[신경과학] 4.1 : 활동전위(action potential)

 

 

 

action potential(활동전위)은 spike, nerve impulse, discharge(역전위) 등으로 불리기도 함.

 

 

 

 

 

위 그림은 이전 포스트들에서 살펴본 것처럼 threshold를 넘지 못한 신호가 거리 증가에 따라 점점 희미해지는 것을 보여주고 있음. 이 경우, 먼 거리에서 신호를 측정할 시 이 신호가 얼마나 적은지를 바탕으로 원래 신호의 강도를 예상해볼 수 있고, 인접한 두 지점에서의 신호 세기와 거리를 비교해서 시작 위치도 짐작하는 것이 가능하기는 함. 그러나 이동거리에 한계가 분명하므로 좋은 정보전달 system은 아님.

 

 

 

 

한편 위 그림은 action potential(AP)을 나타내주고 있음. 보면 이 경우 거리가 멀어져도 신호의 세기와 모양이 그대로임을 알 수 있음. 따라서 이 방식으로는 멀리까지 정보손실 없이 정보를 전달하는 것이 가능함. 그런데 AP로부터도 강도, 거리 정보를 알 수 있을까.

 

 

 

일단 거리 정보는 알 수 있는데, 위 그림의 각 지점 AP를 보면 time이 아주 약간 다른 것을 알 수 있음. 이 시간적 gap을 이용해서 distance 정보를 알아내는 것이 가능함.

 

 

 

 

한편 세기정보도 충분히 알아낼 수 있는데, 위 그림 가운데와 같이 약한 외부자극이 온 경우 AP의 발생 빈도가 잦지 않지만 위 그림 오른쪽과 같이 강한 외부자극이 온 경우 AP의 발생 빈도가 잦아지게 됨. 이러한 빈도 정보를 이용해 강도 정보 또한 알 수 있음.

 

 

 

결과적으로 AP는 멀리까지 정보손실 없이 정보를 전달하는 것이 가능하면서도 강도, 거리 정보를 다 나타내주고 있음.

 

 

 

 

action potential을 비롯한 각종 막전위는 위 그림에 나와있는 것과 같은 electrode를 이용해 측정하게 됨. 일단 electrode는 아예 세포 내로 찔러넣는 intracellular electrode와 세포 바깥 인접 부분에 두는 extracellular electrode가 있는데, 이들 각각에 의해 intracellular recording(세포 손상은 필수적, cell 1개의 membrane potential을 측정), extracellular recording(or field recording)(세포 손상 X. 여러 cell에 의해 생성된 전체 신호를 측정 가능)을 하는 것이 가능함. 그리고 이런 기계에서는 항상 전압 '차이'를 측정하게 되는데, 이 때 기준점이 되는 것이 바로 ground V임.

 

 

한편 위 그림 오른쪽에 나타나 있는 전위차 graph의 개형을 보면 intracellular recording의 개형과 extracellular recording의 개형이 정반대인 것을 알 수 있는데, 이는 생각해보면 당연함.

 

 

참고로 electrode가 물론 측정의 역할도 수행 가능하지만, 요즘에는 한 electrode가 측정과 함께 외부 V를 세포에 공급하는 역할도 같이 수행하는 것이 가능함.

 

 

 

 

이런 방식으로 측정한 action potential의 개형은 위와 같음.

 

 

우선 처음에 polarized된 상태로 존재하다가, 막전위가 상승하는 depolarized phase를 거치게 되고, 이후 다시 막전위가 하강하는 repolarized phase를 거쳐 막전위가 resting potential보다도 더 내려가는 hyperpolarized phase가 잠시 있고난 뒤 다시금 polarized phase가 되게 됨.

 

 

AP는 threshold 이상의 membrane depolarization의 결과 발생하게 되며, all-or-none임.

 

 

 

 

한편, 위 그림 왼쪽에는 앞서 설명했던 electrophysiological recording method가 나타나 있음. 이 경우 current를 inject해주는 electrode와 발생한 current를 recording해주는 electrode가 따로 표현되어 있는데, 실제로 최근에는 이 둘의 기능을 다 가진 하나의 electrode를 많이 사용함.

 

 

 

 

electrode를 이용하는 방법 이외에, 외부에서 빛을 쪼여줘서 특정 ion channel을 열어주고, V를 변화시켜 자극을 주게 되는 optogenetics method도 있음.

 

 

위 그림을 보면 blue light에 반응하는 channelrhodopsin, yellow light에 반응하는 halorhodopsin 등의 opto-channel을 다른 생물로부터 뽑아내 model 생물에 넣어 발현시킨 뒤 빛을 비춰 AP를 유발시키게 됨. (이 경우 blue light를 비출 시 AP가 유발될 것이고, yellow light를 비출 시 threshold가 높아지는 효과가 나서 AP가 발생하기 더 어려워질 것임)

 

 

최근에는 기술의 발달로 한 channel에 어떤 파장의 빛을 비춰주는지에 따라 + charge가 들어가기도 하고, - charge가 들어가게 할 수도 있음.

 

 

 

 

실제로는 opto-channel을 발현시킨 쥐의 뇌에 빛을 비출 수 있는 optic fiber를 위와 같이 연결한 후, 두개골 대신 투명막을 붙여주게 됨. 그러면 빛이 뇌 안으로 조사되어 실제로 쥐의 특정 neuron을 자극하는 것이 가능해질 것임. 이런 방법을 이용해 behavioral biology 연구 등을 수행할 수 있음.

 

 

다음 포스트에서는 action potential을 물리화학적 관점에서 해석해보도록 하자.