[김박사의 재미있는 브레인 톡톡(14)] 뇌 신경세포 뉴런, 시냅스가 사람이다

2016-11-18 14:15:27
오늘은 뉴런(neuron)이라는 뇌신경세포에 대한 이해를 돕기 위해서 세포 이야기를 먼저 꺼내서 시작하겠습니다. 세포(細胞)라는 한자어의 의미는 '작은 주머니' 정도로 보면 될 것 같습니다. 이 작은 주머니라고 하는 세포는 주로 핵, 세포막, 세포질로 이루어져 있습니다. 세포에 대한 내용을 좀 상세히 살펴보겠습니다.

세포핵은 세포 전체의 생명활동을 지휘하는 기관으로 이 안에는 우리 몸에서 가장 중요한 유전물질인 DNA(핵산)가 들어 있습니다. 또한 핵은 세포 분열과 깊은 관계가 있기도 합니다. 쉽게 말해서 세포분열은 한 개의 세포가 두 개 이상으로 늘어나는 것입니다. 공처럼 생긴 핵 내부에는 염색체(사람은 46개)가 들어 있는데 DNA가 실타래처럼 둘둘 감겨 있는 모양을 하고 있지요. 핵산의 한 부분이 유전자인데 사람의 유전자는 3만~4만 개에 이르는 것으로 알려져 있습니다. DNA는 유전자를 저장하는 화학물질인 거죠. 마치 사다리를 꼬아 놓은 모양을 하고 있습니다.

사람의 세포 하나에서 DNA를 뽑아내 모두 합친 후 한 줄로 이으면 약 183㎝쯤 된다고 하니 참으로 대단합니다. 우리 인간의 몸은 약 100조개의 세포로 만들어져 있다고 알려져 있습니다. 세포 하나에 183㎝의 DNA가 들어 있다고 하니까 간단히 계산을 해 보면 그 길이가 얼마인지 알 수 있겠군요. 1830만 ㎞(100조 x 183㎝). 지구 둘레를 약 4만 ㎞라고 할 때 지구를 450바퀴 돌 수 있는 길이입니다. 세포가 작다고 우습게 여길 일이 아닙니다.

세포막은 세포 바깥쪽을 둘러싸고 있는데요, 세포 모양이 흐트러지지 않고 잘 유지 되도록 하며, 세포 안팎에 있는 물질을 나르는 역할도 합니다.

그렇다면 세포질은 무슨 일을 할까요? 세포질은 세포에서 핵을 뺀 나머지 부분을 말합니다. 핵이 세포에서 중심 역할을 한다면 세포질은 보조역할을 하게 되죠. 에너지를 만들어 내는 '미토콘드리아', 단백질을 만들어 내는 '리보솜', 단백질이나 탄수화물을 나르고 분비물을 만들기도 하는 '골지체', 소화를 돕는 '리소좀' 등 여러 가지가 다양하게 얽혀 있습니다.

사람은 단세포로 된 가장 아랫단계의 원생동물에서 시작해 수십억 년 동안 진화를 거쳐 생성된 하나의 생물체입니다. 그러고 보니까 세포 속에 인류의 역사가 고스란히 녹아 있다고 할 수 있겠습니다.

사람의 몸을 이루고 있는 세포의 종류는 260여 가지로 그 크기나 모양이 아주 다양합니다. 세포의 종류에 따라서 조직과 그 조직이 만드는 기관이 달라집니다. 가장 먼저 정자와 난자가 만나 수정란이 되고, 수정란이 분열해 여러 세포가 된 후 한데 모여 조직과 기관을 만듭니다. 신경 세포는 세포 중에서 길이가 가장 길고 긴 실처럼 생겼습니다. 이렇게 세포를 이야기 하다 보니까 사람이 바로 세포 덩어리라는 생각이 듭니다.

자! 그러면 뇌신경세포로 더 들어가 보겠습니다.

인체를 구성하는 100조 개의 세포 중에서 우리의 뇌는 얼마나 많은 세포로 구성되어 있을까요? 우리의 뇌 속에는 대략 1조 개의 세포가 들어 있다고 합니다. 그런데 그 1조 개 중 10%인 약 1000억 개 정도가 뇌 신경계를 구성하는 뉴런(neuron)이라는 이름으로 존재합니다. 그 이외의 대부분은 신경아교세포를 비롯한 버팀 세포들입니다.

뉴런이라는 용어가 좀 생소하죠? 뉴런은 우리말로 신경세포라고 달리 부르기도 하는데 신경계의 단위로서 그리스어의 밧줄 또는 끈을 뜻하는 말에서 유래한 용어입니다. 뉴런은 그 이름처럼 온몸의 기관들과 뇌를 연결하고 있으며, 뇌에서는 뉴런끼리 복잡한 네트워크를 이루고 있습니다. 신경세포의 종류는 그 역할에 따라 몇 가지로 나누어서 부릅니다.

감각신경세포를 통해서 감각 기관의 정보를 뇌와 척수로 전달하는 감각뉴런과 이 정보를 연합신경세포가 받아서 각 신경세포의 신호와 신호를 연결해 주는 역할을 하는 것이 연합뉴런입니다. 다시 그 처리 결과 정보를 운동신경세포로 전달해서 운동이 필요한 부분을 자극하여 움직이도록 하는 것이 운동뉴런의 역할인 거죠.

