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뇌는 환경으로부터 정보를 받아 이를 분석하여 지각하며 그 일부를 기억으로 저장한다. 뇌는 축적된 정보를 바탕으로 신체에 명령을 내리고 환경자극에 반응한다. 이 전 과정은 많은 신경세포와 그 연결체들의 협동으로 이루어진다. 신경세포는 크게 신경원 neuron과 신경교세포 neuroglia로 구성된다.

1) 신경원
인간의 뇌는 약 1억 개의 신경원 neuron을 갖고 있다. 하나의 신경원은 세포체 cell body, 수상돌기 dendrite, 축삭돌기 axon와 축삭말단 axon terminal으로 구성된다.1) 신경원은 일반 세포와 마찬가지로 핵, 리보솜, 망상체, 골지체, 미토콘드리아와 같은 구조물도 갖지만, 다른 세포에는 없는 두 종류의 돌기를 가지고 있다. 그 하나가 수상돌기로서 외부로부터의 자극을 받아들이는 역할을 하며, 다른 하나는 축삭돌기로서 신호를 다른 신경원으로 전달하는 역할을 한다. 보통 수상돌기는 많게는 수천 개까지 있지만 축삭돌기는 1개만 있다. 축삭말단에는 비대한 부분이 있는데 이 부위는 인접한 신경원과 함께 시냅스 synapse를 이룬다. 축삭말단은 전달된 전기신호를 받아 신경전달물질을 시냅스 틈새 synaptic cleft로 분비 release한다.2)

신경원은 기능에 따라 감각신경원 sensory neuron, 운동신경원 motor neuron과 중간신경원 interneuron으로 구분하는데 중간신경원의 수가 가장 많다. 신경원은 긴 축삭돌기를 갖고 원거리간 신호전달에 관여하는 제 1형과 짧은 축삭돌기를 갖고 국소 신호전달에 관여하는 제 2형으로 구분하기도 한다.

2) 신경교세포
신경교세포 neuroglia는 신경원 주변에 분포하며, 신경원과는 다른 특성을 갖는다. 신경교세포는 신경원보다 뇌에 10-15배 더 많이 존재한다. 이들은 직접 정보처리에는 관여하지 않지만 신경원을 돕고 신경계의 구조를 이루는 여러 중요한 역할들을 한다.

신경교세포에는 성상교세포 astrocyte, 핍지교세포 oligodendrocyte, 소교세포 microcyte와 상의세포 ependymal cell의 4가지 유형이 있다.3) 뇌에서 성상교세포와 핍지교세포는 수초 myelin를 만들고, 신경원에 물질을 전달하며, 신경원의 이온 환경을 유지하고, 뇌의 전반적 구조를 지탱하는 역할을 한다. 소교세포는 신경조직의 노폐물을 처리하는 식작용 phagocytosis에 관여한다. 상의세포는 뇌실계 ventricular system의 내면을 덮는 일종의 상피세포로 뇌척수액과 닿아 있고, 상의세포의 표면에는 수많은 미세융모 microvilli가 있어 뇌척수액을 움직이게 한다.

정신장애의 병태생리에 관한 연구들이 과거에는 주로 신경원에 집중되었으나 최근 신경교세포들이 신경원 활동에 많이 관여한다는 사실이 알려지면서 이들에 대한 연구들이 늘고 있다.



신경원의 세포막은 100Å 정도의 두께로서 친수성 말단 hydrophilic end이 세포막 양 표면에, 혐수성 말단 hydrophobic end이 세포막 안쪽으로 향해 있는 인지질 phospholipid 이중막 구조로 되어 있으며, 그 내부에 이온통로, 수용체, 효소와 같은 단백질이 활성 또는 비활성 상태로 있다.4)

이 세포막을 경계로 세포 내외에는 전해질 농도에 차이가 있다. 세포 안에는 4가지 주된 이온이 존재하는데, Na+ 이온과 Cl- 이온은 세포 밖보다 세포 안에서 농도가 낮고 K+ 이온과 유기 음이온은 세포 밖보다 세포 안에서 농도가 높다. 세포막의 이온통로 ion channel들은 막전위의 변화에 의해 혹은 신경전달물질, 호르몬, 약물과 같은 배위자 ligand들이 수용체에 결합함으로서 개폐가 조절된다. 안정상태에서 Na+ 이온과 같은 양이온통로가 열려 탈분극 depolarization이 되면 흥분성 시냅스후전위 excitatory postsynaptic potential (EPSP)가 유발되고, Cl- 이온과 같은 음이온통로가 열려 과분극 hyperpolarization이 되면 억제성 시냅스후전위 inhibitory postsynaptic postgenital (IPSP)가 유발된다.5)

안정상태에서는 Na+ 이온과 Cl- 이온은 K+ 이온에 비해 상대적으로 세포막 투과성이 낮으며, 음전위를 띤 단백질들은 세포막을 통과하지 못한다. 또한 3개의 Na+ 이온을 세포 밖으로 내보내고 2개의 K+ 이온을 세포 안으로 들여보내는 에너지 의존성 펌프가 작동하여 안정상태의 세포는 -70 mV의 전위를 유지한다. 이를 안정전위 resting potential라고 한다. 6)

활동전위 action potential는 축삭말단으로 신호가 전달되면서 탈분극이 진행되어 세포 내 전위가 역치인 -55 mV에 이를 때 전기활성이 갑자기 폭발하면서 생긴다. 이는 Na+ 이온통로가 열리면서 Na+ 이온이 세포 내로 급속히 유입됨으로서 일어난다. 활동전위가 유발되어 세포 내 전위가 최고 50 mV에 이를 때 Na+ 이온통로는 닫히고, 대신 K+ 이온통로가 열리면서 세포 밖으로 K+ 이온이 급속히 빠져나가면서 막전위는 다시 안정상태로 돌아온다. 이때 일순간 막전위가 -70 mV 이하로 떨어지면 세포는 과분극 상태가 되어 자극에 대한 불응기를 갖는다. 역치에 이르지 못한 탈분극은 활동전위를 유발하지 못하며, 어떤 신경원이든 유발된 활성전위의 크기는 항상 같다. 이는 실무율의 법칙에 따른다(그림 1). 7)




축삭말단에 활동전위가 도달하면 전기신호는 시냅스를 통해 인접한 신경원에 전달된다. 중추신경계에 존재하는 시냅스의 대부분은 화학적 시냅스 chemical synapse로서 소포 vesicle 내에 저장되어 있던 신경전달물질들이 Ca++ 이온의 도움을 받아 시냅스 틈새로 분비된다. 신경전달물질은 시냅스 후 신경원의 세포막에 존재하는 수용체와 결합하여 신호를 전달하게 된다. 8)

일부는 전기적 시냅스 electric synapse를 통해 신호를 전달하는 경우도 있다. 전기적 시냅스는 화학적 시냅스보다 시냅스 틈새가 좁으며 신호는 빨리 전달하나 기능의 다양성은 떨어진다. 화학적 시냅스 틈새는 200Å 정도인 반면 전기적 시냅스 틈새는 20Å 정도이다.