뉴런
Neuron
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1. 개요
뉴런(neuron)은 신경 세포나 신경원이라고도 불린다. 신경아교세포와 함께 신경계와 신경조직을 이루는 기본 단위이다. 길이는 길고, 굵기도 굵어서 맨눈으로도 볼 수 있다. [1]신경계의 모든 작용이 신경세포와 신경세포 간의 상호작용으로 인해 이루어진다. 예를 들어, 우리 몸의 내부와 외부에 자극을 가하게 되면 일련의 과정을 통해 뉴런은 자극을 전달하게 되며, 최종적으로 척수와 뇌 등의 중추신경계로 도달하게 되며 중추신경계에서 처리한 정보를 다시 우리 몸으로 전달해 명령을 수행한다.
신경계에는 뉴런보다 많은 숫자의 신경 아교 세포가 존재한다.
2. 구조
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- 세포체(Cell Body): Soma라고도 한다.
- 세포핵(Nucleus): 핵막이 염색체를 2중으로 보호하고 있으며 아주 작은 구멍으로 mRNA와 단백질이 드나든다. 사실 이는 다른 세포들도 동일하다.
- 가지 돌기(Dendrites): 여기에서 다른 뉴런으로부터 신호를 수용한다. 끝으로 갈 수록 얇아지며 다른 많은 축삭들과 연결되어 있다. 수상 돌기라고도 부른다.
- 축삭 (Axon): 신호를 내보내는 부분. 직경이 일정하고 수직적으로 가지를 친다. 대부분의 뉴런에서 가지 돌기보다 길다.
- 축삭소구 (Axon Hillock): [2]
- 기시분절 (initial segment): 활동전위(Action Potential)가 시작되는 곳.
- 축삭 말단 (Axon Ending[3]): 다른 뉴런과 연접하는 곳.
- 말이집 (Myelin sheath): 일종의 절연체로 다른 곳으로 전기신호가 새나가는 것을 막는다.[4]
- 랑비에 결절(Nodes of Ranvier): 위의 말이집과 말이집 사이에 절연되지 않는 노출된 축삭이다.
- 뉴런의 접합부 시냅스(Synapse): 종에 따라 그리고 같은 종이라도 뉴런마다 다르지만 대략 3000~8000개 많으면 10000개까지 있으며, 일반적으로 5000개 가량 있다.
- 소포체 (Endoplasmic reticulum): 리보솜이 붙어있는가에 따라서 Rough ER과 Smooth ER로 나뉜다
3. 종류
목적에 따라 다양한 분류 방법이 있다.
신호 전달 방향에 따른 분류
- 구심성 뉴런(감각 뉴런, Sensory Neuron) : 감각 기관[5][6]의 감각기(receptor)에서 자극을 가장 먼저 수용해 뇌와 척수에 전달해주는 세포. 우리가 보통 상상하는 뉴런의 구조와는 조금 다른데, 일단 작고, 기관은 모두 같지만 수상돌기가 길고 축삭돌기가 짧다.
- 원심성 뉴런(운동 뉴런, Motor Neuron) : 중추신경계로부터 신호를 받아서 근육과 분비샘 등의 반응기(effector)에 전달해주는, 다시 말해 운동 명령을 전달하는 뉴런.[7] 축삭 줄기가 엄청 길고 신경세포체가 거대한 등 위의 구조도에 나온 전형적인 뉴런의 형태를 가지고 있다.[8]
- 연합 뉴런(Interneuron) : 중추신경계, 다시 말해 뇌와 척수의 대부분을 이루는 뉴런. 감각 뉴런과 운동 뉴런을 연결할 뿐만 아니라 연합뉴런끼리도 연결되어 있어 그 자체가 거대한 네트워크이다. 축삭 돌기가 길지 않아 미엘린 수초가 없다. Interneuron이라는 용어는 다른 맥락에서는 다소 다른 의미로 사용되니, 혼동하지 말 것.
