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참고하십시오.1. 개요
뉴런(neuron), 신경 세포(神經細胞) 또는 신경원(神經元)은 신경아교세포와 함께 신경계와 신경조직을 이루는 기본 단위이다. 신경계의 모든 작용이 신경세포와 신경세포 간의 상호작용으로 인해 이루어진다. 예를 들어, 우리 몸의 내부와 외부에 자극을 가하게 되면 일련의 과정을 통해 뉴런은 자극을 전달하게 되며, 최종적으로 척수와 뇌 등의 중추신경계로 도달하여 중추신경계에서 처리한 정보를 다시 우리 몸으로 전달해 명령을 수행한다.신경계에는 뉴런보다 많은 숫자의 신경 아교 세포가 존재한다.
2. 구조
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- 세포체(Cell Body): Soma라고도 한다.
- 세포핵(Nucleus): 핵막이 염색체를 2중으로 보호하고 있으며 아주 작은 구멍[1]으로 mRNA와 단백질이 드나든다. 사실 이는 다른 세포들도 동일하다.
- 가지 돌기(Dendrites)(=수상돌기): 여기에서 다른 뉴런으로부터 신호를 수용한다. 끝으로 갈수록 얇아지며 다른 많은 축삭들과 연결되어 있다.
- 축삭 (Axon): 신호를 내보내는 부분. 직경이 일정하고 수직적으로 가지를 친다. 대부분의 뉴런에서 가지 돌기보다 길다.
- 축삭소구 (Axon Hillock): 예전까지는 축삭소구에서 활동 전위가 시작된다고 생각했지만 최근에는 기시분절에서 활동전위가 시작된다고 밝혀졌다.[2]
- 기시분절 (initial segment): 활동전위(Action Potential)가 시작되는 곳.
- 축삭 말단 (Axon Ending[3]): 다른 뉴런과 연접하는 곳.
- 말이집 (Myelin sheath): 일종의 절연체로 다른 곳으로 전기신호가 새나가는 것을 막는다.[4]
- 랑비에 결절(Nodes of Ranvier): 위의 말이집과 말이집 사이에 절연되지 않는 노출된 축삭이다.
- 뉴런의 접합부 시냅스(Synapse): 종에 따라 그리고 같은 종이라도 뉴런마다 다르지만 대략 3000~8000개 많으면 10000개까지 있으며, 일반적으로 5000개가량 있다.
- 소포체 (Endoplasmic reticulum): 리보솜이 붙어있는가에 따라서 Rough ER과 Smooth ER로 나뉜다.
3. 종류
목적에 따라 다양한 분류 방법이 있다.신호 전달 방향에 따른 분류
| 말초신경 | 중추신경 | |
| 구심성 뉴런 | 원심성 뉴런 | 연합 뉴런 |
- 구심성 뉴런(감각 뉴런, Sensory Neuron): 감각 기관[5][6]의 감각기(receptor)에서 자극을 가장 먼저 수용해 뇌와 척수에 전달해주는 세포. 우리가 보통 상상하는 뉴런의 구조와는 조금 다른데, 일단 작고, 기관은 모두 같지만 수상돌기가 길고 축삭돌기가 짧다.
- 원심성 뉴런(운동 뉴런, Motor Neuron): 중추신경계로부터 신호를 받아서 근육과 분비샘 등의 반응기(effector)에 전달해주는, 다시 말해 운동 명령을 전달하는 뉴런.[7] 축삭 줄기가 엄청 길고 신경세포체가 거대한 등 위의 구조도에 나온 전형적인 뉴런의 형태를 가지고 있다.[8]
- 연합 뉴런(Interneuron): 중추신경계, 다시 말해 뇌와 척수의 대부분을 이루는 뉴런. 감각 뉴런과 운동 뉴런을 연결할 뿐만 아니라 연합뉴런끼리도 연결되어 있어 그 자체가 거대한 네트워크이다. 축삭 돌기가 길지 않아 미엘린 수초가 없다. Interneuron이라는 용어는 다른 맥락에서는 다소 다른 의미로 사용되니, 혼동하지 말 것.
