[생물학] Ch.48 - Neurons, Synapses, and Signaling

AI반도체 설계 경진대회를 준비하면서 Neuromorphic Computing의 생물학적 배경을 이해할 필요가 있어, 얕게나마 공부한 것을 본글에 정리하였다. (대부분은 고등학교 생명과학과 겹치는 내용이다)

Neuron Structure and Organization

뉴런에서 핵을 포함한 대부분의 세포소기관은 cell body(신경세포체)에 집중되어 있으며, dendrite(가지 돌기)에서 다른 뉴런으로부터 들어오는 신호를 받고, axon(축색 돌기)을 통해 다른 뉴런으로 신호를 전달한다. axon은 미터 단위로 길게 존재하기도 한다. axon의 끝부분에서 다른 세포로 정보가 전달되는 부분을 synapse라 한다. axon에서는 전기 신호를 통해, 시냅스에서는 neurotransmitter가 전달됨으로써 정보 전달이 이루어진다.

뉴런은 생물체 내/외부 자극에 관한 감각을 전달하는 Sensory neurons, 뇌의 회로를 구성하는 Interneurons, 근육 세포들로 신호를 전달하는 Motor neurons로 구분된다. 뉴런의 구조는 종류에 따라 크게 달라진다.

highly branched dendrite를 가진 interneuron의 경우, 10,000여개의 시냅스를 통해 신호를 받을 수 있다. 마찬가지로 많은 target cell에 신호를 보내는 뉴런은 그만큼 highly branched axon을 가지고 있다.

동물체에서 정보를 처리하는 뉴런들은 뇌와 신경절(ganglia)을 포함한 Central Nervous System (CNS, 중추신경계)를 이루며, CNS로부터 정보를 받아 전달하는 뉴런은 Peripheral Nervous System (PNS, 말초신경계)를 이룬다. CNS와 PNS의 뉴런들은 glial cell(glia; 아교세포)를 통해 지지받는다.

Ion Pumps, Ion Channels, and the Resting Potential of a Neuron

여느 세포처럼 뉴런도 세포 내외부에 이온이 불균등하게 분포되어 있다. 이는 membrance potential(막전위)을 만드는데, 뉴런이 신호를 전달하고 있지 않을 때의 막전위를 resting potential이라 하며, 일반적으로 -80mV에서 -60mV 사이이다.

resting potential은 어떻게 만들어질까? 물론 sodium-potassium pump가 작동해 한번에 2K+을 들여보내고 3Na+을 내보내지만, 이 net current로 인해 만들어지는 전위는 수 mV에 불과하다. resting potential을 만드는 가장 큰 원인은 이보다 많은 potassium channel과 sodium channel를 통한 수동 수송이다. potassium channel의 수가 sodium channel보다 많이 존재하기 때문에, K+의 시간당 유출량이 Na+의 유입량보다 많고, 결과적으로 net charge outflow가 발생한다.

즉, concentration gradient에 의한 이동과 electrical gradient에 의한 이동이 균형을 이루어 음의 막전위가 만들어지게 된다. (이 equilibrium potential은 Nernst equation이라는 식으로 계산할 수 있다.)

Action Potentials

세포막의 특정 channel은 외부 자극에 따라 열리거나 닫히는데, 이들을 gated ion channels라 한다.

외부 자극으로 gated potassium ion channel이 열렸다고 해 보자. 그러면 세포막 밖으로의 K+ 유출이 증가해 hyperpolarization(과분극)이 일어나고, 이때 막전위는 약 -90mV가 된다. 이후 다른 이온들이 통과하는 channel이 열리게 되면, Na+ 유입이 증가하여 반대로 depolarization(탈분극)이 일어난다.

과분극과 탈분극은 graded potential을 발생시키는데, 이는 세포막을 건너는 작은 전류를 발생시키며, 자극 정도에 따라 연속적으로 변하는 전위이다. 탈분극이 충분히 크게 일어날 경우, 전위가 크게 변화해 action potential이 발생한다. graded potential과 달리, action potential은 일정한 크기를 가지며, axon을 따라 전파되는 특성을 가진다. action potential은 voltage-gated ion channel에 의해 발생하는데, 이 ion channel이 활성화되는 전위 수준을 threshold(역치)라 하며 대부분의 포유류에서는 약 -55mV이다.

graded potential이 역치에 도달했는지 여부에 따라서, action potential은 나타나거나 나타나지 않거나 둘 중 하나이다. 한번 역치에 도달하면 positive feedback cycle에 의해 막전위가 빠르게 양의 전위까지 도달한다.

action potential은 sodium channel이 비활성화되고 Na+ 유입이 막히면서 다시 음의 전위로 떨어진다. potassium channel은 여전히 대부분 열려 있어 K+ 유출이 계속 일어나기 때문이다. potassium channel은 늦게 닫히기 때문에, resting potential보다 낮은 수준까지 전위가 떨어진다. (이를 undershoot이라 한다.) 이후 potassium channel까지 모두 닫히면, 전위 수준은 다시 resting potential로 돌아오게 된다. 또한 이 모든 과정이 지난 후 sodium channel이 비활성화되어 있는 동안에는 다시 action potential이 발생할 수 없는데, 이 기간을 refractory period라 한다.

