/ NEUROSCIENCE

Chapter 04 :: Synaptic Transmission

Neuroscience Index




Synaptic Transmission


Synapse 란 뉴런과 뉴런 사이에 정보가 전달되는 연결 지점을 뜻한다.

전달 방식 ( 화학적 vs. 전기적 ) 에 대해 여러 논쟁이 있었지만 The Loewl Experimental 을 통해 화학적으로 신호가 전달된다는 사실을 증명해냈다.

1950년대에 전기적으로도 신호가 전달된다는 사실도 밝혀냈다.


Neurotransmitter - 신경전달물질


[ Electrical synapse ]


Synapse 에서 전기 신호를 화학 물질 ( 신경전달물질 ) 로 전환하지 않고 바로 신호를 전달하는 기작

캡처

세포와 세포 사이에는 Gap junction 이라는 Channel 이 있고 Pore size 는 1-2 nm 이다.

6 개의 connexins 로 1개의 connexon 을 만들고, 2개의 connexon 이 모여 Gap junction 을 만들어낸다.

신호를 한 방향으로만 전달이 가능한 Chemical synapse 와는 달리 양 방향으로 전달이 가능해 Bidirectional 하다고 한다.

즉, Electrically coupled 하다는 것이다.

전기적 시냅스에는 장점과 단점이 있다.

장점 :

  1. 화학적 시냅스에 비해 전달 속도가 빠르다.


물건을 구매했을 때 배송 대행지를 걸쳐서 오는 것이 화학적 시냅스이고,

직배송으로 한 번에 집으로 택배가 오는 것은 전기적 시냅스이다.


  1. 여러 개의 뉴런이 서로 전기적으로 연결되어 있다면 Bidirectional 하기 때문에 하나의 뉴런이 흥분하게 되면 주변의 다른 뉴런들도 동시에 흥분할 수 있다.

    또한 동시다발적인 반응을 한 번에 통제할 수도 있다.

이에 수정란에서 배아로의 발달 ( Early embryonic stages ), 뇌의 발생 과정 ( Brain development ) 과 같은 빠른 반응이 필요할 때 전기적 시냅스는 매우 유용하다.

심근 세포의 경우 서로 Gap junction 으로 연결되어 있기 때문에 심근을 동시에 수축시킬 수 있어 원활한 심장 박동이 가능한 것이다.

단점 :

  1. Postsynaptic potential (PSPs) 이 1mV 밖에 되지 않는다.

역치 이상을 넘지 못했기 때문에 탈분극이 일어날 수 없고 자극을 전달할 수 없게 된다.

그래서 다수의 자극이 동시에 통합되어야만 Action potential 이 형성된다.

이것이 Synaptic integration 이다.

[ Chemical synapse ]


우리가 흔히 알고 있는 화학적 시냅스이다.

화학적 시냅스를 두 분류로 나누어 설명할 것이다. 물론 더 세분화하여 분류할 수도 있다.

  • CNS Synapses ( 중추 신경계의 시냅스 )

Axodendritic : Axon to Dendrite

Axosomatic : Axon to Cell body

Axoaxonic : Axon to Axon

Dendrodendritic : Dendrite to Dendrite

Gray’s type Ⅰ : Asymmetrical (비대칭) , Excitatory (흥분성)

Gray’s type Ⅱ : Symmetrical (대칭) , Inhibitory (억제성)

Categories+of+CNS+membrane+differentiations

  • The Neuromuscular Junction (NMJ)

The Neuromuscular Junction ( 신경근 이음부 ) 즉, 우리가 수의적으로 근육을 움직일 수 있는 골격근을 생각하면 된다.

뇌의 시냅스와 차이점은 있지만 일반적인 부분에 있어 비슷한 원리가 적용되고 우리 몸에서 발견할 수 있는 가장 큰 시냅스라 관찰에 용이하기 때문에 연구에 자주 쓰인다.