4. 자극(impulse)의 전도와 전달
기본적으로 뉴런의 안에는 칼륨 이온이 더 많고 뉴런 밖에는 나트륨 이온이 더 많다. 이러하여 농도상으로는 항상 나트륨이온이 안으로 들어오고 싶어 하는 상태이며, 일정 정도 이상 들어올시 이온이 차서 같은 극이 되어 전위적으로는 멀어지려 하게 된다. 이것을 해결하기 위해 나트륨 이온을 다시 밖으로 방출하는 것이 따로 있다.뉴런에는 역치 값이 존재한다. 역치는 Bias로, 편향이라고도 한다. 뉴런이 신호를 받지 않거나, 신호를 받을 때도 그 강도가 역치에 도달하지 않으면 뉴런은 휴지상태[9]를 유지한다. 하지만 일정 강도 이상의 신호[10]가 발생하면 신경세포체에서 축삭으로 넘어가는 곳에서 나트륨 채널이 열리며 이온들이 몰려와 급격한 전위차가 생긴다. 이 신호를 따른 채널들도 전위차를 감지해 잇달아 칼륨 채널이나 염소 채널이 쫘르륵 열린다. 이때 이온이 교환되어 활동 전위가 생긴다. 즉 전기 신호가 발생하고[11], 이런 식으로 말단까지 전위가 전달되면 말단 안의 작은 알 같은 소포체(vesicle)들이 끝쪽으로 붙어 터지면서 신경전달물질이 시냅스 틈(synaptic cleft)[12]으로 방출된다. 왜냐하면 시냅스 사이로는 전기차를 전달할 센서가 없기에 화학적인 형태로 신호를 보내야 하기 때문이다. 즉 시냅스는 다음 뉴런으로 신경전달물질을 보낸다. 시냅스 후 뉴런의 가지 돌기에서 이 전달물질을 받아들이면 다음 세포로 신호가 전달된다.
개인 뉴런이 이 자극을 얼마나 빨리 전달하는지는 측정불가며, 뉴런 종류마다도 다르지만[13], 뇌 내에 자극이 전달 되는 속도는 최대 초속 120m(시속 432km) 정도이므로 대충 그 정도를 뉴런의 처리 속도로 생각하면 된다. 재밌게도 이 신호는 확률적으로 전달되기도 전달되지 않기도 하는데 이는 GABA와 연관이 깊다. 단, 운동 뉴런 같이 신속히 결정을 내려야 할 경우에는 무조건 전달된다. 자극의 전달 속도가 빠르다는 것이다.[14]
신경전달물질(neurotransmitter)[15]라는 알갱이 같은 화학물질이 시냅스간에서 신호를 전달해주는데, 이 신호가 뉴런 끝, 축삭 돌기에 도달하면 그 신호로 인해 신경전달물질을 해방하게 되고, 이것을 가지 돌기 첨단에 있는 수용기에서 받아간다. 그리고 신경전달물질이 전달되는 순간 나트륨 이온이나 억제를 알리는 염소 이온이 세포막 안으로 돌진해 새로운 자극 사이클이 시작된다. 이런 식으로 신호가 필요한 곳까지 전달된다.
신경전달물질의 분해, 결합방지는 신경작용제에만 쓰이는것이 아니라, 일반 의약품에도 쓰이고 있다. 도파민의 시냅스간 결합 방지로 쓰이는 게 리스페리돈 같은 항정신병제, 신경전달물질에 덤으로 끼어드는 벤조디아제핀등의 신경안정제, 세로토닌 분해방지를 통한 재흡수를 돕는[16] 항우울제 등이 이 역할을 한다.
다만 곤충은 나트륨 채널 뿐만 아니라 염소 이온 채널 또한 큰 비중을 담당하고 있다. 이 때문에 현재 시판되는 살충제는 VX와 달리 염소 이온 채널만 교란시켜 척추 동물에는 영향이 거의 없게 만들고 있다. 집안에 에프킬라 같은 살충제를 뿌려도 곤충에겐 치명적이지만 사람이나 애완동물은 덜 치명적인 이유가 이 때문이다.
