1.신경세포막에 활동전위가 일어나면



신경섬유는 신경계의 전깃줄에 해당하는 것이라 볼 수 있다. 이를 따라 메시지를 지닌 신경흥분이 신체의 한 곳에서 다른 먼 곳으로 전달된다.

그렇다고 하여 신경섬유가 전선과 같이 단순히 전류가 흐르는 전도체는 아니다. 구리로 된 전선을 따라 전류가 흐를 때는 대략 광속에 가까운 속도는 기껏 빨라야 초속 100m에 지나지 않는다. 더욱이 축삭 속의 전기저항은 구리줄보다 약1억 배나 크고, 미엘린 초의 전기적 절연성은 질이 좋은 전선 껍질의 100만분의 1에 불과하다. 그러므로 만약 신경섬유가 단순히 전기적 도체로만 작용한다면 신경흥분은 단 몇 mm도 전달되지 못할 것이다. 이렇듯 신경섬유는 전기적 도체로서가 아니라 이것이 갖고 있는 증폭계와 릴레이계에 의하여 신경흥분을 효과적으로 전달한다.

흥분이 일어나지 않는 안정시에 나타나는 신경세포막의 막전위(안정전위)는 어떻게 이루어지는가. 신경섬유이 내부와 외부를 비교해보면 뚜렷한 전기화학적 차이가 있다. 신경섬유의 내부에는 각종 유기화합물이 많고, 특히 칼륨이온 농도가 높다. 신경세포섬유 외부는 세포외액에 공통된 나트륨이온과 염소이온농도가 높다. 그리하여 세포 안의 칼륨이온 농도는 세포 밖보다 약 30배나 높으며, 세포 밖 나트륨이온 농도는 세포 안보다 약 10배나 높다. 이러한 농도차이로 인하여 세포막이 허락한다면 칼륨이온은 세포 밖으로, 나트륨이온은 세포 안으로 확산되려고 한다. 물론 여기서 세포 안 유기화합물은 세포막을 쉽게 투과하지 못한다.

신경세포가 안정상태에 있을 때에는 칼륨이온은 세포막을 비교적 쉽게 투과한다. 그러나 나트륨이온은 투과되기가 매우 어렵다. 나트륨이온의 투과성은 칼륨이온의 약 1000분의 1에 불과하다. 그러므로 칼륨이온은 세포 내외에 이미 설정된 30대 1의 높은 농도차이로 말미암아 세포 밖으로 확산되어 나오려고 한다. 전기적으로 양성을 띤 칼륨이온이 확산되어 나오려 하는 힘은 곧 세포 속을 전기적 음성으로 만들게 되는 것이다. 그렇게되면이 세포 내 음전기는 칼륨이온을 세포 밖으로 나가지 못하게 안에 붙잡아두는 힘이 되기도 한다.

그리하여 세포 내 음하전으로 칼륨이온을 세포 내에 붙잡아 두는 힘과 농도차이로 인해 밖으로 확산되어 나가려는 힘이 어느 시점에서 균형을 이루게 된다. 이때 세포 안은 대략 -90mV의 전위를 띠게 되는데, 이 전위를 가리켜막전위 혹은 안정전위라 한다. 이때 세포 속과 밖은 전위차가 나타나기 때문에 분극이 되어 있다고 할 수 있다. 막전위는 칼륨이온이 세포 밖으로 확산되어 나가려는 힘에서 연유된 전위다.

만약 안정 세포막이 칼륨이온 대신 나트륨이온에 대한 투과성이 높다면 어떻게 될까. 농도차이는 세포 밖에서 안으로 향하고 있으므로 이번에는 오히려세포 안이 양하전으로 기울게 될 것이다.

