[심리학 기초] 9_행동의 생물학적 기초 : 뉴런의 정보전달과 신경전달물질

심리학의 실질적인 연구 영역의 첫걸음으로 행동의 생물학적 기초에 대해 알아보고 있습니다. 저번 포스팅에서는 신경계의 기능 단위인 뉴런이 무엇인지, 그리고 기본적인 구조와 하는 일에 대해 정리해 보았습니다.

[심리학 기초] 8_행동의 생물학적 기초 : 뉴런(neuron)이란?

뉴런은 세포의 기본적인 기능 외에 정보전달이라는 독특한 기능을 한다는 것을 알게 되었는데요. 이번 포스팅에서는 뉴런 내에서 또 뉴런들 사이에서 정보 전달이 어떤 과정을 거쳐 일어나는지, 그리고 뉴런으로부터 방출되는 신경전달물질이란 어떤 것인지 알아보겠습니다.

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1-1 ) 뉴런 내에서의 정보 전달 : 활동전위

뉴런의 축삭막을 기준으로 안쪽과 바깥쪽에는 전위차가 있습니다. 이는 세포막에 성질에 의한 것입니다. 세포막은 반투과성 막으로, 전기를 띤 모든 이온을 통과시키지는 않습니다. 뉴런의 축삭이 안정상태에 있을 때, 축삭의 내부는 외부에 비해 음전위 상태입니다. 이는 양전하를 띤 나트륨이온(Na+)이 세포 내부보다 외부에 더 많이 존재하기 때문입니다. 그리고 세포막은 특히 양전기를 지닌 나트륨이온을 통과시키지 않습니다. 이와 같은 축삭 내외의 전기적 상태를 안정전위(resting potential)라고 합니다.

어떤 자극으로 인해 축삭이 흥분상태가 되면 축삭막의 작은 통로들이 열려서 나트륨이온이 세포 내부로 들어가게 됩니다. 내부로 나트륨 양전하가 들어옴으로써 외부에 비해 양전 위로 됩니다. 이를 활동전위(action potential)라고 하며, 신경충동, 신경흥분이라고도 합니다. 활동전위가 축삭을 따라가면서 그다음 부위들을 자극하게 됩니다. 그리하여 그 다음 지점에서 나트륨 이온이 축삭 내부로 들어가게 됩니다. 이러한 과정이 축삭의 끝까지 반복됩니다. 나트륨이온(Na+)이 뉴런의 세포막 내부로 들어간 직후 칼륨이온(K+)은 밖으로 나와서 축삭막 내외의 전위차는 이전 상태로 되돌아갑니다. 뉴런에 따라 차이가 있지만 활동전위는 1초에 약 1~100m의 속도로 전달됩니다. 축삭을 따라 내려가는 정보전달에는 나트륨이온의 흐름이 있어야 하기 때문에, 이 흐름이 차단되면 뉴런은 정보를 전달할 수 없게 됩니다. 예를 들면, 어떤 마취제는 나트륨이온이 흐르는 통로를 막아서 아픔에 대한 정보가 뇌까지 전달되지 못하게 하여 통증을 느끼지 않게 해주는 것이다.

 

 

1-2 ) 뉴런 간의 정보 전달 : 시냅스 전달

 포유동물의 뇌에 있는 대부분의 시냅스에서는 신경전달물질(neurotransmitter substance)이라는 특수한 화학적 물질의 분비에 의한 화학적 전달이 기본 방식을 이루고 있습니다.  시냅스란 축삭의 끝인 종말단추와 다른 세포를 연결되는 곳입니다. 이런 시냅스에서 시냅스 전 종말단추에는 많은 소낭들이 있습니다. 시냅스 전막과 후막 사이에는 약 20nm(1nm=1/10억 m)의 극히 좁지만 분명한 틈이 있습니다.

