감각과 반응을 전달하는 신경 전류의 속도

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인체는 잠을 자든 깨어 있든 잠시도 쉬지 않고 몸 내외로부터 정보를 감각하고 그에 대해 반응하고 있다. 인간의 신경계는 눈, 입, 코, 귀, 피부와 같은 외적 감각기관만 아니라 소화, 호흡, 순환기관을 비롯한 내부의 장기, 그리고 호르몬 등을 분비하는 내분비기관과도 실시간으로 정보를 받으면서 그에 대해 빠른 속도로 대처하고 있다.

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인체의 감각과 그에 대응하는 반응은 전자기구의 회로처럼 연결된 복잡한 신경망을 통해 이루어진다. 스마트폰이나 방송의 통신은 대부분 무선의 전자기파가 연결해주고 있지만, 신경망은 전적으로 신경세포와 시냅스로 이루어진 유선 회로로 연결되어 있다. 즉 뇌의 중추에서부터 신경 말단까지 신경세포와 시냅스라 불리는 가느다란 연결선(신경망)으로 이어져 있다.

 

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신경세포는 감각기관과 피부만 아니라 모든 근육세포를 비롯하여 순환기관 및 내분비샘과도 연결되어 있다. 더워지면 땀이 흘러나오도록 명령하고, 위장으로 음식이 들어오면 소화액이 분비되도록 명령하며, 피곤해지면 잠이 오고 회복되면 깨어나게 하며, 잠이 들면 호흡과 맥박수를 줄이도록 하는 명령도 신경망을 통해 이루어진다.

 

 

신경세포 사이에 전달되는 신경전달물질

불 위에 놓인 냄비를 손으로 잡았을 때 손끝에서 신경세포가 느끼는 뜨거운 온도의 감각은 신경망을 통해 뇌의 중추에 전달되고, 그에 대응하여 손을 빨리 떼도록 하는 명령도 이 경로를 통해 역방향으로 전달된다. 이런 신경의 수신과 반응 명령은 초단시간에 이루어진다. 이때 신경세포망을 통해 전기신호가 발생하도록 하는 것이 신경전달물질(neurotransmitter)이다.

 

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신경전달물질은 어떤 성분인가?

과거에는 신경전달물질이 단순한 성분일 것이라고 생각했다. 그러나 현재까지 100가지가 넘는 신경전달물질이 알려져 있다. 신경전달물질 중에 잘 알려진 것에는 글루타메이트, 가바(GABA), 아세틸콜린, 글라이신, 도파민, 노리피네프린, 새로토닌, 히스타민 등이 있다. 이들 신경전달물질 중에는 평소 건강상식 뉴스로 접했던 이름들이 여럿 있다.

 

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다양한 신경전달물질은 어떻게 생겨나 어디에 존재하며 어떤 방법으로 작용(기작)할까?

자세한 내용은 전문적이다. 신경전달물질은 대부분 신경세포의 세포막 근처에 저장되어 있으며, 필요할 때 즉시 방출되어 시냅스로 들어간다. 이때 신경전달물질을 이동시키는 힘은 ‘확산’이라는 물리적 현상이다.

 

 

신경전달물질은 어떻게 전류를 만드나?

뇌와 신경세포의 생리학적 변화는 복잡하다. 신경세포에서 신경전달물질이 분비되면 이온(예: Ca+)이 생겨나면서 전자들이 늘어나게 된다. 그러면 신경 회로 사이에 전위차가 형성된다. 전류는 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 이웃에 있는 두 신경세포 사이에 전위차가 형성되면 생체전류가 흐르게 되고, 이 전류가 고속으로 정보를 뇌, 분비샘, 근육 등 필요한 곳에 전달한다.

 

 

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인체의 신경망을 단순하게 나타낸다. 인체의 신경계를 흔히 말초신경계(末梢神經界)라 하는데, 말초(末梢)는 잔가지가 복잡하게 뻗어있는 나뭇가지 모양을 의미한다.