4. 자극(impulse)의 전도와 전달
기본적으로 뉴런의 안에는 칼륨 이온이 더 많고 뉴런 밖에는 나트륨 이온이 더 많다. 이러하여 농도상으로는 항상 나트륨이온이 안으로 들어오고 싶어 하는 상태이며, 일정 정도 이상 들어올시 이온이 차서 같은 극이 되어 전위적으로는 멀어지려 하게 된다. 물론 이것을 해결하기 위해 나트륨 이온을 다시 밖으로 방출하는 것이 따로 있다.
뉴런이 쉬고 있을 때(휴지상태)[9] 일정 강도 이상의 신호[10]가 발생하면 신경세포체에서 축삭으로 넘어가는 곳에서 나트륨 채널이 열리며 이온들이 몰려와 급격한 전위차가 생긴다. 이 신호를 따른 채널들도 전위차를 감지해 잇달아 칼륨 채널이나 염소 채널이 쫘르륵 열린다. 이때 이온이 교환되어 활동 전위가 생긴다. 즉 '''전기 신호'''가 발생하고[11], 이런 식으로 말단까지 전위가 전달되면 말단 안의 작은 알 같은 소포체(vesicle)들이 끝쪽으로 붙어 터지면서 신경전달물질이 시냅스 틈(synaptic cleft)[12]으로 방출된다. 왜냐하면 시냅스 사이로는 전기차를 전달할 센서가 없기에 화학적인 형태로 신호를 보내야 하기 때문이다. 즉 시냅스는 다음 뉴런으로 신경전달물질을 보낸다. 시냅스 후 뉴런의 가지 돌기에서 이 전달물질을 받아들이면 다음 세포로 신호가 전달된다.
개인 뉴런이 이 자극을 얼마나 빨리 전달하는지는 측정불가며, 뉴런 종류마다도 다르지만[13], 뇌 내에 자극이 전달 되는 속도는 최대 초속 120m(시속 432km) 정도이므로 대충 그 정도를 뉴런의 처리 속도로 생각하면 된다. 재밌게도 이 신호는 확률적으로 전달되기도 전달되지 않기도 하는데 이는 GABA와 연관이 깊다. 단, 운동 뉴런 같이 신속히 결정을 내려야 할 경우에는 무조건 전달된다.자극의 전달 속도가 빠르다는 것이다. [14]
신경전달물질(neurotransmitter)[15]라는 알갱이 같은 화학물질이 시냅스간에서 신호를 전달해주는데, 이 신호가 뉴런 끝, 축삭 돌기에 도달하면 그 신호로 인해 신경전달물질을 해방하게 되고, 이것을 가지 돌기 첨단에 있는 수용기에서 받아간다. 그리고 신경전달물질이 전달되는 순간 나트륨 이온이나 억제를 알리는 염소 이온이 세포막 안으로 돌진해 새로운 자극 사이클이 시작된다. 이런 식으로 신호가 필요한 곳까지 전달된다.
물론, 신경전달물질의 분해, 결합방지는 신경작용제에만 쓰이는것이 아니라, 일반 의약품에도 쓰이고 있다. 도파민의 시냅스간 결합 방지로 쓰이는게 리스페리돈같은 항정신병제, 신경전달물질에 덤으로 끼어드는 벤조디아제핀등의 신경안정제, 세로토닌 분해방지를 통한 재흡수를 돕는 [16] 항우울제등이 이 역할을 한다.
다만 곤충은 나트륨 채널 뿐만 아니라 염소 이온 채널 또한 큰 비중을 담당하고 있다. 이 때문에 현재 시판되는 살충제는 VX와 달리 염소 이온 채널만 교란시켜 척추 동물에는 영향이 거의 없게 만들고 있다. 집안에 에프킬라 같은 살충제를 뿌려도 곤충에겐 치명적이지만 사람이나 애완동물은 덜 치명적인 이유가 이 때문이다.
5. 성장
임신 5주 부터 분당 25만개씩 뉴런이 생성되며 일반적인 성인보다 더 많은 수의 뉴런을 가질 수도 있다. 그러나 이런 과다 생성된 뉴런들은 임신 8개월경 뇌가 거의 완성될때 부터 세포사멸로 자연스럽게 제거된다.
