신경과학의 원리 1 수업 - Chapter 4. The Cells of the Nervous System

Principles of Neural Science 5th Edition : Chapter 4. The Cells of the Nervous System

- Glial cell(신경교세포)는 뉴런과 달리 신경 전달 기능을 갖고 있지는 않지만, 신경세포를 지지하고 중추신경계의 대사 기능에 관여하는 세포. 준 신경세포 같은 느낌? 뉴런과 glia는 비슷한 특징이 많음. 다만 뉴런은 다른 뉴런에게 빠르고 정확하게 정보를 전달하는 것이 가능함. 이는 2가지 특징에 의해 이루어짐.
1) morphological and functional asymmetry : 형태와 기능이 비대칭적으로, 뉴런은 receptive dendrite가 한쪽 끝에 있고, 다른 한쪽에는 axon이 있음.
2) electrically and chemically excitable : 뉴런의 셀 멤브레인은 이온채널과 리셉터라는 특수한 단백질 구조를 갖고 있음. 이것이 이온을 흐를 수 있게 하고 그로 인해 전기의 흐름을 전달할 수 있음.
Glia는 흥분하기 보다는 외부에 노출된 이온을 흡수하고 신경 전달 물질을 제거하는 기능이 있음

- 뉴런은 무려 100개의 서로 다른 타입이 존재함.
- 뉴런과 Glia는 공통된 신경상피세포(neuroepithelial cell)에서 발달함. 따라서 구조적으로 많은 특징이 서로 공유됨.
- Cytoplasm(세포질: 핵을 제외한 세포의 내용물) = cytosol(기질) + Membranous organelles(세포막 소기관) 으로 구성 됨. 기질은 액체같은 거임.

- Cytosol : 몇개의 단백질이 돌아다니는 용액임. mRNA가 전사된 리보솜
- Membranous Organelles : 미토콘드리아 + peroxisome + vacuolar apparatus

- 신경세포는 morphological 비대칭 적이고, 기능적으로도 비대칭적이다.

axon에는 골지복합체와 ER이 없다. 즉 이 말은 axon에서는 단백질 합성이 일어나지 않는 다는 것이다.

반면 dendrite 및 cell body(soma) 에는 골지복합체와 ER이 많다. 결론은 soma와 dendrite에서 단백질이 합성되어 axon으로 공급된다는 것이다.(라이보좀의 위치를 실험을 통해 확인하여 알아낸 사실. 이것의 의미는 신호를 받는 것과 단백질을 합성하는 것에 밀접한 연관성이 있다는 것을 의미. ex)흥분하는 자극이 많이온다 -> 특정 단백질을 더 많이 만들자.)

즉 axon과 dendrite는 모양도 비대칭적이지만 기능도 비대칭적이다.
(심지어 100가지가 넘는 형태의 모양을 신경세포는 가지고 있다. 즉 종류가 무지하게 다양하다.)

- 신경세포는 전기 또는 화학적으로 흥분한다.

다른 세포들과 유사하게 input 을 받아서 output을 내는데, 신경세포는 input과 output이 둘다 신호에 해당하고, 다른 세포의 경우 신체의 어떤 상태를 센싱해서 효소 등을 output으로 분비한다.

- Dendritic spine

Dendritic spine 은 다른 신경세포와의 커뮤니케이션을 위해 생성되는 구조이다. 또한 Filopodium, Thin, Stubby, Mushroom, Cup의 5가지 다양한 형태를 갖으며 조금씩 organell(세포구성물질)이 다르다. (막대기, 홀쭉이, 뚱뚱이, 수나사, 암나사)

Dendritic spine은 신경세포의 dendrite에서 잔가지 같은 게 튀어나온 구조이다. 크기는 보통 0.5~2 마이크로미터이다. 그래서 보통 1마이크로미터당 1~10개의 스파인이 존재한다. 즉 매우 촘촘하게 잔가지들이 튀어나옴. 이 잔가지의 부피는 0.01마이크로세제곱미터로 매우작기때문에 외부의 작은 변화에 민감하게 반응한다.
(Dendritic spine은 거의 dendrite-수상돌기에 붙어있는 잔털 내지는 실타래 같은게 나온 것임)

대부분의 흥분성 시냅스에 dendritic spine이 존재하며 이런 spiny 한 neuron은 고등동물에 주로 발견된다.

