시냅스 통합 – Synaptic Integration

흥분성 통합(EPSP summation)은 역치 이하의 작은 신호들이 합쳐져서 한 뉴런에서 활동전위를 일으키는 현상이었습니다. 하지만 우리 몸에는 흥분성 통합만 일어나는 것은 아닙니다. 그와 반대로, 어떤 시냅스들은 막전위를 낮추어 활동전위를 억제하는 경우도 있습니다. 이러한 시냅스를 억제성 시냅스(inhibitory synapse)라고 합니다.

IPSP(inhibitory Postsynaptic Potential;억제성 시냅스후 전위)
뉴런의 막에 신경전달물질-개폐성 이온채널(neurotransmitter gated ion channel)이 있다는 점에서  대부분의 억제성 시냅스에 있는 시냅스후 수용체는 흥분성 시냅스에 있는 것들과 매우 유사합니다.  두 시냅스의 차이점은 이들 채널들이 흥분성시냅스와는 다른 종류의 신경전달물질(GABA나 Gly)과 결합하고 다른 이온들이 채널을 통해 이동하도록 한는 점입니다. 대부분의 억제 시냅스에 있는 신경전달물질-개폐성 이온채널들은 오직 Cl-만을 통과시킵니다. Cl-채널이 열리면 Cl-이온이 막을 가로질러 들어갈 수 있기 때문에 막전위를 Cl-의 평형전위에 가까운 약 -65mV가 되게 합니다. 만약 억제성 시냅스에서 신경전달물질이 분비되었을 때 막전위가 -65mV보다 높았다면, Cl-이온의 유입으로 인해 과분극(hyper-polarization)이 일어나게 됩니다.

만약 신경전달물질이 분비되었을 때, 휴지전위(resting membrane potential)가 이미 -65mV라면 이미 막전위가 Cl-의 평형전위와 같기 때문에 Cl-채널이 열려도 IPSP는 보이지 않을 것입니다. 그러면, 이렇게 IPSP가 실제로 보이지 않을 때도 뉴런이 억제되었다고 할 수 있을까요? 그렇습니다. 흥분성 시냅스의 활성은 수상돌기 안으로 양전하 이온의 유입을 유발합니다. 이 전류는 세포체(soma)를 향해 흐를 때 활동전위를 생성합니다. 그러나 억제 시냅스가 활성화되면 막전위가 Cl-의 평형전위와 거의 같게 됩니다. 따라서 막전위가 -65mV가 되도록 전류를 막의 바깥쪽으로 흘려보냅니다. 결국 억제성 시냅스는 흥분성 전류가 세포체를 통해서 축삭둔덕으로 흐르는 것을 중간에서 차단하는 역할을 하게 됩니다. 이런 유형의 억제를 우회성억제(Shunting Inhibition)라고 합니다.
음전하인 Cl-이온의 유입은 양전하가 방출되는 것과 같은(막의 바깥쪽으로 전류를 흐르게 하는) 효과를 가집니다. IPSP는 EPSP를 상쇄함으로써 시냅스후 뉴런이 활동전위를 생산하는 것을 억제할 수 있습니다.

흥분성 시냅스와 억제성 시냅스는 구조적인 측면에서도 차이를 보입니다. GABA나 Gly를 신경전달물질로 쓰는 뇌의 억제성 시냅스는 항상 Gray’s type-II의 뉴런입니다. 이 구조는 신경전달물질로 Glu를 쓰며 항상 Gray’s type-I의 형태를 보이는 흥분성 시냅스와는 반대되는 특징입니다. 이런 구조와 기능간의 상관관계는 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스를 형태적으로 구분할 때 유용합니다. 억제성 시냅스는 수상돌기에 퍼져있을 뿐 아니라 세포체와 시냅스후 뉴런의 흥분에 강한 영향을 미칠 수 있는 지역인 축삭둔덕 가까이에 밀집되어있습니다.

조절(Modulation)

지금까지 본 흥분성, 억제성 시냅스후 기능은 이온채널 기능을 하는 신경전달물질 수용체들과 연관되어 있습니다. 그러나 많은 시냅스들이 이온채널에 직접적으로 작용하지 않는 G-단백질 결합성 수용체를 가지고 있습니다. 이러한 시냅스는 직접적으로 EPSP나 IPSP를 일으키지 않지만 다른 시냅스들에 의해 생성된 EPSP를 조절합니다. 이러한 유형의 시냅스 변형을 조절(Modulation)이라고 합니다. 조절의 한 예인 G-단백질 결합 수용체 중 한 종류인 노르에피네프린 베타 수용체(norepinephrine beta receptor)의 활성의 영향을 보면,

아민계열의 신경전달물질인 노르에피네프린(NE)이 베타 수용체에 결합하면 생화학적인 반응들이 세포 내에서 단계적으로 일어납니다. 베타 수용체는 G-단백질을 활성화시키고, G-단백질은 효과단백질(effector protein)인 효소 “Adenylyl cylase” (아데니닐 사이클라아제)를 활성화시킵니다. Adenylyl cyclase는 미토콘드리아에서의 산화작용의 산물인 ATP를 세포질에서 자유롭게 확산되는 cAMP(cyclic AMP)로 바꾸는 화학작용을 촉매하는 효소입니다. 따라서 시냅스 전송(시냅스 틈으로 노르에피네프린(NE)가 분비된 일)은 세포 내의 이차전달자(second messenger)인 cAMP를 생성하는 일을 한 것입니다.

계속해서 cAMP의 영향은 단백질 키나아제(Protein Kinase)로 알려진 다른 효소를 자극하는 것입니다. 단백질 키나아제는 ATP로부터 세포 안에 있는 단백질들의 특정한 장소에 인산염 그룹(PO3)을 붙이는 인산화(phosphorylation)반응을 촉매하는 효소입니다. 인산화는 단백질의 구조를 변형시킴으로써 그 단백질의 활성/비활성을 조절할 수 있으므로 세포의 활동에 있어서 일종의 스위치 역할을 합니다.

일부 뉴런에서는 K+채널의 일종이 cAMP의 농도가 높아질 때 인산화 되는 단백질 중 하나입니다. 인산화는 이 채널을 닫게 만들고, 그 때문에 막의 K+전도성이 낮아지게 됩니다. K+의 전도성 감소는 막 저항을 증가시키고, 길이상수(λ)를 증가시켜서 결국 흥분성 뉴런이(K+를 통과시키는 채널이) 더 잘 활성화될 수 있게 됩니다. 따라서 노르 에피네프린(NE)가 베타 수용체에 결합하는 것은 막전위 자체에 대한 효과는 미미하지만 다른 시냅스에서 생성된 반응을 변화시키는 일을 한 것입니다. 이러한 조절효과는 세포 내의 생화학적 매개자(2차 전달자)에 의해 나타나므로 신경전달물질(NE)의 존재시간보다 훨씬 더 오래 지속되는 것입니다.

신경전달물질이 NE 외에도 여러개가 있는 것처럼 K+채널을 인산화 시키는 2차 전달자 외에도 다른 여러 작용을 하는 2차 전달자들이 형성될 수 있습니다. 즉, 뇌 같은 신경계는 EPSP, IPSP에 그에 관련된 여러 조절작용이 관여하게 되어 다양한 산출물을 내는 것이라고 할 수 있습니다.

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