5. 성장
임신 5주부터 분당 25만 개씩 뉴런이 생성되며 일반적인 성인보다 더 많은 수의 뉴런을 가질 수도 있다. 그러나 이런 과다 생성된 뉴런들은 임신 8개월경 뇌가 거의 완성될 때부터 세포사멸로 자연스럽게 제거된다.일반적으로 태내에서 생성된 뉴런은 1000억 개 이상으로, 태어난 뒤로부터는 더 이상 늘어나지 않는다. 살아가면서 점점 줄어들지만 애초에 수가 워낙 많아서 100살이 넘게 살아도 1~2% 밖에 줄어들지 않는 수준이라고 한다.[17] 다만 이 때문에 충격이나 질병으로 뉴런이 손상되게 되면, 회복이 상당히 어렵다.
자극이 많이 들어오거나 장기기억을 저장할 때 뉴런끼리 회로 구성을 위해서 필요한 부분에 시냅스가 늘어난다.
접시에다 놓고 가만히 둬도 자기 혼자 줄기를 뻗으면서 시냅스를 생성할 정도로 왕성하게 회로를 구성한다. 따라서 학습과 성장을 하면서 뉴런 수는 크게 변하지 않지만 시냅스 수가 늘어난다. 하지만 대부분 시냅스들은 쓸모 없는 부분에 연결이 되어 있기 때문에, 시냅스가 많을수록 좋다는 일반적인 생각과 달리 숙달된 신경망은 시냅스가 적은 편이다. 이는 불필요한 시냅스 연결 부위를 제거하고 중요한 시냅스 연결 부위는 강화[18]되는 연결망 최적화 때문이라고 한다.[19]
일반적으로 시냅스는 5 ~ 7살 등 유아기에 급속도로 발달되며, 청소년기에 불필요한 시냅스가 제거되는 최적화를 거치게 된다. 이 때문에 성장기 시절에는 학습은 빠르지만 숙달되기 힘들고 중장년기엔 기존의 숙달된 행동, 연산 등은 빠르지만 학습능력이 떨어지는 이유로 보고 있다. 다만 소수의 사람들은 불필요한 시냅스가 제거되지 않고 성인이 되어서도 여전히 남아있는 경우가 있다.[20]
이러한 뉴런과 뉴런 사이에 연결된 시냅스 회로가 모여서 뇌에 커넥톰이 구성되며, 이 커넥톰으로 동물 개체의 기억과 성격 등이 저장되고 사고를 결정한다.
6. 재생 및 수명
뉴런은 다른 세포에 비해 수명이 매우 길어서 거의 인간의 수명과 비슷하다. 그러나 다른 세포들은 수명이 매우 짧은 반면 재생이 매우 쉽다. 반면 뉴런의 재생은 매우 어려운 편이다.기존의 통념으로는 뇌세포(뉴런)는 재생될 수 없다는 것이 일반적인 생각이었다. 그러나 최근 연구에 의하면, 일정 수준 이상의 유산소 운동은 해마 부분의 뇌세포 재생을 촉진할 수 있다는 가설이 점점 설득력을 얻어가고 있다고 한다. 이는 동물 실험을 통해 어느 정도 입증된 내용이다.
성인이 되면 성장이 멈추고 노쇠해가는 것만이 아니라, 살아가면서 받는 새로운 자극에 의해 시냅스를 만들고 쓰지 않은 시냅스를 정리하며 변해간다. 이에 관계된 곳이 해마이며, 해마는 새로 신경세포를 만들고 새 시냅스 연결에 관여한다. 또한 신경 손상에 의해 장애가 온 경우에도 새로운 시냅스를 만들고 기존 신경을 우회해 새로 처음부터 연결을 만들어 운동기능을 되찾는 사례도 이를 뒷받침한다.