즉 이는 뉴런의 커뮤니케이션을 왕성하기 위한 구조로 보이며, 고등한 지능을 담당하는 역할을 한다고 보여진다.
만약 이 spine의 모양에 문제가 있으면 정신장애가 생긴다.

ex) 자폐증 : spine의 개수가 너무 많음.
정신분열 : spine의 개수가 너무 적음.
치매 : spine의 개수가 급격히 줄어듬.
동면중인 동물 : spine의 개수가 40%감소, 동면이 끝나면 다시 원상복구

특히 이 spine의 개수는 유아기에 가장 많앗다가, 사춘기부터 점점 줄어들어 성인이되면 일정숫자로 고정된다. 즉 일단은 최대한 많은 가지를 만든 다음, 효율성을 위해 필요없는 잔가지들이 사라지는 것으로 보인다.

[책 강의 자료 ppt에서 퍼옴]

- Cytoskeleton

사이토스켈레톤은 신경세포의 모양을 형성하는 기초 구조이다. (세포막은 그냥 비누막 같은 것으로 이런 뼈대가 없으면 구조가 생길 수 없다.)

외부신호가 들어오면 이러한 actin cytoskeleton을 변화시켜 발달을 조정한다.(spine을 늘린다 줄인다 등.)

Actin cytoskeleton은 다음의 3가지 종류가 있다.
    Microtubule / Neurofilament / Microfilament

[이것도 그냥 강의 ppt에서 퍼왔음]

Microtubule : 25나노미터의 가장 큰 구조물. 알파와 베타 튜불린이 번갈아 배치되어 있으며, 가운데가 비어있는 원통형 구조이다.13개의 세포가 1바퀴를 이룬다.

Neurofilament : 10나노미터의 중간 크기의 구조물. 모노머 2개가 꼬아져 다이머를 만들고, 다이머 2개가 꼬아져 프로토필라맨트를 만들고, 프로토필라맨트 2개가 프로토피브릴을 만들고, 프로토피브릴 3개가 꼬여져 최종적으로 뉴로필라맨트를 형성한다. 마치 짚을 꼬아 새끼줄을 만들고, 새끼줄을 꼬아 짚신을 만들듯이. (2*2*2*3 = 24개의 모노머가 뉴로필라맨트 1개를 구성)

Microfilament : 7나노미터의 가장 작은 크기의 구조물. 2개의 끈이 helix구조로 꼬여서 만들어져 있다.

이러한 3종류의 polymer를 이용해 다양한 크기와 모양을 구성할 수 있다.

- Axon의 구조와 Axonal transport
Axon은 microtubule 여러개가 나란히 기둥처럼 서 있고, 이 기둥들을 뉴로필라맨트가 묶고있는 모양이다. 그리고 이러한 microtubule안에 비어있는 공간은 앞서 언급했던 dendrite와 soma에서 생산한 단백즐을 패킹하여 axon까지 보내는 통도로 쓰인다.(한마디로 고속도로임)
이러한 axonal transport가 없으면 axon의 매우 길고 긴 끝부분까지 세포내 단백들을 농도차에 의해서 수송하는 것은 너무나 느리다.

그런데 이 axonal transport를 가능하게 하는 것은 motor protein이라는 일종의 화물차에 의해서 일어난다. 즉 microtubule이라는 고속도로를 motor protein이라는 화물차가 단백질들을 싣고 axon의 끝부분까지 수송하는 것이다.

또 한가지 생각해보면 axon까지 보내기만하고, 되돌아오지 않으면 쓰고 남은 단백질 찌꺼기들을 어떻게 처리하겠는가? 그래서 당연히 다시 역방향으로 찌꺼기들을 싣고오는 것도 존재한다. (axon에게 미토콘드리아를 합성해서 보낸다음, 수명이다한 미토콘드리아를 회수해서 재활용한다.)

Anterograde transport : soma에서 axon 방향으로의 물질 수송 (정방향)
Retrograde transport : axon에서 soma 방향으로의 물질 수송 (역방향)

또한 급하게 필요한, 유통기한이 짧은 단백질도 있고 그렇지 않은 유통기한이 긴 단백질도 있다. 그래서 특급배송과 일반배송 2가지로 나뉜다.

