신경 신호가 전해지는 원리

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1 / 28 뉴런 하나를 처음부터 끝까지신호는 왼쪽 가지돌기로 들어와 오른쪽 축삭 말단으로 나갑니다. 축삭은 짧게 줄이고 실제보다 훨씬 굵게 그렸습니다. 구석의 그래프는 축삭 둔덕의 막 전위를 보여 줍니다. 모형 아래 막대를 누르면 장면 일곱 개가 더 열립니다.

끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.

01
뉴런 하나를 처음부터 끝까지
신호는 왼쪽 가지돌기로 들어와 오른쪽 축삭 말단으로 나갑니다. 축삭은 짧게 줄이고 실제보다 훨씬 굵게 그렸습니다. 구석의 그래프는 축삭 둔덕의 막 전위를 보여 줍니다. 모형 아래 막대를 누르면 장면 일곱 개가 더 열립니다.
02
쉬고 있을 때 안쪽은 −70 mV입니다
자극 세기가 0이라 아무 일도 일어나지 않고, 그래프는 −70 mV에서 평평합니다. 열려 있는 통로로 칼륨이 조금씩 빠져나가 안쪽이 음전하를 띱니다. 나트륨-칼륨 펌프가 두 이온의 농도 차이를 유지합니다.
03
약한 입력은 사그라듭니다
이번에는 자극이 +10 mV입니다. 입력이 가지돌기를 따라 내려와 축삭 둔덕을 −60 mV까지 올렸다가 다시 가라앉습니다. −55 mV에 닿지 못했으니 축삭은 그대로입니다.
04
−55 mV를 넘으면 발화합니다
+20 mV에서는 입력이 역치를 넘습니다. 축삭 둔덕의 나트륨 통로가 열리고 Na⁺이 밀려 들어와 막 전위가 +30 mV까지 치솟습니다. 자극 세기를 15에서 30 사이로 움직여 보세요. 발화는 빨라지지만 높이는 그대로입니다.
05
나트륨이 들어오고 칼륨이 나갑니다
말이집을 반투명하게 하고 결절 하나를 가까이에서 봅니다. 주황색 나트륨 통로가 먼저 열려 노란 Na⁺이 들어오고, 이어서 청록색 칼륨 통로가 열려 보라색 K⁺이 나가면서 막 전위가 휴지 전위 아래로 떨어집니다.
06
틈에서 틈으로 건너뜁니다
말이집이 있으면 활동전위는 랑비에 결절에서만 다시 만들어지고, 결절이 차례로 빛납니다. 조작 탭에서 축삭 지름을 바꾸면 구석의 속도가 달라집니다. 지름 10 µm인 말이집 섬유는 약 57 m/s입니다.
07
말이집을 벗긴 같은 축삭
절연이 없으면 막의 모든 곳이 차례로 발화해야 해서 활동전위가 끊김 없는 물결처럼 기어갑니다. 지름 10 µm에서 모형 속도는 약 3 m/s로 18배 느립니다. 너무 오래 기다리지 않도록 화면에서는 그 차이를 줄였습니다.
08
시냅스를 건너갑니다
활동전위가 말단에 닿으면 초록색 칼슘 이온이 들어오고, 막에 붙어 있던 소포 두 개가 합쳐지며 분홍색 신경전달물질이 틈을 건넙니다. 다음 뉴런의 수용체는 물질이 붙어 있는 동안 빛나며 이온을 들여보냅니다. 실제로는 약 1 ms 걸립니다.
09
전압 고정을 건 막 한 조각
이 장면은 나트륨 통로와 칼륨 통로 하나씩, 펌프 하나가 있는 막 한 조각을 확대합니다. 고정 장치가 −65 mV로 잡고 있다가 12 ms 동안 −10 mV로 올립니다. 그래프는 호지킨과 헉슬리가 기록한 것처럼 고정 장치가 흘려 줘야 하는 전류를 그립니다.
10
나트륨 통로는 스스로 닫힙니다
+20 mV에서 나트륨 통로는 1 ms도 안 되어 열리고, 이어서 안쪽의 빨간 공이 구멍으로 들어갑니다. 전압이 높게 유지되는데도 나트륨 전류가 멈춥니다. 칼륨 전류는 계단이 이어지는 동안 계속 흐릅니다.
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펌프는 셋을 내보내고 둘을 들입니다
휴지 상태로 돌아오면 전압 개폐 통로로는 아무것도 흐르지 않습니다. 펌프는 쉬지 않고 ATP 하나에 Na⁺ 3개를 내보내고 K⁺ 2개를 들입니다. 실제 펌프보다 훨씬 느리게 그렸습니다.
12
1 m 경주
말이집을 두른 10 µm 축삭과 맨 축삭이 함께 출발합니다. 말이집 쪽 신호는 결절에서 결절로 건너뛰어 17.5 ms 만에 1 m를 갑니다. 맨 축삭은 316 ms로 18배 걸립니다.
13
맨 축삭을 오징어만큼 굵게
맨 축삭 지름을 호지킨과 헉슬리가 쓴 축삭 크기인 476 µm로 올렸습니다. 옆의 말이집 섬유보다 50배쯤 굵어지고 나서야 약 22 m/s에 이릅니다.
14
말이집이 손상되면
말이집 손상을 켜면 섬유 가운데에 말이집이 없는 구간이 생깁니다. 모형에서는 신호가 그 구간을 맨 축삭 속도로 기어갑니다. 실제 신경에서는 아예 멈추기도 합니다. 다발경화증 같은 탈수초 질환을 이해하는 바탕입니다.
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글루탐산은 통로를 엽니다