이는 손상이 온 뇌세포에서 직접 재생을 한다던가 하는 것이 아님을 주의해야한다. 실제로 최근 연구결과에 따르면 외상성 뇌손상(Traumatic Brain Injury, TBI) 환자들의 경우 줄기 세포덩어리가 손상된 지역으로 이동, 세포 분열 및 소염 성분과 성장 인자를 배출해서 뇌의 "회복"을 돕는걸로 알려졌다. 일반적인 회복이라기 보단 고장난 레고 블럭을 새로 갈아끼우는 과정과 비슷하며, 따라서 두부 외상을 입은 환자가 다시 재활, 즉 새로 생성된 세포로 이전 기억과 비슷하게 새로운 기억을 생성해야하는 이유기도 하다.[21]
특히 유산소 운동과 식이요법, 금연은 해마에서의 시냅스 재생과 생성을 긍정적인 방향으로 이끈다. 신경세포의 재료인 오메가3, 6지방산의 꾸준한 섭취와 규칙적인 유산소 운동을 늘리고 그리고 일부 향정신성 약물과 담배등을 금하자 30대 이상의 표본에서도 유의미한 차이를 보였다. 하지만 앞서 말했듯 뇌의 가소성, 계속해서 변해가는 성질은 평생 계속되기에 이러한 노력들을 멈추게 되면 긍정적인 효과가 저하됨은 자명하다.
반대로 미국 UCSF의 알바레즈 부이야 교수 연구팀이 동물이 아닌 인간의 뇌를 가지고 한 연구에 의하면 제공받은 59개의 뇌에서는 인간 성인의 뇌가 13세 이후부터 새로운 뇌 신경세포를 만들지 않았다는 사실을 발견했다.[22]
7. 뉴런 수와 지능
CPU의 성능을 판단할 때 트랜지스터가 몇백억개 있는지로 성능을 짐작하는 것과 마찬가지로, 동물의 지능은 뉴런의 숫자로 판단할 수 있다. 기술이 발달하지 않았을 때는 뇌의 크기로, 뇌의 크기가 다가 아니라는 것을 깨달았을때는 몸 전체에서 뇌가 차지하는 비율로, 뉴런 수를 셀수 있게 되자 대체로 뉴런의 수를 동물의 지능 판단 척도로 사용하게 되었다. 이렇게 되면서 재평가 된 것이 바로 조류이며, 특히 까마귀와 앵무새의 지능이 왜 높은지를 설명할 수 있게되었다.
생물학적 관점에서 동물의 지능은 뇌의 크기보단 신체에서 뇌가 차지하는 비율, 그 중에서 뉴런의 수가 많을수록 정비례하는 양상을 보인다. 현재 발견된 동물 중 가장 지능이 높은 현생인류는 연구 결과에 따라 다르지만 최대 1000억개 이상에서 최소 26억 개의 뉴런을 뇌 속에 보유하고 있다.
다만 모든 동물 종을 통틀어서 가장 많은 것은 아니며 1위는 아프리카코끼리로 약 2,000억 개 가량의 뉴런을 보유하고 있으며, 돌고래나 고래(참거두고래(Long-finned pilot whale)는 무려 372억개나 있다.)도 인간보다 많은 양의 뉴런을 보유하고 있다. 그러나 돌고래나 아프리카 코끼리의 지능이 인류보다 높다는 건 아니며, 단지 장기 기억력등 일부 분야 한정으로 인류보다 우세를 보이는 수준이며 사실 인간보다 뉴런수가 적은 침팬지도 단기 기억력은 인간보다 앞서고 있다.[23] 절대적인 양이 아닌 체중 대비 무게나 체적 대비 부피로 따저도 포유류 중 뇌가 차지하는 비율이 가장 높은건 양이며, 체질량 대비 뇌가 가장 큰것은 투파이아이다. 사실 인간은 체중 대비 뉴런 수로도 돌고래는 고사하고 고양이보다도 떨어진다.#
이런 몇몇 예외를 제외한다면 대체적으로 뉴런수나 체중 대비 뇌의 비중은 지능과 정비례하는 편이며, 무엇보다 같은 속 내에서는 이러한 비례가 거의 맞아 떨어진다. 예를 들면 인간 속에 동물들을 보아도, 가장 지능이 높을 것으로 추정되는 현생인류(호모 사피엔스 사피엔스)[24]는 현재까지 발견된 인간 속 동물 중 2위의 뇌 용량을 가지고 있으며, 1위인 호모 네안데르탈렌시스[25]는 항목에서 보듯 현재 호모 사피엔스 종이라는 논란이 있다. 그리고 전체 뇌는 호모 네안데르탈렌시스가 크지만 소뇌 비율이 호모 사피엔스 사피엔스보다 8배나 작은데, 일반적으로 뉴런은 대뇌보다 소뇌에 2배 이상 더 많이 분포되어 있어서 전체 뇌세포 수는 호모 사피엔스 사피엔스보다 적었을 가능성도 있다.