활동전위가 축삭을 따라 내려와 종말단추에 이르면 종말단추 안에서는 소낭이 시냅스 틈으로 터지면서 그 안에 들어있는 신경전달물질이 시냅스틈을 건너 시냅스 후막에 있는 수용기에 결합하여 그 뉴런에 어떤 작용을 하게 됩니다. 신경전달물질로 사용되는 화학물질과 수용기의 유형에 따라서 그 작용은 뉴런의 흥분이거나 억제일 수 있습니다. 시냅스후 뉴런은 거의 다른 많은 뉴런으로부터 거의 동시에 흥분과 억제를 받고 있습니다. 흥분의 전체량이 억제의 전체량보다 클 때 그 뉴런은 일시적으로 잠잠해집니다. 대부분의 뉴런들은 자발적으로 보통 속도의 활동전위를 일으키고 있는데, 흥분 작용은 활동전위를 더 자주 일으키고, 억제 작용은 평상시보다 더 적은 빈도로 활동전위를 일으킵니다.

 

 

2 ) 신경전달물질과 약물의 작용

특정 뉴런은 특정 신경전달물질을 방출합니다. 신경전달물질의 종류에는 수십 가지가 있습니다. 이들은 각각 행동의 다른 측면을 통제하기 때문에 특정 신경전달물질이 과잉 또는 결핍되면 어떤 비정상적인 행동이 나타날 수 있습니다. 그러한 불균형은 유전적 요인, 뇌손상, 약물, 심지어 식사에 포함된 구성 성분의 변화에도 일어날 수 있습니다. 뇌에서 사용되는 신경전달물질로는 아세틸콜린(acetylcholinge), 도파민(dopamine), 노르에피네프린(norepinephrine), 세로토닌(serotonine), 엔도르핀(endorphine) 등이 있습니다. 아래에서 하나씩 살펴보겠습니다.

 

• 아세틸콜린(acetylcholinge)

아세탈콜린은 신경축삭이 골격근에 연결되는 시냅스에서 사용되는 신경전달물질로, 방출되면 근육이 수축하여 운동을 하게 됩니다. 우리가 숨 쉬고, 이야기하고, 걷는 모든 움직임은 운동뉴런에서 근육으로 아세틸콜린을 분비하기 때문에 가능한 것입니다.

아세틸콜린은 신경-근시냅스뿐만 아니라 뇌 속에서도 많이 발견됩니다. 알츠하이머는 기억과 관련된 뇌구조물인 뉴런이 죽어서 생기는 질환인데, 이 뉴런들이 사용하는 신경전달물질이 아세틸콜린입니다. 신경계에 작용하는 여러 약물이 시냅스에 영향을 미쳐서 어떤 효과를 나타낸다는 사실이 밝혀지고 있습니다. 큐라레(curare)는 남아메리카 인디언들이 사냥할 때 사용하는 치명적인 독입니다. 이 독약은 아세틸콜린 수용기를 막아서 작용하지 못하게 함으로써 근육마비를 일으킵니다. 호흡과 관련된 근육 역시 마비되기 때문에 결국 사망에 이르게 됩니다. 부패된 통조림 식품에서 생길 수 있는 보튤린 독(botulinum toxin) 역시 호흡 근육에 마비를 일으켜 사망하게 합니다. 담배에 들어있는 니코틴 역시 뇌에 있는 아세틸콜린 수용기에 붙어 영향을 미칩니다. 신경가스와 여러 살충제에도 아세틸콜린 시냅스에 작용하여 신경-근시냅스를 과다 흥분시켜 경련으로 사망하게 합니다.

 

• 도파민(dopamine)

도파민과 관련된 대표적인 행동질환으로는 파킨슨 병이 있습니다. 이는 나이 든 사람에서 많이 나타나는 질환입니다. 주 증상으로는 자발적인 운동을 시작하기가 어렵고, 움직임이 느리며, 손이 떨리고, 심한 우울감도 동반됩니다. 운동조절에서 중요한 역할을 하는 뇌체계의 축삭이 점진적으로 죽어서 나타나는 질환인데, 이 부위의 뉴런축삭이 사용하는 신경전달물질이 도파민입니다. 파킨슨 병 환자에게 도파민의 선구물질인  L-도파를 투여하면 증상이 감소합니다.