(Figure from Campbell Biology 12e)

axon의 특정 부위에서 action potential이 발생하면, 세포막 내부로 유입된 Na+ 이온이 인접한 부분으로 확산하여 인접한 부분의 전위를 낮추고, depolarization을 일으킨다. 이러한 메커니즘을 통해, 신호(action potential)가 axon을 따라 전파된다.

axon의 표면이 절연체로 둘러싸여 있다면, depolarization은 axon의 더 먼 부분까지 전파될 수 있다. axon을 둘러싸는 절연체 구조를 myelin sheath라 하며, glia의 일종인 oligodendrocytes(중추신경계에서)와 Schwann cells(말초신경계에서)에 의해 만들어진다. 이 세포들은 axon을 수 겹의 지질로 둘러싸 절연체로 된 막을 형성한다. myelinated axon에서는, nodes of Ranvier(랑비에 결절)라 부르는 부분에서만 axon이 세포 외부와 닿아 있다. 이에 따라 중간 부분에서는 action potential이 발생하지 않는다. action potential이 발생하는 부분이 줄어들면 gated channel들이 열리고 닫히는 시간이 덜 소요되므로, nodes of Ranvier를 따라 전기적 신호가 빠르게 전달될 수 있다. 이 메커니즘을 saltatory conduction(도약전도)이라 한다. 또, myelinated axon은 그렇지 않은 axon에 비해 더 빽빽하게 모여있을 수 있다.

Transmission of Information at Synapses

시냅스에서는 전기적/화학적 방식으로 뉴런 간의 신호 전달이 일어난다. electrical synapse는 직접적으로 뉴런에서 다른 뉴런으로 전류가 흐르게 함으로써 작동한다. 시냅스 중 대다수를 차지하는 chemical synapse는 화학적인 neurotransmitter가 전달되게 함으로써 작동한다.

뉴런은 말단에서 neurotransmitter를 생성하고 그를 membrane으로 감싼 synaptic vesicle을 생성한다. 이때 신호가 뉴런 말단에 도달하면 탈분극으로 인해 gated channel이 열려 Ca2+ 이온이 유입되고, Ca2+ 농도 변화로 인해 synaptic vesicle이 말단 세포막과 융합하여 결과적으로 neurotransmitter가 세포 외부로 분비되게 된다.

분비된 neurotransmitter는 뉴런과 postsynaptic cell 사이 synaptic cleft라고 불리는 50nm 정도의 틈을 따라 전파된다. 이후 neurotransmitter가 ligand-gated ion channel (ionotropic receptor라고도 부른다.) 에 결합함으로써 다음 세포에 신호가 전달되게 된다.

만약 ligand-gated ion channel이 K+ 이온과 Na+ 이온을 모두 투과시킨다면, postsynaptic 뉴런에서는 탈분극이 일어나게 되는데, 이때 channel이 열려 발생하는 전위를 excitatory postsynaptic potential (EPSP)이라 한다.

만약 ligand-gated ion channel이 K+ 이온과 Cl- 이온만을 투과시킨다면, postsynaptic 뉴런에서 과분극이 일어나게 되며 이때의 전위를 inhibitory postsynaptic potential (IPSP)이라 한다.

EPSP와 IPSP는 graded potential의 형태로 postsynaptic 뉴런의 dendrite를 따라 전파되며, cell body를 거쳐 axon의 시작점까지 도달하게 된다. 이때 여러 dendrite를 따라 들어온 EPSP와 IPSP들이 합산(summation)되고, 이 합산된 값이 역치 전위보다 높으면 action potential이 axon을 따라 전파하게 된다. Multilayer Perceptron의 핵심 개념 (summation -> activation)이 여기서 드러난다!

신호 전달에 제 역할을 다한 neurotransmitter는 효소에 의해 가수분해되거나 presynaptic neuron으로 재흡수된다.

neurotransmitter가 ion channel과 직접 결합하지 않는 경우도 있다. 대표적인 예시로는 norepinephrine과 결합하는 G protein-coupled receptor가 있다. 이 경우에는 signal transduction pathway (G protein -> cAMP -> kinase A -> ...)를 따라 신호가 증폭되어 postsynaptic cell의 많은 channel의 개폐에 영향을 미치게 된다.

Acetylcholine은 ion channel과도 결합하고, G protein-coupled receptor와도 결합함으로써 근세포의 potassium channel을 열어 생명체 내에서 수많은 역할을 수행한다. 대표적으로 근육 자극, 기억 형성, 학습 등에 관여한다.

Nicotine을 비롯한 물질들은 acetylcholine 수용체에 결합해 유사한 작용을 하는 반면, 신경독으로 불리는 Sarin은 acetylcholine이 결합한 후 수용체와 분리되는 것을 저해하는 작용을 한다. Botulism toxin은 acetylcholin의 분비를 억제하는 독소이다. 원래는 근육 수축을 막아 호흡곤란을 일으키는 물질이지만, 피부 주름을 없애는 미용 목적으로도 활용되고 있다.

이외에도 100가지 이상의 neurotransmitter가 존재한다. 이들은 아미노산, 생체아민(biogenic amines), 신경펩타이드(neuropeptides), 등으로 분류된다. 아미노산의 일종인 glutamate는 장기 기억에 관여하는 것으로 알려져 있다. 생체아민에는 norepinephrine, dopamine, serotonin 등의 물질이 있다. 신경펩타이드에 속하는 물질로는 대표적으로 진통 작용을 하는 endorphine이 있다. 산화질소와 같은 기체 분자도 neurotransmitter로 작용하기도 한다.

References

1. Campbell, N. A., Urry, L. A., Cain, M. L. et al. 『Biology: A Global Approach』. 12th ed. Pearson Education Ltd.(2021). p1067-1083