째 힘은 확산(diffusion)이다. 확산은 모든 물질이 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 퍼져나가려는 성질이 있음을 의미한다. 예를 들어 칼륨 이온의 경우 세포막 안쪽에 많이 위치하기 때문에 농도가 높다. 따라서 농도가 낮은 세포막 외부로 빠져나가려고 한다. 하지만 칼륨 이온은 양이온이기 때문에 음이온이 더 많은 세포막 내부로 정전기력에 의해 끌리게 된다. 추가적으로 이런 평형 상태를 유지하는 데 있어 기여하는 것은 위 그림 중간에 있는 나트륨-칼륨 펌프이다. 이는 일종의 경비원으로 만약 휴지전위에서 양전하를 띤 나트륨 이온이 일부 채널을 통해 유입되면 다시 바깥으로 방출하는 역할을 한다. 

다시 돌아와, 유입 신호로부터 휴지전위 → 탈분극 → 재분극 → 휴지전위와 같은 일련의 단계가 축삭 돌기를 따라 연쇄적으로 발생하며 축삭 종말에 다다라서는 축삭 종말에 있는 신경전달물질이 다음 뉴런으로 방출되며 신경 전달이 이루어진다. 

Reference

[1] 『뇌처럼 현명하게: 신경철학 연구』

[2] 『나는 뇌 입니다』

[3] Image: https://en.wikipedia.org/wiki/Resting_potential