일반적으로 태내에서 생성된 뉴런은 천억 개 이상으로, 태어난 뒤로부터는 더 이상 늘어나지 않는다. 살아가면서 점점 줄어들지만 애초에 수가 워낙 많아서 100살이 넘게 살아도 1~2% 밖에 줄어들지 않는 수준이라고 한다.[17] 다만 이 때문에 충격이나 질병으로 뉴런이 손상되게 되면, 회복이 상당히 어렵다.
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자극이 많이 들어오거나 장기기억을 저장할 때 뉴런끼리 회로 구성을 위해서 필요한 부분에 시냅스가 늘어난다. 접시에다 놓고 가만히 둬도 자기 혼자 줄기를 뻗을 정도. 따라서 학습과 성장을 하면서 뉴런 수는 크게 변하지 않지만 시냅스 수가 늘어난다. 하지만 대부분 시냅스들은 쓸모 없는 부분에 연결이 되어 있기 때문에, 시냅스가 많을 수록 좋다는 일반적인 생각과 달리 숙달된 신경망은 시냅스가 적은편이다. 이는 불필요한 시냅스 연결 부위를 제거하고 중요한 시냅스 연결 부위는 강화[18]되는 연결망 최적화 때문이라고 한다.[19]
일반적으로 시냅스는 5 ~ 7 살 등 유아기에 급속도로 발달되며, 청소년기에 불필요한 시냅스가 제거되는 최적화를 거치게 된다. 이 때문에 성장기 시절에는 학습은 빠르지만 숙달되기 힘들고 중장년기엔 기존의 숙달된 행동, 연산 등은 빠르지만 학습능력이 떨어지는 이유로 보고 있다. 다만 소수의 사람들은 불필요한 시냅스가 제거되지 않고 성인이 되어서도 여전히 남아있는 경우가 있다.[20]
6. 뉴런 수와 지능
생물학적 관점에서 동물의 지능은 뇌의 크기보단 신체에서 뇌가 차지하는 비율, 그 중에서 뉴런의 수가 많을 수록 정비례하는 양상을 보인다. 현재 발견된 동물 중 가장 지능이 높은 현생인류는 연구 결과에 따라 다르지만 최대 1000억개 이상에서 최소 26억개의 뉴런을 뇌 속에 보유하고 있다.
다만 모든 동물 종을 통틀어서 가장 많은 것은 아니며 1위는 아프리카코끼리로 약 2000억개 가량의 뉴런을 보유하고 있으며, 돌고래나 고래(참거두고래(Long-finned pilot whale)는 무려 372억개나 있다.)도 인간보다 많은 양의 뉴런을 보유하고 있다. 그러나 돌고래나 아프리카 코끼리의 지능이 인류보다 높다는 건 아니며 단지 장기 기억력등 일부 분야 한정으로 인류보다 우세를 보이는 수준이며 사실 인간보다 뉴런수가 적은 침팬지도 단기 기억력은 인간보다 앞서고 있다. 절대적인 양이 아닌 체중 대비 무게나 체적 대비 부피로 따저도 포유류 중 뇌가 차지하는 비율이 가장 높은건 양이며, 사실 인간은 체중 대비 뉴런 수로도 돌고래는 고사하고 고양이보다도 떨어진다.#
이런 몇몇 예외를 제외한다면 대체적으로 뉴런수나 체중 대비 뇌의 비중은 지능과 정비례하는 편이며, 무엇보다 같은 속 내에서는 이러한 비례가 거의 맞아 떨어진다. 예를 들면 인간 속에 동물들을 보아도, 가장 지능이 높을 것으로 추정되는 현생인류(호모 사피엔스 사피엔스)[21]는 현재까지 발견된 인간 속 동물 중 2위의 뇌 용량을 가지고 있으며, 1위인 호모 네안데르탈렌시스[22]는 항목에서 보듯 현재 호모 사피엔스 종이라는 논란이 있다. 그리고 전체 뇌는 호모 네안데르탈렌시스가 크지만 소뇌 비율이 호모 사피엔스 사피엔스보다 8배나 작은데, 일반적으로 뉴런은 대뇌보다 소뇌에 2배 이상 더 많이 분포되어 있어서 전체 뇌세포 수는 호모 사피엔스 사피엔스보다 적었을 가능성도 있다.
