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신경흥분의 전도와 활동전압
신경흥분의 전도는 신경세포(뉴런)가 전기적 신호를 통해 정보를 전달하는 과정입니다. 이 과정의 핵심은 활동전압(action potential)으로, 이는 뉴런의 세포막에서 전압 의존성 이온 채널의 활성화에 의해 발생합니다.
1. 신경흥분의 기본 원리
- 뉴런은 자극을 받으면 막전위(membrane potential)의 변화를 통해 신호를 전도합니다.
- 휴지 상태에서는 세포막 내부가 외부에 비해 음전하(-70mV 정도)를 띠고 있습니다. 이를 안정막전위(resting membrane potential)라고 합니다.
- 자극에 의해 안정막전위가 변하면 탈분극(depolarization), 재분극(repolarization), 과분극(hyperpolarization)을 거쳐 신경신호가 전달됩니다.
2. 활동전압의 발생 단계
- 안정막전위
- 뉴런은 세포 내외의 이온 농도 차이로 인해 안정막전위를 유지합니다.
- 내부: K⁺(칼륨) 이온 농도 높음, 외부: Na⁺(나트륨) 이온 농도 높음.
- Na⁺/K⁺ 펌프: ATP를 사용하여 3 Na⁺를 세포 밖으로, 2 K⁺를 세포 안으로 이동시킴.
- 막전위 약 -70mV로 유지.
- 탈분극 (Depolarization)
- 자극이 문턱값(역치, 약 -55mV)를 넘으면 전압 의존성 Na⁺ 채널이 열립니다.
- Na⁺가 세포 안으로 빠르게 유입되어 막전위가 양전하(약 +30mV)로 바뀜.
- 재분극 (Repolarization)
- Na⁺ 채널이 닫히고 전압 의존성 K⁺ 채널이 열립니다.
- K⁺가 세포 밖으로 유출되어 막전위가 음전하로 돌아감.
- 과분극 (Hyperpolarization)
- K⁺ 채널이 천천히 닫히면서 막전위가 -70mV 아래로 내려감.
- 이후 Na⁺/K⁺ 펌프와 누출 채널(leak channel)을 통해 안정막전위로 복귀.
3. 신경흥분의 전도 방식
(1) 비수초 축삭 (Unmyelinated Axon)
- 활동전압이 축삭을 따라 연속적으로 발생.
- 전도 속도가 느림(약 0.5~2 m/s).
(2) 수초 축삭 (Myelinated Axon)
- 란비에 결절(Nodes of Ranvier)에서만 활동전압 발생.
- 신호가 결절 사이를 뛰어넘는 도약전도(saltatory conduction)로 진행.
- 전도 속도가 빠름(최대 120 m/s).
4. 활동전압의 특성
- 실무율(모두 아니면 없음, All-or-None)법칙
- 자극이 문턱값(역치)을 넘으면 활동전압이 발생하며, 강도는 동일합니다.
- 불응기(Refractory Period)
- 활동전압이 진행 중일 때 새로운 신호를 생성할 수 없는 시기.
- 절대불응기: 새로운 활동전압이 절대 발생 불가.
- 상대불응기: 강한 자극이 있을 경우 발생 가능.
5. 임상적 관련
- 탈수초질환: 수초 손상으로 도약전도 속도 감소 (예: 다발성 경화증).
- 전압 의존성 이온 채널 이상: 뇌전증(epilepsy)이나 유전성 근육질환에서 발견됨.
- 마취제 작용: 국소마취제(리도카인 등)는 Na⁺ 채널을 차단해 신경전도를 억제함.
결론
신경흥분의 전도와 활동전압은 신경계의 기본적인 신호 전달 메커니즘입니다. 이를 통해 신체의 감각, 운동, 자율 조절 기능이 가능하며, 정상적인 이온 채널의 기능이 필수적입니다.
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