글루탐산 시냅스의 수용체는 대부분 이온 통로입니다. 전달물질이 붙어 있는 동안 빛나고, 다음 세포에는 몇 ms 동안 빠른 흥분성 전위가 생깁니다.
16
도파민은 더 느리게 일합니다
도파민은 세포 안의 G단백질을 켜는 수용체에만 붙습니다. 반응은 작고 늦게 시작해 오래갑니다. 다른 입력에 세포가 어떻게 답할지를 바꾸는 것이 그 역할입니다.
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틈을 치우는 방법
세로토닌은 수송체가 말단 안으로 다시 끌어들입니다. 재흡수를 끄면 분자가 틈에 더 오래 남고 반응도 길어집니다. 어떤 약은 바로 이 단계에 작용합니다. 개념 설명이며 조언이 아닙니다.
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무릎 반사
무릎뼈 아래 힘줄을 두드리면 허벅지 근육 속 근방추가 발화합니다. 신호는 감각 섬유를 타고 척수로 올라가 시냅스 한 번으로 운동 뉴런에 넘어간 뒤 다시 내려옵니다. 키 175 cm에서 모형 합계는 20 ms이고, 측정값은 17~21 ms입니다.
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발목 반사는 더 오래 걸립니다
두드릴 곳을 발목으로 바꾸면 신호가 종아리에서 출발해 거의 두 배 먼 길을 갑니다. 같은 키에서 모형은 33.5 ms입니다. 키를 바꿔 보면 키 큰 사람의 반사가 왜 느린지 보입니다.
20
입력 네 개가 한꺼번에
흥분성 시냅스 네 개가 함께 발화합니다. 모형에서 하나가 4 mV씩 더해서 모두 16 mV가 되고, 방아쇠 부위에서 역치를 넘습니다. 공간 가중입니다.
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시간을 벌려 보면
같은 입력 네 개가 이번에는 4 ms 간격으로 옵니다. 다음 입력이 올 때 앞의 것이 벌써 조금 사그라들어 최고값이 −55 mV 아래에 머뭅니다. 입력이 더 많거나 간격이 더 좁아야 합니다. 시간 가중입니다.
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억제 시냅스가 막습니다
입력 다섯 개면 세포가 발화하지만, 세포체의 억제성 시냅스가 같은 순간 8 mV를 뺍니다. 방아쇠 부위는 조용합니다. 에클스가 척수 운동 뉴런에서 이런 억제성 전위를 기록했습니다.
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뉴런의 모양은 여러 가지입니다
갤러리에는 여덟 종류를 같은 크기로 그렸습니다. 푸르키네 세포는 가지돌기를 납작한 부채로 펼치고, 그 사이를 평행섬유 약 17만 5,000개가 지나갑니다. 조작 탭의 뉴런 종류로 옆으로 옮겨 갑니다.
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호지킨과 헉슬리의 오징어 축삭
오징어 거대 축삭이 바닷물 속에 놓여 있고, 안에는 은선이 꿰어 있습니다. 그래프는 1952년 방정식으로 계산한 막 전위입니다. 온도는 속도 상수를 잰 6.3 °C입니다.
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역치 찾기
펄스 전류는 1 ms 동안 7 µA/cm²로, 역치 6.9 µA/cm²를 살짝 넘습니다. 조금 낮추면 막 전위가 올랐다가 가라앉습니다. 올리면 활동전위가 빨리 시작하고 약 +41 mV까지 자란 뒤 더는 높아지지 않습니다.
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가까이 붙은 두 펄스
둘째 펄스가 첫째보다 9 ms 늦게 옵니다. 20 µA/cm²에서는 작은 혹만 생깁니다. 나트륨 통로가 아직 비활성화되어 있고 칼륨 통로가 아직 열려 있기 때문입니다. 전류를 올리거나 간격을 벌리면 두 번째 활동전위가 나옵니다.
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계속 자극하면 연달아 발화합니다
계속 자극을 켜면 축삭이 거듭 발화합니다. 전류가 셀수록 빨라서 10 µA/cm²에서 약 69 Hz, 20 µA/cm²에서 87 Hz입니다. 세기가 빈도로 바뀌는 방식입니다.
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테트로도톡신
TTX 100%는 나트륨 통로를 모두 막습니다. 펄스가 막을 밀어 올리기는 하지만 아무것도 되살아나지 않고, 축삭을 따라가는 물결도 사라집니다. 복어 독이 이렇게 작용합니다. 개념 설명이며 조언이 아닙니다.

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