뉴런과 시냅스는 인간 뇌의 정보 처리 시스템의 핵심입니다. 신경세포 사이를 오가는 정교한 신호 교환 과정은 우리가 사고하고, 기억하며, 감정을 느끼고, 신체를 움직이는 모든 것의 기반입니다.
우리의 행동과 생활 습관은 뉴런의 구조와 시냅스의 효율성을 높이거나 낮출 수 있습니다. 따라서 이들의 구조와 기능을 깊이 이해하고 올바른 생활 습관을 유지하는 것이 건강한 뇌를 유지하는 가장 효과적인 방법입니다.
뉴런(Neuron, 신경세포)이란 무엇인가?
뉴런은 인간 뇌를 포함한 신경계의 가장 기본적인 구성 단위입니다. 뇌는 약 860억 개 이상의 뉴런으로 구성되어 있으며, 이들은 서로 신호를 전달하여 우리 몸의 모든 활동을 제어합니다.
뉴런의 구조
뉴런은 크게 세 가지 주요 부분으로 나눌 수 있습니다.
세포체
세포체는 뉴런의 중심부로, 핵을 포함하여 세포의 생존에 필수적인 유전자 물질을 담고 있습니다. 여기서 뉴런의 대사 활동과 단백질 합성이 일어납니다.
수상돌기
수상돌기는 뉴런의 세포체로 들어오는 정보를 받는 가지 형태의 구조물입니다. 하나의 뉴런은 수십에서 수천 개의 수상돌기를 가지고 있어 다양한 정보를 동시에 수집할 수 있습니다.
축삭
축삭은 뉴런이 다른 뉴런이나 근육세포로 신호를 전달하는 긴 돌기입니다. 일반적으로 하나의 뉴런은 단 하나의 축삭만 가지며, 길이가 몇 밀리미터에서 1미터까지 달할 수도 있습니다. 축삭 끝부분에는 신경전달물질을 분비하는 종말단추가 위치합니다.
뉴런의 신호 전달 과정
뉴런이 신호를 전달하는 과정은 전기적 신호와 화학적 신호 두 가지로 나뉩니다.
전기적 신호 전달 (활동전위)
뉴런 내부는 평상시 음전하(-70mV)를 띠며, 이를 휴지막 전위라 합니다. 뉴런이 자극을 받아 일정 수준 이상(-55mV)의 임계값을 넘으면, 뉴런 내외의 전하차가 급격히 변하며 순간적으로 양전하(약 +30mV)를 띠게 되는데, 이 과정을 활동전위라 합니다.
이 활동전위는 축삭을 따라 빠르게 이동하며, 전기적 신호가 전달됩니다.
화학적 신호 전달 (시냅스에서 신경전달물질 방출)
축삭 끝부분(종말단추)에 도달한 전기 신호는 화학적 신호로 변환됩니다. 이때 발생하는 신경전달물질의 방출이 바로 시냅스의 역할입니다.
시냅스(Synapse)란 무엇인가?
시냅스는 한 뉴런의 축삭과 다른 뉴런의 수상돌기 또는 세포체 사이의 접합부를 의미합니다.
시냅스는 실제로 뉴런 간의 물리적 접촉이 아닌, 작은 틈(약 20~40nm)으로 이루어져 있습니다. 이 틈을 시냅스 간극이라 부릅니다.
시냅스의 종류는 두 가지로 구분됩니다.
전기적 시냅스
간극이 매우 좁아 전기적 신호가 직접 전달됩니다. 인간의 뇌에서는 드물게 나타납니다.
화학적 시냅스
인간 뇌의 대부분 전기적 신호가 신경전달물질을 방출하는 화학적 신호로 변환되어 전달됩니다.
시냅스 작용 과정
다음은 뉴런 간의 화학적 시냅스에서 신호가 전달되는 과정을 단계적으로 설명합니다.
활동전위 도달
축삭을 따라 이동한 활동전위(전기 신호)가 축삭 종말단추에 도달하면, 세포막의 칼슘 채널이 열리면서 칼슘이온이 세포 내로 유입됩니다.
신경전달물질 방출
칼슘이온의 유입은 축삭 종말단추 내에 위치한 시냅스 소포체를 활성화하여 내부에 저장된 신경전달물질을 방출시킵니다. 도파민, 세로토닌, 글루탐산, 가바, 아세틸콜린 등이 대표적인 신경전달물질입니다.
신경전달물질 결합
방출된 신경전달물질은 시냅스 간극을 넘어 다음 뉴런의 세포막에 위치한 수용체에 결합합니다.
수용체 활성화
신경전달물질이 수용체에 결합하면 다음 뉴런에서 이온 채널이 열리게 되고, 이로 인해 새로운 전기적 신호가 만들어져 수상돌기와 세포체를 통해 전달됩니다.
신경전달물질 제거
신호 전달 후 시냅스 간극에 남은 신경전달물질은 재흡수되거나 효소에 의해 분해됩니다. 이것은 뉴런 간 신호의 과도한 활성화를 방지하여 균형을 유지하는 역할을 합니다.
뉴런과 시냅스의 중요성
뉴런과 시냅스의 정상적 기능은 인간의 기억력, 집중력, 학습 능력 등 모든 인지 기능의 근본입니다.
최근 연구는 뉴런과 시냅스 작용의 이상이 우울증, 치매, 파킨슨병, 자폐증 등 다양한 신경계 질환과 깊은 관련이 있음을 입증했습니다. 예를 들어, 알츠하이머 환자의 뇌에서는 시냅스가 손상되어 정보 전달이 효율적으로 이루어지지 않는 현상이 나타납니다. 반면, 꾸준한 운동이나 학습은 시냅스의 밀도를 증가시켜 인지 능력을 강화시킨다는 연구결과가 있습니다.
스웨덴 카롤린스카 연구소의 최근 연구(2022)는 정기적으로 새로운 학습과 경험을 쌓는 사람들이 시냅스 형성을 촉진하여 나이가 들어서도 인지 기능을 더욱 잘 유지한다고 보고하였습니다. 즉, 우리가 평소 습관적으로 하는 학습과 활동이 뇌의 뉴런과 시냅스를 구조적으로 변화시켜 더 건강한 삶을 만들 수 있다는 것입니다.