또한 NMJ 에서만 발견되는 Junctional fold 가 있다.

→ 표면적을 넓히면 Receptor 가 다수 존재하게 되고 최대 효율로 Neurotransmitter 를 수용할 수 있게 된다. Ex) 소장 내벽의 융털과 비슷한 원리

[ Neurotransmitter synthesis ]


신경 전달 물질의 분류와 어떻게 합성되고 저장되는지에 대해 알아보겠다.


  • Amino acids : Glutamate, Glycine, GABA

  • Amines : Dopamine (DA), Acetylcholine (ACh), Histamine, Epinephrine, Serotonine

  • Peptides : Dynorphin, Enkephalins

Amino acids 와 Amines 계열 : Axon terminal 에서 Precursor molecule 로부터 Synthetic enzyme 에 의해 Neurotransmitter 가 합성되고, 수송 단백질에 의해 Synaptic vesicle 에 저장된다.

Peptides 계열 : 결국 단백질 구조이기 때문에 Ribosome 이 존재하는 Rough ER 에서 합성되고 Golgi apparatus 에서 유래된 Secretory granules 에 저장된다.

[ Neurotransmitter spills into synaptic cleft ]


Exocytosis (세포외 배출) : Synaptic vesicle 이 Presynaptic axon terminal 과 결합하여 내용물을 밖으로 방출하는 현상

Voltage-gated Calcium channel 이 열려 Ca2+ 가 Presynaptic 안쪽으로 들어오게 되고 Vesicles 의 방출을 유도한다.

cytosis

Endocytosis (세포내이입) 에 의해 Vesicle membrane 이 다시 recovered 된다.

[ Binds to postsynaptic receptors ]


지금 다루는 내용에 대해 단어 정도만 알아두면 충분하다.

다음 장에서 더욱 자세히 다룰 것이다.


Neurotransmitter Receptors 를 Effectors 라고도 부른다.

  1. Ionotropic receptor : transmitter 의 결합 유무에 따라 열고 닫히는 Transmitter-gated ion channels

EPSP : Excitatory postsynaptic potential

⇒ membrane potential 의 Depolarization 유도

IPSP : Inhibitory postsynaptic potential

⇒ membrane potential 의 Hyperpolarization 유도

  1. Metabotropic receptor : G-protein 을 활성화시켜 신호를 전달하는 G-protein-coupled receptor

⇒ 느리지만 지속적이다. 또한 다양하게 작용한다.

G proteins 활성화 > G-proteins 가 Effector proteins ( channel, enzyme ) 활성화 > ion channels of second messengers

Metabotropic receptor 즉, G-protein-Coupled receptor 에서 전달되는 Neurotransmitter 효과들을 Metabolic effects 라고 한다.

같은 신경전달물질이지만 결합하는 부위에 따라 정반대의 효과를 보일 수 있다.

대표적인 예로 아세틸콜린 ( ACh) 이 있다. 심장과 결합하면 박동을 차분하게 만들지만 골격근과 결합하면 근육을 각성시킨다.

담배에 니코틴이 있다는 사실은 대부분이 알 것이다. 이 니코틴이 아세틸콜린과 비슷한 구조를 가지고 있기 때문에 아세틸콜린 수용체에 결합할 수 있다.

그래서 취조할 때 담배를 권하는 경우 상대를 차분하게 만들기 위해서이고 운동 선수가 시합 전에 담배를 피는 경우는 운동 능력을 극대화시키기 위함이다.

Autoreceptors ( GPCR )

G-protein coupled receptor 가 Postsynaptic dendrite 에만 존재하는 것이 아닌 Presynaptic axon terminal 에도 존재한다.

이러한 GPCR 은 Synaptic cleft 에 과도한 Neurotransmitter 가 분비되었을 경우 Safety valve 역할을 수행한다.

