신경생리학의 기초

 

목차

• 신경생리학
• 신경조직의 구성
• 뉴런의 구조
• 뉴런의 분류
• 뉴런의 흥분전달 메커니즘

신경생리학은 인체 내에서 일어나는 전기적·화학적 신호의 흐름과 관련된 매우 중요한 분야다. 모든 생명체는 외부 자극에 빠르게 반응해야 살아남을 수 있다. 이러한 반응을 가능하게 하는 대표적 시스템이 바로 신경계다. 신경계는 자극을 인식하고 처리하며, 명령을 전달하는 고속 통신 시스템 역할을 한다. 본 글에서는 신경세포인 뉴런의 구조와 흥분 전달 과정, 그리고 뉴런의 분류까지 기초부터 체계적으로 정리한다. .

 

 인체의 대표 조절 시스템: 신경계 vs 내분비계

인체는 항상성을 유지하기 위해 신호를 주고받는 두 가지 시스템을 갖추고 있다. 첫 번째는 내분비계이며, 이 시스템은 호르몬이라는 화학물질을 통해 자극에 반응한다. 내분비계는 반응 속도가 느리지만 지속력이 길다. 반면, 두 번째 시스템인 신경계는 신속하고 정밀한 반응을 이끌어내는 전기적 신호 전달체계다.

신경계는 뇌와 척수, 말초신경을 포함하며, 신경세포들이 전기적 신호를 주고받으며 온몸의 기능을 조절한다.

신경조직의 구성: 뉴런과 신경교세포

신경조직은 두 가지 주요 세포로 구성되어 있다.

✔ 뉴런(Neuron)

뉴런은 신경계의 기본 단위 세포로, 자극을 인식하고 이를 전기적 신호로 바꾸며, 다음 세포에 신호를 전달한다. 뉴런은 전도성과 흥분성을 동시에 가진다.

✔ 신경교세포(Glial Cell)

신경교세포는 뉴런을 물리적으로 지지하고, 대사적·면역적으로 보호한다. 신경계의 노폐물을 제거하고, 뉴런에 필요한 영양소를 공급하며, 일부 교세포는 수초(Myelin Sheath)를 형성하여 신호 전달 속도를 높여준다.

 

 뉴런의 구조

1) 세포체 (Cell Body; Soma)

세포체는 핵과 세포질을 포함하며 뉴런의 생명 유지 활동을 담당한다. 내부에는 리보솜, 미토콘드리아, 골지체, 니슬소체(Nissl body) 등이 존재하여 단백질 합성과 에너지 생산이 이루어진다.

2) 수상돌기 (Dendrite)

수상돌기는 세포체에서 여러 갈래로 뻗어 나간 구조다. 이 돌기는 다른 뉴런에서 온 신호를 수용하는 역할을 하며, 안테나처럼 다양한 정보를 모은다.

3) 축삭 (Axon)

축삭은 자극을 전달하는 긴 섬유로, 세포체에서 출발하여 멀리 떨어진 세포나 근육, 분비선 등에 명령을 전달한다. 축삭의 말단에는 신호를 전달하는 축삭말단(Axon Terminal)이 있다.

4) 수초와 랑비에결절

축삭을 감싸는 지질성 절연체인 수초는 전도 속도를 비약적으로 증가시킨다. 수초 사이에 위치한 랑비에결절(Ranvier Node)에서는 전기 자극이 도약 전도 방식으로 빠르게 이동한다. 이 구조 덕분에 유수신경(myelinated nerve fiber)은 무수신경보다 훨씬 빠르게 신호를 전달할 수 있다.

 

뉴런의 분류

 기능에 따른 분류

• 감각뉴런(Afferent Neuron): 감각기관에서 자극을 중추신경계로 전달
• 운동뉴런(Efferent Neuron): 중추신경계에서 명령을 근육이나 분비기관에 전달
• 연합뉴런(Interneuron): 감각뉴런과 운동뉴런 사이에서 정보를 통합하고 조절

 구조에 따른 분류

• 단극뉴런(Unipolar): 돌기 하나, 감각계에서 주로 관찰됨
• 양극뉴런(Bipolar): 수상돌기 하나 + 축삭 하나, 예: 망막 뉴런
• 다극뉴런(Multipolar): 수상돌기 여러 개 + 축삭 하나, 중추신경계에서 흔함

 

뉴런의 흥분 전달 메커니즘

뉴런은 자극을 인식하면 이를 단순히 받아들이는 수준에서 끝나지 않는다. 뉴런은 수용한 자극을 전기적 신호로 변환하고, 이 신호를 극도로 정밀하게 다음 세포로 전달하는 고도화된 생리 작용을 수행한다. 이 과정은 흔히 흥분 전달 메커니즘이라 불리며, 인체 신경계의 핵심 원리 중 하나다. 이 메커니즘은 자극의 인식부터 시작하여, **활동전위(action potential)**의 생성, 축삭을 통한 신호의 전도, 그리고 마지막으로 신경전달물질의 방출과 수용체 작용에 이르기까지, 매우 정교하고 체계적으로 구성되어 있다.