이와 같이 여러 이온의 세포막을 통한 투과성이 변화함으로써 막전위가 변동할 수 있는데, 이 변동은 신경섬유가 흥분하였을 때 일어나는 변화이기도 하다.신경섬유를 전기자극하여 막전위를 -90mV에서 0mV로 끌어올리면 세포 속의 음전위가 없어지기 때문에 세포 속과 밖의 분극이 없어지게 된다. 극성이 없어진다고 하여 이것을 탈분극이라고 한다.

막전위가 오르는 것과 때를 같이하여 세포막은 칼륨이온을 제쳐놓고 이번에는나트륨이온에 대한 투과성이 갑자기 증가한다. 나트륨이온의 농도차이는 밖에서안으로 향해 있으므로 나트륨이온은 세포 내로 몰려든다. 그러면 또 막전위는더욱더 오르게 되며 나트륨이온 투과성은 한층 더 높아진다. 즉 어느 범위 내에서는 막전위가 올라갈수록 나트륨이온의 투과성은 더욱 높아져 많은 나트륨이온이 세포 내로 들어가게 된다.

이리하여 마치 세포막이 갑자기 나트륨이온에 대한 문을 활짝 여는 것처럼 나트륨이온이 세포 속으로 몰려 들어가게 되며, 매우 짧은 시간에 -90mV이던 안정전위가 +30mV로 뛰어오르게 된다. 이것이 활동전위라는 것으로, 신경흥분의 첫단계다.


2.화약은 세게 친다고 크게 폭발하지는 않아



활동전위가 발생된 신경섬유 부분은 세포 내 하전이 음성에서 양성으로 바뀌었지만 인접 안정부분은 전기적 음성이어서 전류는 섬유 속 +부분에서 -부분으로 흐르게 된다. 이 전류는 세포막을 뚫고 나와 세포외액을 돌아 다시 흥분된 제자리에 되돌아오는 전류의 회로를 만든다. 이 국소전류는 활동전위가 발생된 바로옆 안정부분 막전위에 영향을 미쳐 이곳도 탈분극시키고 같은 방식으로 바로 옆안정부분 막전위에 영향을 미쳐 이곳도 탈분극시키고 같은 방식으로 바로 옆 다음 부분도 나트륨이온에 대한 문을 열어주어 활동전위가 유발하게 한다.

나트륨이온에 대한 투과성이 높아져 활동전위가 발생하였으나 나트륨이온 투과성은 곧 쇠퇴하고 이번에는 칼륨이온에 대한 투과성이 높아져 칼륨이온의 문을 활짝 열어준다. 그러면 칼륨이온은 세포 밖으로 확산되어 활동전위는 다시 안정전위로회복된다. 다시 세포 속이 바깥에 비해 음극이 되어 분극되었기 때문에 이 과정을가르켜 재분극이라 한다. 재분극된 세포막은 다시 안정시의 투과성을 찾게 된다.이상의 활동전위는 매우 빠른 과정이어서 그 시간은 0.001초에 불과하다.

신경흥분의 전도, 즉 활동전위가 전파되어 나아가는 것을 가리켜 충격파라 한다.충격파는 신경이 지니고 있는 본연의 성질에서 비롯된 것이다. 그러므로 충격파가나아갈 때 신경섬유에서 일어나는 물리화학적 변화의 크기와 속도는 자극의 종류나강도와 관계없이 언제나 일정하다. 화약을 가볍게 치거나 세게치거나 일단 활약이 터질 때는 그 폭발력이 언제나 같은 법이며, 화약을 세게 친다 하여 더 빠르고 크게 폭발하지 않는 이치와 같다.

복어의 난소와 간에 함유된 복어독(TTX)은 신경섬유가 자극을 받아도 세포막이나트륨이온에 대한 투과성을 높여 나트륨이온에 대한 문을 활짝 열지 못하게 하는독약이다. 이른바 나트륨이온의 통로를 막아버리는 약물이다. 그리하여 신경섬유에활동전위가 발생되지 않게 하며, 신경흥분이 전도되지 않게 된다. 이렇게 충격파가발생되지 않게 되면 근육이 마비되고, 호흡근 마비로 호흡이 멎어 죽게 된다. 복어독을 잘못 먹고 죽게 되는 경우 이런 현상이 나타난다.