현재 지능은 단순 뇌세포 수에 비례할 뿐만 아니라 뇌에 어떤 부위에 어떤 밀도로 커넥톰을 형성한지 여부도 매우 중요하게 여겨지는것으로 밝혀졌다. 가령 개의 뉴런수는 5억 3천만 개로 오징어의 뉴런수(5억 개)와 별로 차이나지 않지만# 지능은 개가 더 높은 편이다. 왜냐면 오징어는 뉴런의 3분의 2가 다리에 쏠려있고 그나마 3분의 1도 전부 뇌에 있지 않기 때문이다.[26] 흔히 지능을 높다고 생각하는 이성적인 판단은 신피질에서 일어나기 때문에, 신피질이 크고 뇌세포가 많은 동물일 수록 지능이 높다. 가령 지능이 가장 높은 조류로 불리는 까마귀는 석형류의 뇌에서 신피질에 해당하는 팔륨에 뉴런이 3억개가 몰려있는데, 이는 소위 멍청한 조류라고 불리는 닭과 비둘기의 팔륨 내의 뉴런 수의 3배, 타조의 2배나 되며, 영장류의 평균적인 신피질 뉴런 분포도에 1.5배 가량된다. 인간은 이 신피질 크기인 대뇌화 비율이 포유류 평균의 7.5배로 동물중 가장 크고, 뇌세포 밀도 역시 신피질에 가장 높다. 따라서 현재 발견된 동물중 인간이 가장 지능이 높은 것으로 평가된다.
8. 관련 영상
신경 전달 체계 및 연계를 요약한 영상
[1] 핵공[2] neuroscientist 15 (2009): 651~668[3] 또는 Axon Terminal or Terminal Button.[4] 엄밀히 말해 다른 세포인 신경교세포가 만들어낸 구조이다. 자세한 것은 미엘린 문서 참조.[5] 감각 기관이라 하면 흔히 '오감'이라 일컫는 다섯 가지 기관만 생각하기 마련인데, 사실 피부라는 것 자체가 너무 넓어 그렇게 단정하기엔 조금 섣부르다.[6] 대표적으로 평형감각.[7] 호르몬 분비 같은 경우 운동 신경과는 상관없지만 연합 뉴런에서 내리는 명령을 받아 분비되기 때문에 포괄적으로 원심성 뉴런이라고 한다.[8] 위 구조항목의 사진은 운동뉴런이다.[9] 이때 전위는 약 -70mv[10] 이것이 역치(threshold)이며 이 값을 역칫값이라 한다.[11] 약 40mv[12] 시냅스는 가지 돌기와 축삭 말단이 만나는 점인데, 완전히 붙어있진 않고 아주 미세하게 떨어져 있다.[13] 보통 말이집이 있는 운동뉴런이 빠르다. 뇌나 척수에서 근육까지 거리가 먼 데다 명령을 빨리 전달해야 하기 때문.[14] 가끔씩 이상으로 이 신호를 통제하지 못하면 생기는 게 바로 뇌전증이다.[15] 여러 가지가 있고, 어떤 신경인지에 따라서 또 다르기도 하다. 유명한 것은 아세틸콜린인데, 신경에 작용하는 독가스는 이 아세틸콜린의 분해효소와 결합해 분해를 막으면서 신호를 과량 전달시키고, 말초신경이 폭주해 그 과정에서 인체가 맛이 가 버린다. 간단하게 배우는 VX의 원리 우리가 흔히 아드레날린이나 세로토닌이라 부르는 성분들은 모두 신경전달물질이다.