 

1단계: 자극의 인식 (자극 감지)

흥분 전달은 항상 자극의 인식으로부터 출발한다. 인체는 외부 환경이나 내부 상태의 변화를 감지하기 위해 수용기(receptor)라는 특수화된 구조를 가지고 있다. 이 수용기는 피부, 눈, 귀, 내부 장기 등에 분포되어 있으며, 기계적 자극, 온도 변화, 화학물질, 광자 등의 다양한 형태의 자극을 감지할 수 있다. 예를 들어, 뜨거운 물체를 만지면 피부의 온도 수용기가 활성화되고, 그 자극은 바로 뉴런으로 전달된다.

 

2단계: 전기 신호의 생성 (탈분극과 활동전위)

수용기가 자극을 감지하면, 그 자극은 전기적 신호로 전환되는 과정, 즉 탈분극(depolarization)이 일어난다. 뉴런의 세포막은 원래 안정 상태(resting potential)에서 세포 내외에 전하 차이가 존재하며, 이는 주로 **나트륨(Na⁺)**과 칼륨(K⁺) 이온의 분포 차이에 의해 유지된다.

자극이 충분히 강하면, 뉴런의 세포막에 있는 전압의존성 나트륨 채널이 열리며 나트륨 이온이 세포 내로 급속히 유입된다. 이로 인해 세포 내부의 전위가 일시적으로 양전하로 바뀌는 활동전위가 형성된다. 이 시점을 뉴런이 ‘흥분했다’고 표현한다. 이후 칼륨 채널이 열리며 세포 밖으로 K⁺가 빠져나가고, 세포는 다시 안정 상태로 돌아가는 재분극(repolarization)이 일어난다.

이러한 전압 변화는 도미노처럼 축삭을 따라 순차적으로 전달되며, 뉴런 전체가 자극 신호를 한 방향으로 이동시키게 된다.

 

 3단계: 축삭을 통한 신호 전도 (도약 전도와 수초의 역할)

전기 신호는 뉴런의 축삭(axon)을 따라 말단까지 이동한다. 이때 축삭이 수초(myelin sheath)로 덮여 있는 경우, 신호는 단순히 선형으로 흐르지 않는다. 랑비에 결절(Node of Ranvier)이라는 수초 사이의 빈틈을 통해 도약 전도(saltatory conduction)가 발생하게 된다. 이 도약 전도 방식은 신경 흥분의 전도 속도를 극적으로 향상시키는 효과가 있다. 굵고 수초가 잘 발달된 축삭일수록 전도 속도는 빠르며, 이는 반사 작용이나 위급 상황에서 빠른 반응을 유도하는 데 필수적인 조건이다. 반면, 수초가 없는 무수신경(unmyelinated fiber)에서는 연속적으로 신호가 전달되며, 그 속도는 상대적으로 느리다.

 

4단계: 시냅스 전달과 신경전달물질 분비

축삭의 끝에는 축삭말단(axon terminal) 또는 시냅스 전말단(presynaptic terminal)이라 불리는 구조가 있다. 전기 신호가 이 지점까지 도달하면, 다음 단계는 화학적 전달로 전환된다. 활동전위가 말단에 도달하면, 칼슘(Ca²⁺) 채널이 열리고 칼슘 이온이 유입되면서 신경전달물질이 담긴 시냅스 소포가 세포막과 융합한다.

이 과정에서 아세틸콜린, 도파민, 세로토닌, GABA 등 특정 신경전달물질이 시냅스 틈(synaptic cleft)으로 방출된다. 이 물질은 다음 뉴런의 수상돌기(dendrite)에 있는 수용체(receptor)와 결합하면서 새로운 흥분을 유도하게 된다. 이로써 자극은 한 뉴런에서 다음 뉴런으로, 전기 → 화학 → 전기의 형태로 연속적으로 전달된다.