Fast axonal transport : 2~5 마이크로미터 / s
Slow axonal transport : 0.002~0.1 마이크로미터 / s

이때 anterograde transport를 하는 mortor 단백질은 다음과 같다. -> KIF5A / KIF1A / KIF13A
마찬가지로 retrograde transport를 하는 mortor 단백질은 다음과 같다. -> Dynein

구조는 서로 유사하며 Cargo(화물)를 싣는 부위(트렁크), microtubule과 맞닿는 부위(바퀴), ATP를 이용해 움직이는(엔진)으로 구성되어 있으며, 오직 한 쪽 방향으로 밖에 못움직인다. (양쪽으로 갔다간 누가 중간에 역주행하면 교통사고가 나겠지)

(Amyloid plague : 아밀로이드 플라그는 치매를 일으키는 물질이다. 이 물질은 신경독소로 신경세포를 죽게만든다.)

- 실험

코의 후각세포는 바이러스가 신경을 통해 뇌로 침투하는 가장 쉬운 경로이다.

바이러스를 쥐의 후각 세포에 바이러스를 넣고, 이 바이러스를 표지할 수 있는 단백질을 사용해서 anterograde의 경로를 추적하는 실험을 했다. 그렇게 신경세포를 통해 바이러스가 쭉 이동하는 것을 보고 뉴런의 구조를 연구하였다.

갑오징어의 매우 굵은 신경세포를 이용해서도 anterograde를 통해 물질(mRNA+proteins로 구성된 mRNA granule)이 실제로 이동하는 것을 실험하였다.

- 신경세포와 신경교세포의 차이

애초에 신경조직은 신경세포와 신경교세포 2종류로 이루어져있다.

그런데 신경교세포(glial cell)은 신경세포(neuron)보다 2~10배 더 개수가 많다.
그러나 신경교세포는 신경세포처럼 실제로 신호를 전달하는 역할을 하지 않는다. 대신 신경세포를 돕는 다양한 역할을 수행한다.

- Myelination
신경교세포는 마치 구리 전선에 고무피복을 감듯이 membrane으로 신경세포의 axon을 감쌓아준다.

 

그러나 모든 axon을 다 담는 것이 아니고, 위처럼 중간중간 밖으로 노출된 부분이 있다. 이부분을 이용해서 action potential이 점프하는 방식으로 매우 빠르게 전달 될 수 있다.

만약 이 myelination이 부족한 돌연변이 쥐는 (신호의 전달이 너무느려서?) 몸을 계속해서 shivering하는 쥐가 된다. (일반쥐의 유전자를 주입했더니, 정상처럼 회복이 되었다고함)

이러한 문제는 사람에게도 발병한다. Charcot Marie Tooth disease라고하며, myelin protein 22가 과다 생산되어 생기는 병으로 걸음걸이가 매우 이상해진다고 한다.

- 이러한 glial cell(신경교세포)는 매우 여러 가지 종류가 있는데 그중에 중요한 것 몇가지만 보자.

Oligodendrocytes : 중추신경에서 여러개의 axon에 myelination을 형성한다.

Schwann cell : 말초신경에서 1개의 axon myelination(수초)를 형성하여 절연 작용을 담당함.

Astrocyte : 별처럼 생긴 모양의 신경교세포로 신경세포 사이의 시냅스가 일정한 환경=항상성 (ex) 신경전달 물질의 일정한 농도)을 유지하도록 신경전달 물질을 uptake하고 release하는 기능을 한다. 
ex) glutamate의 농도를 일정하게 조절함. 농도가 일정하지 않으면 병이 생김

또한 blood brain barrier를 형성하고, 뉴런에 영양소를 공급한다. 

즉, [모세혈관 -> BBB(ependyma cell로 구성) -> 뇌세포] 의 경로로 BBB 필터링을 하며 영양소를 neuron에 공급한다.

Ependymal cell : blood-CSF barrier 을 형성한다.

Microglia : 신경세포이외의 세포를 공격하는 면역 역할을 한다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Neuroglia

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