[16] 정확히 말하면 세로토닌이 reuptake (쉽게 말하면 재활용하기 위해 돌아가는 것) 되는 과정을 억제하여 세로토닌이 더 오래 작용하도록 돕는다. 항우울제를 Happy Pill이라고 일컫는 경우도 있는데 행복해지는 약이 아니라 덜 우울해지는 약이라는 설명이 정확하다.[17] 최근 연구결과에 따르면, 태어난 이후에도 일부 미 분화된 줄기 세포들이 새 뉴런으로 분화하긴 하지만 줄어드는 속도보다 훨씬 느려서 별 의미없다고 한다.[18] 주요 신경회로에 시냅스가 추가되거나 이미 생성된 시냅스를 강화하기 위해 말이집(미엘린)이 추가되어 자극 전송속도를 빠르게 하는 과정 등이 있다.[19] 현재 컴퓨터로 시뮬레이션 되는 뉴런 모사에서 가장 어려운 부분이 바로 이 부분으로 일반적인 컴퓨터의 트렌지스터는 서로 동등하게 연결되어 있고 연결된 수도 적지만 뉴런은 각각 수천 개의 시냅스를 가지고 있는 데다가 뉴런마다 강하게 연결되거나 약하게 연결되는 등 차이가 있기 때문이다. 컴퓨터로 시뮬레이션을 진행하는 경우 STDP(Spike Timing Dependent Plasticity, 스파이크 타이밍 종속 가소성), 경사 하강법 등의 방법을 이용해 시냅스의 연결에 대한 가중치를 최적화 하는데, STDP를 이용한 방법이 뉴로모픽 컴퓨팅에 더 가까운 방향이라고 평가받고 있다.[20] 그래서 이 사라지지 않는 시냅스들을 '제거'가 아닌 가지런히 '정리'하는 연구와 기술이 발달되었다. 가장 좋은 예시가 마인드맵. 실제로 정리되지 않은 시냅스들은 방대한 정보들을 받아들이게 되고 인지부조화가 쉽게 오게 되지만 많은 시냅스들이라도 정리가 된다면 반대로 어마어마한 정보를 제때 맞춰 쓸 수 있다는 장점이 생긴다.[21] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fncel.2019.00301/full[22] 사실 이렇게 새로운 뇌 신경세포 생성이 거의 없거나 적은 게 자아 유지에 중요한 역할을 하고 있을 수도 있다. 이게 사실이면 머리에 충격을 주는 운동은 조금 위험할 수도 있다. 실제로 미식축구 선수들의 경우, 은퇴 현역 지망생을 가리지 않고 뇌에 충격이 누적돼서 음주 등 경미한 뇌손상에도 회복하지 못하고 성격변화, 충동장애, 우울증 등을 겪는다는 연구결과가 있다. (http://www.bu.edu/articles/2017/cte-former-nfl-players/)[23] 이에 대해 인간이 진화 과정에서 복잡한 언어 능력을 위해 단기적인 작업 기억을 포기했다는 cognitive tradeoff 가설이 있다.[24] 성인 남성 기준 평균 1,450cc 여성은 더 작으며, 암수 모두 과거보다 현대로 갈 수록 크기가 줄어들고 있다.[25] 성인 남성 기준 평균 1,600cc[26] 다만 절대적인 뉴런이 많아 지능은 매우 우수하여, 단순 연체동물을 넘어 선구동물 중에서 최상위권에 속한다. 두족류 문서 참고.