시냅스 통합 – Synaptic Integration

대부분의 중추신경계(CNS)의 뉴런들은 1000여개의 시냅스 신호를 받고 여러 수용체들로 서로 다른 조합의 반응(G-단백질 수용체, 이온채널 등의 반응)을 만들어냅니다. 시냅스후 뉴런은 이런 복잡한 이온/화학적 신호를 통합(integrate)하여 활동전위라는 단순한 형태의 결과물을 만들어냅니다. 특히 살아있는 뇌는 매 초 수십억개의 신경적 계산(neural computation)을 수행합니다. 이러한 신경적 계산이 어떻게 일어나는지 이해하기 위해서 먼저 다수의 시냅스 신호가 통합되는(synaptic integration) 원리를 알아야 합니다.

EPSP(Excitatory Postsynaptic Potential; 흥분성 시냅스후 전위)의 통합
가장 기본적인 시냅스후 반응은 단일 신경전달물질-개폐성 채널(single transmitter-gated channel)이 열리는 것입니다. 이 채널들을 통해 안으로 들어오는 전류(이온의 흐름으로 전류가 생깁니다.)는 EPSP를 일으키는 시냅스후 막을 탈분극(depolarize)시킵니다. 하나의 시냅스의 시냅스후 막에는 몇 십개부터 수 천 개에 이르는 신경전달물질-개폐성 채널이 존재합니다.

일단 시냅스에서 전달되는 신호의 크기를 알아보는 방법을 설명하도록 하겠습니다. 신경전달물질의 양적 기본 단위는 단일 시냅스 소낭에 포함된 신경전달물질의 양입니다. 각 소낭은 거의 같은 개수의 신경전달분자들을 가지고 있으므로 시냅스후 반응은 분비되는 소낭의 개수에 비례합니다. 즉, 주어진 시냅스에서 시냅스후 EPSP는 양자화 되어있다고 표현할 수 있습니다. 많은 시냅스에서 소낭의 외포작용은 시냅스전 자극이 없을 때 아주 느린 속도로 일어납니다. 시냅스후 뉴런의 자연적으로 방출된 신경전달물질에 대한 반응의 크기는 전기 생리학적으로 측정할 수 있습니다. 이러한 아주 작은 반응을 미니시냅스후 전위(mini postsynaptic potential)이라고 합니다.(간단하게 ‘미니’라고 합시다).
각각의 ‘미니’는 소포 1개의 신경전달물질 내용물에 의해 생성됩니다. 따라서 시냅스전 활성전위에 의해 생성된 시냅스후 EPSP의 진폭은  ‘미니’진폭에 상수를 곱한것과 같다고 볼 수 있습니다. ‘미니’의 진폭과 생성된 시냅스후 전위를 비교하는 방법인 ‘양자적 분석(Quantal Analysis)’은 보통의 시냅스 전송이 일어나는 동안 얼마나 많은 소포에서 신경전달물질들이 방출되었는지 결정하는 데 쓸 수 있다.(예를 들어 신경근 연접부에서의 단일 활성전위 약 40mV나 그 이상의 EPSP를 내기 위해서는 약 200개의 시냅스 소낭들이 필요하다는 것을 알 수 있습니다.)

흥분성 전송(excitatory transmission)에 있어서 신경근연접부 시냅스와 중추신경계 시냅스는 분명한 차이가 있습니다. 신경근연접부는 매시간 일을 해야 하므로 안전장치를 가지고 있기 때문입니다. 신경근연접부에서는 될 수 있는 한 거대한 EPSP를 만들어내야 반응을 확실히 할 수 있습니다. 반면, 중추신경계는 작은 EPSP를 서로 더해서 시냅스후 탈분극을 생성하는 매우 정교한 계산을 합니다. EPSP가중(EPSP summation;총화)은 중추신경계에서 시냅스 통합의 가장 간단한 형태라고 할 수 있습니다. 가중의 유형에는 공간적 가중(spatial summation)과 시간적 가중(Temporal summation)이 있습니다. 공간적 가중은 수상돌기 위의 서로 다른 많은 시냅스에서 동시에 생성된 EPSP들이 서로 더해지는 현상이고, 시간적 가중은 같은 시냅스에서 생성된 작은 EPSP들이 1~15ms의 간격으로 연속적으로 생성되었을 때 일제히 더해지는 현상입니다.

하지만 수상돌기 밖에서의 몇몇 EPSP들이 가중이 되었을지라도 바로 뉴런이 활성전위를 나타내는 것은 아닙니다. 시냅스 접촉 부위에 들어가는 전류는 세포체(soma)로 퍼져 활성전위가 개시되는 구역에 도달하게 되는데 이러한 공간적인 거리가 일종의 문턱이 됩니다. 따라서 활동전위를 일으키는 데에 흥분성 시냅스의 유효성(effectiveness)은 <활동전위 개시구역으로부터 시냅스가 얼마나 멀리 있는지> 그리고 <수상돌기의 막의 특성>에 의해 결정됩니다.

¶ 여기서 ‘가중’이라고 한 summation은 가끔 ‘총화’나 ‘통합’이라고 번역되기도 합니다.

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