도파민계는 정신분열증과도 관련이 있습니다. 도파민을 신경전달물질로 사용하는 뇌부위 중 하나인 도파민 체계에서 도파민의 과잉활동으로 정신분열증이 야기된다는 가설이 현재 가장 유력합니다. 정신분열증의 치료약으로 효과가 뛰어난 클로르프로마진(chlorpromazine)이 도파민 활동을 억제시킨다는 사실로부터 정신분열증 원인이 도파민의 과도한 활동에 있다고 추측되었습니다. 정신분열증 치료제로서 효과를 나타내는 약물들은 공통적으로 도파민의 활동을 억제합니다.

 

• 노르에피네프린(norepinephrine)

노프에피네프린은 동기와 정서에 관련된 뇌의 뉴런이 시냅스하는 부위에서 많이 발견됩니다. 특히 각성과 관련된 신경계에서 사용되는 것으로 추정됩니다. 코카인이나 암페타민 같은 약물을 토파민을 사용하는 시냅스뿐만 아니라 노르에피네프린의 작용을 증진시켜 흥분을 일으킵니다.

 

• 세르토닌(serotonine)

세르토닌은 수면, 체온조절, 기분변화와 관련된 신경계에서 중요하게 사용됩니다. 환각제의 한 종류인 LSD는 세르토닌 시냅스에 작용하여 환각현상을 일으킵니다. 그 외에도 우리 주변의 여러 가지 향정신성 약물들은 시냅스에 작용하여 그 효과를 냅니다.

 

• 엔도르핀(endorphine)

엔도르핀은 요즘 우리의 일상에서도 자주 들어볼 수 있는 단어입니다. 주로 기분이 좋을 때 엔도르핀이 분비되는 것이라고 생각되어집니다. 지난 수세기 동안 사람들은 작용기제를 잘 모르는 상태에서도 통증을 낮추기 위해, 잠에 들기 위해, 또는 쾌감을 얻기 위해 모르핀이나 기타 아편제를 사용해 왔습니다. 1950년대 초, 과학자들은 아편제와 상호작용하는 수용기가 있는지 찾아보게 되었고, 결국 아편이 붙는 수용기가 통증과 관련된 뇌부위에 밀집해 있다는 사실을 발견하게 되었습니다. 그렇지만 과학자들은 아편이 붙는 수용기에 신체 외부에서 들어오는 아편제만이 붙지는 않을 것이라고 생각했습니다. 뇌도 아편과 같은 효과를 지닌 어떤 물질을 생산하고 있을 것이라고 생각한 것입니다. 오래 지나지 않아 그런 물질이 발견되었고, 그것이 바로 엔도르핀입니다.

엔도르핀은 우리 몸에서 어떤 역할을 할까요? 통증을 감소시키기도 하고 쾌(快)와 같은 정적 강화를 촉진하기도 합니다.  통증은 나쁜 뇌에서 우리의 신체를 손상시키는 유해한 자극이 있다고 판단될 때 더 이상의 손상을 방지할 수 있도록 경고를 주는 역할을 합니다. 그런데 통증이 계속될 때는 그 기능을 넘어 우리에게 고통을 주게 됩니다. 그런 통증은 감소되는 것이 바람직합니다. 엔도르핀은 통증 감소에 도움을 줍니다. 예를 들어, 부상당한 군인이 전쟁터에서는 별로 고통을 느끼지 않다가 후방에 후송된 후에야 고통을 느끼는 것은 전쟁터에서 엔도르핀이 많이 분비되었기 때문입니다. 의학적으로 사용하는 침 역시 침을 놓음으로써 엔도르핀을 방출시켜 환자의 통증을 통제하는 것입니다.

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이번 포스팅까지 행동의 생물학적 기초로서 뉴런의 정보전달과 신경전달물질에 대해 알아보았습니다. 다음 포스팅에서는 신경계 수준에서 행동을 이해해 보는 시간을 갖도록 하겠습니다.