[ Removal of neurotransmitter from synaptic cleft ]


  1. Diffusion

  2. Reuptake : Neurotransmitter re-enters presynaptic axon terminal ( by Transporter )

    → Synaptic vesicle 안에 Neurotransmitter 을 운반하는 Transport protein 과는 다른 Synaptic Cleft 에 존재하는 Transporter 이다.

해당 기작의 목적은 둔감화 ( Desensitization ) 를 방지하기 위해서이다.

→ Synaptic Cleft 에 다량의 Neurotransmitter 가 남아있지만 Channel 이 닫히는 상태, 정말 필요한 순간에 신호가 전달이 돼도 반응을 안함. ex ) 마약

[ Synaptic Integration ]


Quantal analysis of EPSPs ( Synaptic Integration 을 양자역학에 빗대어 수학적으로 분석 )

Synaptic Transmission 에서 기본적인 단위를 Synaptic vesicles 로 정함. 이를 Quantum 이라고 명명

Miniature ( =mini ) : 각각의 Synaptic vesicle 이 postsynaptic potential 에 전달할 수 있는 신호 하나하나를 뜻함. ( Depolarization or Hyperpolarization )

Quantal analysis : Synaptic vesicle 의 수를 알 수 있다면 전달되는 Postsynaptic potential 을 알 수 있다.

Neuromuscular junction : 신호가 전달될 때 대략 200 synaptic vesicles, EPSP of 40 mV or more.

따라서 single vesicle 이 유도할 수 있는 Postsynaptic potential 의 크기가 매우 작다. 그렇기 때문에 Synaptic vesicle 이 충분히 모여야 한다. NMJ 라서 이 정도의 크기를 가질 수 있지만 CNS 에서는

CNS synapse : single vesicle, EPSP of few tenths of a millivolt 즉, 충분한 Inhibition, Excitation 을 가져올 수 없다. 따라서 여러 개의 신호들을 합쳐야 한다. 이것이 Synaptic Integration 이다.

[ EPSP summation ]


⇒ Allows for neurons to perform sophisticated computations. ex) 다양한 맛을 동시에 표현 가능

Spatial integration : EPSP generated simultaneously in different spaces ( 다른 공간에서 동시에 EPSP 가 발생 )

Temporal integration : EPSP generated at same synapse in rapid succession ( 같은 공간에서 빠르게 연속적으로 EPSP 가 발생 )

Different-cases-of-IPSP-and-EPSP-summation-12

[ Synaptic integration 에 Dendrite 의 구조가 기여하는 바에 대하여 ]


Dendrite ( 입력부 ) 도 전선처럼 저항이 존재하기 때문에 최초 신호를 받아들인 부분에서부터 신호를 전달함에 따라 그 신호의 세기는 감소할 것이다.

Vx = Vo / e (x / λ)

λ : Dendritic length constant

Dendrite 가 단순 구조가 아닌 매우 복잡한 구조를 가지고 있기에 더욱 복잡한 Integration 을 한다.

또한 신호가 전달됨에 따라 membrane potential 의 변화를 감지한 여러 채널들이 증폭기로써 작용한다.

[ IPSPs and Shunting Inhibition ] 흥분성 시냅스 억제성 시냅스


Shunting Inhibition : Soma 에서 Axon hillock 으로 흐르는 전류를 억제시킨다.

Inhibitory synapse 는 Soma 나 Axon hillock 근처에 존재한다. ( Clustered on soma and near axon hillock )

왜냐하면 과도한 흥분을 들어왔을 때 부작용이 생기지 않도록 조절하기 위해서이다.

[ 참고 문헌 ]


Gap junction Channel ( https://link.springer.com/article/10.1007/s00018-019-03285-0 )

Exocytosis ( http://lifeofplant.blogspot.com/2011/04/endocytosis-and-exocytosis.html )

EPSP, IPSP summation ( https://www.researchgate.net/figure/Different-cases-of-IPSP-and-EPSP-summation-12_fig4_308369018 )