Central Nervous System: 중추신경계(뇌와 척수로 구성), Peripheral Nervous System: 말초신경계(뇌와 척수의 신경을 제외한 신체 외부의 신경세포망), nerve: 신경, brain: 뇌, spinal cord: 골수, ganglion: 신경절(다수의 신경세포가 집결한 부분)

 

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신경전달물질의 최초 발견

신경정보가 어떻게 빠르게 수신되고 반응하게 되는지는 의학자들의 큰 의문이었다. 20세기가 시작될 무렵, 의학자들은 어떤 화학물질이 감각을 전달하는 데 관여할 것이라는 이론이 나왔다. 드디어 20세기 초, 인체 세포를 연구하던 스페인의 신경의학자 카잘(Ramony Cajal 1852-1934)은 시냅스 연결부에서 아세틸콜린이라 불리는 신경전달물질이 존재한다는 것을 처음으로 발견하는 데 성공했다.

 

 

 

카잘은 최초로 신경전달물질의 하나인 아세틸콜린을 발견했다. 그는 이 연구로 1906년에 노벨의학상을 수상했다. 이후부터 신경전달물질에 대한 연구는 빠르게 발전하게 되었고, 신경전달물질의 종류, 그들의 생성 과정, 각각의 기능 그리고 생성된 성분이 본래 상태로 돌아가는 과정 및 유전적인 현상 등을 연구하게 되었다.

 

 

신경전달물질들의 역할

신경전달물질에서 나온 신호는 시냅스를 통해 전달된다. 몇 가지 신경전달물질의 기능을 간단히 알아본다.

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- 글루타메이트 : 전체의 약 15%를 차지하는 가장 많이 존재하는 신경전달물질이다. 인간의 감정과 기억을 관장하는 히포캠퍼스에 다량 분포한다.

 

 

 

 

글루타메이트가 지나치게 활성화되면 신경 독소가 되어 뇌경색, 간질, 근위축성 질병, 치매, 파킨슨씨병 등을 유발하는 원인이 된다.

 

 

- 가바(GABA) : 신경세포가 과민 반응하는 것을 억제한다. 불안, 우울, 긴장, 공포 스트레스 해소, 심리 안정 등에 작용한다.

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- 아세틸콜린 : 근육활동에 주로 관여하는 신경전달물질이다.

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도파민(dopamine) : 쾌감에 관여하는 신경전달물질이다. 도파민이 분비되면 행동력이 강화된다. 부족하면 우울, 조현병 증세가 나타난다. 니코틴과 마약은 일시적으로 도파민을 활성화시켜 쾌감을 주지만, 분비가 줄어들면 금단증세가 나타난다.

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세로토닌(serotonin) : 평온함, 만족감, 균형감 등의 행복감에 관여한다.

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히스타민 : 앨러지 반응과 관련이 있다. 혈관 확장, 근육 수축에 관여한다. 과다분비되면 과민반응이 다양하게 나타난다.

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엔도르핀 : 진정작용이 있는 신경전달물질이다. 엔도르핀은 ‘체내(엔도)에서 생성되는 모르핀’이라는 의미가 있다.

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기타 글라이신, 노르에피린(norepinephrine), 에프네프린(epinephrine) 등의 성질이 많이 알려져 있다.

 

 

인체의 전류는 얼마나 빨리 전달될까?

원자핵 주위를 도는 전자의 이동 속도는 초속 1mm도 안 된다. 그런데 인체의 신경 정보를 전달하는 생체전기는 어떻게 순간적으로 머리끝에서 발끝까지 전달될까?. 인체의 신경세포와 시냅스에는 항상 전자(이온)가 가득하다. 수도꼭지를 틀면 즉시 물이 나온다. 이것은 고압 조건의 물 분자들이 줄지어 떠밀기 때문에 순간에 물이 밀려 나오는 것이다. 이와 마찬가지로 신경망에 가득한 전자들도 차례로 밀어 순식간에 신호가 전달되는 것이다.

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인체의 전기(신경정보)는 신체 부위에 따라 차이가 있지만, 초속 0.5-120m 속도로 전달되고 있다. 일반적으로 발끝에 찔린 가시를 뇌가 감각하고 발을 떼도록 명령하는데 걸리는 시간은 수십 분의 1초에 불과하다. 운동선수들의 무의식적 반사신경의 속도는 더 빠르다.

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신경정보가 전달되는 속도는 개인에 따라서도 차이가 있고, 훈련에 의해 증진되기도 한다. 집중된 훈련은 반사신경을 발달시킨다. 건반을 두드리는 피아니스트의 손가락 움직임, 자판을 누르는 타이핑 속도 역시 훈련에 의해 익숙해지고 빨라진다. 뇌와 신경의 신비는 끝없는 연구 과제일 것이다.

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전파과학 <과학상식 Q & A> - YS

 

 

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