[1] 물론 사람 뇌를 반으로 잘라서 뉴런을 볼 수는 없는 노릇이니...현실적으로 뉴런을 보기는 힘들다[2] 예전까지는 축삭소구에서 활동 전위가 시작된다고 생각했지만 최근에는 기시분절에서 활동전위가 시작된다고 밝혀졌다. neuroscientist 15 (2009): 651 -668[3] 또는 Axon Terminal or Terminal Button.[4] 엄밀히 말해 다른 세포인 신경교세포가 만들어낸 구조이다. 자세한 것은 미엘린 문서 참조.[5] 감각 기관이라 하면 흔히 '오감'이라 일컫는 다섯 가지 기관만 생각하기 마련인데, 사실 피부라는 것 자체가 너무 넓어 그렇게 단정하기엔 조금 섣부르다.[6] 대표적으로 평형감각.[7] 호르몬 분비 같은 경우 운동 신경과는 상관없지만 연합 뉴런에서 내리는 명령을 받아 분비되기 때문에 포괄적으로 원심성 뉴런이라고 한다.[8] 위 구조항목의 사진은 운동뉴런이다.[9] 이 때 전위는 약 -70mv[10] 이것이 역치(threshold)이며 이 값을 역칫값이라 한다.[11] 약 40mv[12] 시냅스는 가지 돌기와 축삭 말단이 만나는 점인데, 완전히 붙어있진 않고 아주 미세하게 떨어져 있다.[13] 보통 말이집이 있는 운동뉴런이 빠르다. 뇌나 척수에서 근육까지 거리가 먼 데다 명령을 빨리 전달해야 하기 때문[14] 가끔씩 이상으로 이 신호를 통제하지 못하면 생기는게 바로 간질이다.[15] 여러 가지가 있고, 어떤 신경인지에 따라서 또 다르기도 하다. 유명한 것은 아세틸콜린인데, 신경에 작용하는 독가스는 이 아세틸콜린의 분해효소와 결합해 분해를 막으면서 신호를 과량 전달시키고, 말초신경이 폭주해 그 과정에서 인체가 맛이 가 버린다. 우리가 흔히 아드레날린이나 세로토닌이라 부르는 성분들은 모두 신경전달물질이다.[16] 정확히 말하면 세로토닌이 reuptake (쉽게 말하면 재활용하기 위해 돌아가는 것) 되는 과정을 억제하여 세로토닌이 더 오래 작용할 수 있도록 돕는다. 항우울제를 Happy Pill이라고 일컫는 경우도 있는데 행복해지는 약이 아니라 덜 우울해지는 약이라는 설명이 정확하다.[17] 최근 연구결과에 따르면, 태어난 이후에도 일부 미 분화된 줄기세포들이 새 뉴런으로 분화하긴 하지만 줄어드는 속도보다 훨씬 느려서 별 의미없다고 한다. 안습[18] 주요 신경회로에 시냅스가 추가되거나 이미 생성된 시냅스를 강화하기 위해 말이집(미엘린)이 추가되 자극 전송속도를 빠르게 하는 과정 등이 있다.[19] 현재 컴퓨터로 시뮬레이션 되는 뉴런 모사에서 가장 어려운 부분이 바로 이 부분으로 일반적인 컴퓨터의 트렌지스터는 서로 동등하게 연결되어 있고 연결된 수도 적지만 뉴런은 각각 수천개의 시냅스를 가지고 있는데다가 뉴런 마다 강하게 연결되거나 약하게 연결되는 등 차이가 있기 때문이다.[20] 그래서 이 사라지지 않는 시냅스들을 '제거'가 아닌 가지런히 '정리'하는 연구와 기술이 발달되었다 . 가장 좋은 예시가 마인드맵 . 실제로 정리되지 않은 시냅스들은 방대한 정보들을 받아들이게 되고 인지부조화가 쉽게 오게 되지만 많은 시냅스들이라도 정리가 된다면 반대로 어마어마한 정보를 제때 맞춰 쓸 수 있다는 장점이 생긴다 .[21] 성인 남성 기준 평균 1450cc 여성은 더 작으며, 암수 모두 과거보다 현대로 갈 수록 크기가 줄어들고 있다.[22] 성인 남성 기준 평균 1600cc