결국 신경의 흥분성과 전도성은 오직 신경막의 특유한 투과성 그리고 세포 밖의높은 나트륨이온 농도와 세포 속의 높은 칼륨이온 농도에 유래된 것이다. 여기에 포도당, ATP는 에너지원으로서 나트륨-칼륨펌프를 가동기켜 세포 내외의 특유한 나트륨이온, 칼륨이온의 농도분포를 유지하게 된다.

중추신경계는 수많은 신경세포가 거미줄처럼 얽혀 있는 그물이다. 하나의 신경세포가 다음 신경세포와 연결되어 있는 부위를 시냅스라 한다. 이 시냅스 부위의신경세포들은 일정한 간격으로 떨어져 있다. 이것을 시냅스간격이라 한다.

신경섬유를 따라 전도되는 충격파는 다음 신경과 접속하는 축삭돌기 끝에 있는시냅스 부위에 이르러 없어진다. 이 충격파가 시냅스를 건너 다음 신경세포로 전도되기 위해서는 어떤 매개물질이 필요한데. 이것이 바로 신경전달물질이다. 이 전달물질이 충격파에 의해서 신경세포 말단에서 떨어져나와 다음 신경 세포막에 있는 수용체에 작용하여 활동전위가 발생됨으로써 신경흥분이 다음 신경세포로 전도되는 것이다.

중추신경계 신경세포의 수효는 무려 수백억 또는 수천억 개에 달할 것으로 추정된다. 그리고 하나의 신경세포는 약 100개의 신경세포와 연결되며 이것들은 다시약100개의 다음 시냅스후 신경세포와 연결되어 충격파를 전해준다. 그러므로 중추신경계 신경세포 사슬조합은 실로 천문학적 숫자에 이른다.

뇌의 모든 기능은 시냅스의 기능이라고 할수 있다. 신경세포가 접속되어 신경 흥분전도가 이루어지고 있는 시냅스에 흥분을 전달해주는 전달물질의 유리가 발생될 수 있다. 과잉유리는 정신분열병이나 환각을 일으키고, 유리의 감소는 우울병이나 파킨슨병을 일으킬 수 있다. 따라서 시냅스 부위의 적절한 기능 유지는 뇌의 기능유지에 필수적이다.


3.정신세계를 조절하는 물질



무게가 평균 1300-1500g으로 몸무게의 2-2.5%, 펼치면 2300cm로 신문지 한 장정도의 표면적이지만, 우리 몸의 산소 소모량과 혈류량은 10배인 20%를 차지하고있는 이 는 인간존재의 본질을 표현하고 있다. 뇌의 극히 작은 부분, 단 몇mm정도라도 손상된다면 인생이 영원히 바뀌어버릴 수 있다.

뇌의 기능이 심하게 손상된 인간은 식물과 같이 사고와 운동을 할 수 없기 때문에식물인간이라 불려지며 인간으로서의 존재가치가 근본적으로 의심받게 된다. 이렇게 놀라운 뇌에 대하여 인간은 그 신비를 밝히기 위해 끊임없이 노력을 해왔다.

우리가 아무리 복잡한 정보체계를 상상한다 해도, 수백억-수천억 개에 이르는무수한 신경세포가 거미줄처럼 서로 다른 수천 개의 신경세포와 연결되어 교신을하고 있는 뇌의 복잡성에는 따라가지 못할 것이다.