간에 있는 간세포와 뼈에서 발견되는 뼈세포, 혈액의 적혈구처럼 뉴런은 독립적인 최소 기능 단위입니다. 위의 세포질에서도 잠깐 언급했듯이 뉴런 안에는 유전정보, 즉 DNA가 있는 세포핵과 세포 내 에너지 대사를 담당하는 미토콘드리아 그리고 단백질을 합성하는 리보솜 등 소기관이 있지요. 대부분의 세포들과 마찬가지로 이러한 소기관은 세포체에 집중되어 있습니다. 뉴런에는 신경돌기라는 독특한 구조물이 있죠. 이는 길고 가느다란 손가락 모양의 돌출된 구조물로써 수상돌기(혹은 가지돌기)와 축삭돌기 둘로 나뉩니다. 수상돌기는 신경신호를 밖에서 안으로 받아들이는 기관이며 축삭돌기는 내부의 신호를 주변의 다른 신경 세포, 즉 뉴런에 전달하는 경로가 되는 것입니다.

대뇌피질에 있는 뉴런은 수천 개 이상의 다른 뉴런으로부터 정보를 받아들입니다. 그럴 수 있는 것은 수상돌기가 수많은 분지(分枝)를 이루고 있기 때문입니다. 외부의 신호는 전기신호에 의해서 수상돌기를 통해 세포체로 전달되며 축삭돌기를 거쳐 화학물질인 신경전달물질에 의해 다른 세포에 전달됩니다. 이 과정은 모두 세포막에서 이루지게 되는데 이런 과정을 시냅스(synapse)라고 합니다.


시냅스는 뉴런에서 내보내는 신경신호를 전달하는 곳입니다. 실제 세포가 물리적으로 연결되어 있는 것이 아니라 상상하기 어려울 정도로 얇은 시냅스 틈새에 의해 떨어져 있습니다. 시냅스 전 신경세포와 시냅스 후 신경세포의 세포막 사이의 시냅스 틈새는 폭이 약 20nm정도이니까 상상하기 어렵죠? 이 틈새는 아주 좁아서 신경전달물질이 확산과 같은 형태로 통과하게 됩니다. 신경전달물질이 시냅스 전 신경세포(축삭돌기)에서 시냅스 후 신경세포(수상돌기)로 가는 자극의 시간은 2ms도 걸리지 않는 아주 빠른 속도입니다. 기왕에 시냅스의 자극구조를 조금 더 알아보겠습니다.

신경신호는 일련의 불연속적인 자극으로 이루어지는데 이런 자극을 활동전위라고 합니다. 일회의 자극은 이온이 물결치듯 이동하면서 발생하는 것으로 이온은 주로 나트륨, 칼륨, 염소와 같은 무기물질로 전하를 띠고 있답니다. 뇌에서, 그리고 전신에서 거의 대부분 뉴런에서 발생하는 거의 모든 자극은 그 강도가 100mV로 같으며, 지속 시간도 1/1000초로 같습니다. 그러나 이동 속도는 다양합니다. 신경을 통해서 전달되는 정보는 초당 자극의 회수가 몇 번인가, 그리고 어디에서 시작되어 어느 곳으로 전달되는 신호인가에 따라서 달라지게 됩니다.

각각의 뉴런은 다른 뉴런과 시냅스를 통해 매우 복잡하고 고도로 개별화된 구조의 연결망을 가지고 있습니다. 연결 형태는 신경을 자주 사용하면 그 연결이 강해지고 그렇지 않은 경우에는 약해지는 등 시간에 따라서 변하게 됩니다. 이러한 독특한 성질 때문에 질병이나 손상에 의해 이런 연결 부위가 영향을 받게 되면 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 뉴런은 재생되더라도 모든 연결부위가 모두 다 재생되는 것은 아니기 때문입니다. 뉴런은 재생이 느리고 재생 초기에는 방향성을 잃고 마구잡이로 재생되어 수상돌기와 축삭돌기의 신호체계가 엉망이 될 수 있습니다.

위에서 언급한 버팀 세포에 대한 공부도 하고 넘어 가겠습니다. 뇌 안에 있는 모든 세포 중 뉴런은 10%정도에 불과합니다. 그 이외의 대부분은 신경아세포를 비롯한 버팀 세포들입니다. 이 버팀 세포들은 매우 가느다란 수상돌기와 축삭돌기를 물리적으로 보호하며 뉴런에 당분과 기타 영양분을 공급하는 역할을 합니다. 신경아교세포에는 병원균을 제거하고 변성되어 뉴런에서 떨어져 나간 조각을 제거하는 청소부 역의 미세아교세포와 말이집(myelin sheath, 수초 : 주로 뉴런의 축삭을 여러 겹으로 둘러싸고 있는 절연체)을 만들어 내는 말초신경계의 신경집세포(schwann cell) 희소돌기아교세포가 있습니다.

이상의 담론을 통해서 알아본 내용처럼 세포는 인간을 구성하는 주요 요소이자 전체입니다. 특히 뇌세포를 구성하는 약 1000억 개의 뉴런과 정보를 전달하는 통로, 시냅스가 정상적으로 작동되지 못하게 된다면 인간으로써 온전한 삶을 유지해 나가기는 매우 어렵게 됩니다. 인체의 사령탑이 잘 작동되도록 그 유지에 신경을 써야합니다. 앞으로 기회가 되면 뇌 관리법과 활용법을 이야기로 나눌 것입니다. 뇌의 신경세포 간의 아주 좁은 정보전달 틈새, 시냅스가 원활히 작용하면 소통이 잘 되는 좋은 삶을 만들 갈 수 있게 될 것입니다.

'시냅스가 사람이다'라는 말은 그런 의미에서 아주 큰 의미와 중요성을 갖습니다.

브레인닥터 김종상 교수(원광디지털대학교/Ph.D. neuroscience)

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