[신경과학] 5.1 : 시냅스(synapse)와 신경전달물질(neurotransmitter)

 

 

 

이번 포스트부터는 신경세포 사이에서 일어나는 정보전달의 과정에 대해 알아보자.

 

 

action potential은 자극이 왔을 때 자극을 전달하는 신경세포의 방법임. 한편 neuron에서 neuron으로 정보를 전달할 때의 과정 전체를 일컬어 synaptic transmission이라 부름.

 

 

 

synapse는 실체가 있으며 눈으로 볼 수 있음. synapse의 틈은 15-25nm 정도이므로 실제로 electron microscopy를 이용해야 synapse를 관찰할 수 있음.

 

 

 

 

위 그림에 나와있는 Charles Sherrington이 책에서 처음으로 synapse라는 용어를 쓰기 시작했고 학계에 synapse라는 용어를 유행시킴. 이 사람은 synapse를 통해서 synaptic transmission이 일어날 수 있겠다는 증거를 제시했고, 그 공로로 노벨상을 받음.

 

 

glial과 synapse도 connection을 이루지만, 이 경우를 synapse라 하지는 않음. 실제로 신경세포와 신경세포 만남을 glial cell이 싸고있으므로 glial cell이 없어도 (완전하지는 않지만) 신경세포와 신경세포 사이의 synapse는 어느정도 잘 형성됨.

 

 

 

실제로 신경세포 하나당 1000-10000개의 다른 neuron들과 synapse를 이루고 있음. 심지어 cerebellum의 Purkinje cell은 100000개까지도 synapse를 이룸.

 

 

 

흥미롭게도 neuron들은 전에 받은 자극, 각각의 expression 정도에 따라서 똑같은 정보가 주어지더라도 이를 받아들이는 방법, 방식이 다 다름. 이를 computation이라 함. 즉, synapse를 통해 정보가 전달되는 방식은 neuron들에 따라서 다 다를 것임. 이 것이 바로 synapse의 핵심임. 그럼에도, 이렇게 synapse의 특징이 다 다른 neuron이라 할지라도 지금까지 이전 chapter에서 배운 원리는 공통적으로 적용됨.

 

 

 

지금부터 설명할 synapse 관련 지식 또한 대부분의 뇌에서 공통적으로 적용되는 것임.

 

 

 

 

 

흔히들 synapse를 크게 위와 같이 chemical synapse와 electrical synapse로 나눔. 이 중 electrical synapse는 gap junction을 통해 두 neuron이 물리적으로 연결되어 있으며 이 gap junction을 통해서 neurotransmitter가 이동해서 신호가 전달되는 방식임. 이 방식은 매우 빠르고 정보 유실 또한 거의 없을 것임. (Golgi가 주장했던 방식과 거의 일치) 한편 chemical synapse는 실제로 neuron과 neuron 사이에 15-25nm 정도의 틈이 벌어져 있고, presynaptic neuron에서 synaptic vesicle 안에 담겨 분비된 neurotransmitter가 synapse로 diffusion된 후 postsynaptic neuron의 receptor에 의해 인식되는 방식으로 신호가 전달됨. 사실 이 경우 대부분의 neurotransmitter들은 다음 neuron으로 도달하지 못하고 전체 중 일부만이 다음 neuron으로 전달되기에 정보전달 측면에서 비효율적인 측면이 있음.

 

 

+) 어린아이일 때가 성인일때보다 neuron 개수가 훨씬 많은데, 어린아이의 뇌에서 형성된 엄청나게 많은 connection 중에서 지속적으로 자극받은 일부만 살아남고 나머지는 죽어버림. (이 때의 죽음은 노화와는 다름) 이것이 뇌 가소성(plasticity)과 관련되어 있음.

 

 

 

 

1921년에 Loewi는 최초로 neurotransmitter를 발견하였고, 그 공로로 노벨상을 수상함.

 

 

 

 

Loewi는 위와 같이 vagus nerve에 전기자극을 준 뒤 심장근을 자극시킴. 한편 이렇게 자극된 심장이 담겨있는 용액의 일부를 다른 자극받지 않은 심장근에 넣어줘봄. 그랬더니 놀랍게도 심장근의 수축이 일어남. 이를 통해서 뭔가 neuron이 외부로부터 전기자극을 받았을 때 분비되어 전달되는 chemical한 물질이 있을 것이라는 것을 확인할 수 있었고, 이 neurotransmitter가 바로 acetylcholine임. (즉, 가장 먼저 발견된 neurotransmitter가 바로 acetylcholine임)

 

 

한편 그 이후에도 Potter, Furshpan, Watanabe 등의 과학자들은 1959년경에 crayfish와 lobster neuron에서 electrical synaptic transmission이 일어나기도 한다고 관찰결과를 발표하기도 함. (사실 이는 어찌보면 당연힌데, crayfish와 lobster는 외부 자극에 빠르게 반응해서 적으로부터 도망치는것이 가장 중요하기 때문) 이후 1969년에 Katz가 NMJ(neuro-muscular junction)에서 chemical synaptic transmission이 일어난다는 것을 확인하면서 논란은 종지부를 찍게됨.

 

 

 

 

그러나 실제로 사람의 뇌에도 95%의 chemical synapse 이외에 한 3, 4%정도의 electrical synapse가 존재하고 있음.

 

 

 

 

electrical synapse의 경우 위와 같이 gap junction으로 연결되어 있음.

 

 

 

 

 

 

gap junction은 위와 같이 생김. 보면 vertebrate의 경우 connexin, invertebrate의 경우 innexin 6개가 모여서 connexon을 형성하게 됨. 이 connexon이 서로 위아래로 결합해서 최종적으로 형성되는 것이 바로 gap junction임. 이 gap junction의 pore diameter는 1.5nm정도로, 이를 통해서 Na+, K+, Cl+, Ca2+ 등의 major cellular ion들이 통과할 수 있음.

 

 

 

 

 

이 때 gap junction을 통한 ion 통과는 bidirectional하게 일어날 수 있으며, 상당히 빨리 일어남. 그 결과 신호를 넣어주는 족족 그에 synchronize된 채로 gap junction을 통해 신호가 전달됨. 이를 synchrony라 함.

 

 

 

다음 포스트에서는 화학적 시냅스를 통해 정보가 전달되는 과정에 대해 자세히 알아보도록 하자.