한 개의 신경세포는 수천 개의 신경세포와 교신을 주고받고 있는데 이러한 교신을담당하고 있는 본체가 바로 화학물질인 신경전달물질이라는 사실은 금세기에 이루어진 가장 획기적인 발견 중의 하나이다. 20세기 초까지만 해도 신경세포와 신경세포 사이에는 세포질이 서로 전깃줄처럼 연결되어 흥분이 전도되는 것으로 생각하였다. 그러나 현미경으로 자세히 관찰한 결과 신경세포 사이에는 항상 일정한간격(틈)이 존재한다고 사실이 밝혀졌으며, 이러한 간격을 뛰어넘어서 흥분이 전달위해서는 어떤 매개물질이 존재가 필요하다는 자연적인 추론이 나오게 되었다.

1921년 오토뢰비박사는 미주신경(심장과 장에 분포하고 있는 부교감신경)이 붙어있는 개구리 심장과 미주신경을 제거한 개구리 심장을 준비하여 각각 링거액에 담그고 링거액이 서로 통하게 연결시켰다. 첫번째 개구리의 심장에 붙어 있는 미주신경이 없는 두 번째 개구리의 심장박동도 느려졌다. 오토뢰비박사는 첫번째 개구리의 심장에 붙어 있는 미주신경을 자극하면 이 신경의 말단에서 어떤 화학물질이유리되어 나와 링거액을 통해 신경이 없는 두 번째 개구리 심장에 직접 영향을 미친다는 사실을 밝힘으로써 신경전달물질의 존재를 처음으로 증명하였으며, 이신경전달물질을 미주신경 물질로 명명하였다. 그후 이 물질은 아세틸콜린이 밝혀졌으며 현재까지 뇌에는 40여 종류가 넘는 신경전달물질이 있다는 것이 발견되었다.

우리는 흔히 이 세계를 눈에 보이는 물질세계와 보이지 않는 정신세계로 나눈다.그런데 정신세계를 움직이고 조절하는 것도 물질로 이루어진 화학적 신경전달에의해서 이루어지고 있다는 사실은 많은 것을 시사해주고 있다.

현재 복잡한 정신세계, 마음의 세계를 눈에 보이는 과학적 개념으로 모두 설명할수는 없지만 과학이 발달해감에 따라 현재 보이지 않는 세계, 추상적인 세계도 구체적인 현실세계로 볼 수 있을 것이다. 눈에 보이는 세계와 보이지 않는 세계의정의가 과학적으로 상당히 애매해지고 있는 것이 사실이다. 과거에 존재를 볼 수없었던 많은 것들이 현재 그 존재를 인정받고 있다.

정신분열병, 우울병, 신경증, 파킨슨병, 무도병, 간질, 자폐증, 수면장애 등과 같은 중요한 신경정신계 질환이 특정 신경전달물질계의 기능 과다 및 감소로생긴다는 사실이 밝혀지기 있다. 그뿐만 아니라 현재 크나큰 사회적 문제를 야기하고 있는 필로폰, 코카인, LSD같은 환각제도 신경전달물질계에 영향을 미침으로써 환각 및 행동의 이상을 보인다고 생각되고 있다. 즉 뇌의 모든 기능은 많은 종류의 신경전달물질에 의해서 이루어진다.

다시 말해서 인간을 인간답게 만들며, 인간활동의 최고 주체이며, 인류문화 창조의 근원이 신경전달물질이라고 말해도 과언이 아니다. 중요한 역사적 사건의 주체들, 인류에 큰 타격을 주었던 전쟁을 일으켰던 사람들의 생각과 사상, 행동을 이해하기 위해서는 이들의 신경전달물질계가 보통사람들의 것과 어떻게 다른가 하는 연구가 필수적일 것이다.



고도의 정신기능, 감정, 운동 및 감각기능을 위하여 얼마나 많은 신경전달물질이뇌에 존재하는지 아무도 모른다. 앞으로 과학이 발달함에 따라 서로 다른 기능을 하고 있는 많은 신경전달물질이 끊임없이 발견될 것이다. 이 신경전달물질계의특성을 밝힘으로써 인간정체의 본질을 규명할 수 있을 것이다.















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