시냅스(synapse)로 보는 신경해부학(neuroanatomy)

 신경해부학(neuroanatomy)을 다루는 데에 있어서 시냅스(synapse)에 대한 내용은 빠질 수 없습니다. 알다시피 시냅스(synapse)는 서로 다른 뉴런(neuron)들이 연접(junction)하게 되는 공간(space)입니다. 이 공간(space) 안에서 이루어지는 특정한 역할은, 우리가 알고 있는 신경(nerve)의 기능(function)을 여실히 반영하게 됩니다. 때문에 신경(nerve)을 이해하기 위해서는, 여러 구조물(structure)들과 더불어 시냅스(synapse)에 대한 선행적인 이해가 필요합니다.
 이를 위해서 이번 글에서는 시냅스(synapse)로 보는 신경해부학적인 이야기(neuroanatomical stroy)를 시작합니다.

 

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 시냅스(synapse), 뉴런(neuron)의 접점(point of contact)

 시냅스(synapse)란, 뉴런(neuron)끼리 접하게 되는 접점(point of contact)이라 할 수 있습니다. 그러니까 서로 다른 뉴런(neuron)끼리 만나게 되는 장소인 셈입니다.
 중요한 건 뉴런(neuron)이 시냅스(synapse)를 이룰 때, 일정한 배열적인 규칙성을 지닙니다. 이것은 접점(point of contact) 영역(area)에서 개별적인 뉴런(neuron)의 수상돌기(dendrite)와 축삭돌기(axon)가 맞닿게 됩니다. 그래야만 뉴런(neuron)들끼리 소통할 수 있는 구조(structure)를 형성할 수 있기 때문입니다.

운동전문가를 위한 뉴런(neuron) 신경세포(nerve cell)의 이해

 단일 뉴런(neuron)의 구조(structure) 중 수상돌기(dendrite)는 자극(stimulation)을 받아들이는(input) 구조물(structure)인 반면, 축삭돌기(axon)는 자극(stimulation)을 내보내는(output) 구조물(structure)입니다. 그렇기 때문에 자극(stimulation)을 이동시키는 과정에서 목표한 지점(area)까지 전달(delivery)하기 위해서는 수상돌기(dendrite)와 축삭돌기(axon)가 연속된 형태로 이어져야만 합니다. 이때 서로 다른 뉴런(neuron)끼리 인접하게 되는 장소가 아까 얘기했듯이 시냅스(synapse)가 되는 것이고, 시냅스(synapse)는 물리적으로  뉴런(neuron)끼리 완전히 닿아있는 장소는 아닙니다.

 시냅스(synapse)에서 발생되는 신경전달(nerve delivery)

 앞서 자극(stimulation)을 이동시키는 과정에서 수상돌기(dendrite)와 축삭돌기(axon)가 연속된 형태로 이어지게 됨을 이야기했는데, 자극(stimulation)의 이동은 단일 뉴런(neuron) 내에서도 발생되지만, 그보다는 서로 다른 뉴런(neuron) 사이에서 발생하는 자극(stimulation)의 이동이 더욱 중요합니다. 이때에는 단일 뉴런(neuron) 내에서 발생되는 전기적인 신호(electrical signal) 이외에도 화학적인 신호(chemical signal)가 필요하기 때문입니다. 그리고 이러한 현상은 시냅스(synapse)에서 발생되기 때문입니다.
 시냅스(synapse) 전 뉴런(pre-neuron)에서 전기적인 신호(electrical signal)를 발생시켜 자극(stimulation)을 인접 뉴런(adjacent neuron)에 이동시킬 때에는 전기적인 신호(electrical signal)는 시냅스(synapse) 후 뉴런(post-neuron)에게 먹히지 않습니다. 이것을 보완하고 대체하는 과정에서 시냅스(synapse) 전 뉴런(pre-neuron)의 말단 영역(distal area)에서 재빠르게 신경전달물질(neurotransmitter)을 분비(secretion)하게 됩니다. 이것은 시냅스(synapse) 후 뉴런(post-neuron)에 대해, 해당 뉴런(neuron)이 지니고 있는 신경전달물질 수용체(neurotransmitter receptor)에 결합(connection)하여 화학적인 신호(chemical signal)로써 자극(stimulation)을 받아들이게 됩니다.(input) 이로써 시냅스(synapse) 전 뉴런(pre-neuron)의 단계에서 진행되어오던 특정한 자극(stimulation)들을 받아들일 수 있게 되는 것입니다.(input)

운동 자극(training stimulation)으로 분비(secretion)되는 신경전달물질(neurotransmitter)

 아직까지도 전부 밝혀지지 않은 신경전달물질(neurotransmitter)

 예전에 운동(training)과 같은 외부적이면서 의도적인 자극(stimulation)을 통해 분비(secretion)되는 신경전달물질(neurotransmitter)의 유형(type)과 기능(function)을 다루었던 적이 있습니다. 하지만 인류가 알고 있는 신경전달물질(neurotransmitter)은 아직까지도 인체 내에 존재하고 있는 신경전달물질(neurotransmitter) 중 일부분일 뿐입니다. 학계에서는 아직까지 밝혀지지 않은 신경전달물질(neurotransmitter)이 여전히 많이 존재하고 있다고 합니다.
 신경해부학(neuroanatomy)에서 다루게 되는 신경전달물질(neurotransmitter) 중 가장 대표적인 신경전달물질(neurotransmitter)은 아세틸콜린(acetylcholine)입니다. 아세틸콜린(acetylcholine)이 유명한 이유는 인체 내의 다양한 영역(area)에서 활용(application)되기 때문이며, 특히 운동전문가에게 있어서는 근육(muscle)이 수축(contraction)하고 활동(activity)하는 데에 있어 기본적인 신경 자원(nervous resource)이 되기 때문입니다. 아세틸콜린(acetylcholine)은 근육(muscle)을 흥분(excitement)시켜 수축(contraction)을 일으키게 만드는 화학물질(chemical substance)입니다. 물론 이 이외에도 자율신경계(autonomic nervous system)의 여러 기능(function)에도 관여됩니다. 가령 사소한 기분이나 감정 상태(feeling & emotion state), 그리고 소화나 배뇨 작용(digestion & urination action)에도 영향을 주게 되는 화학물질(chemical substance)입니다. 그만큼 아세틸콜린(acetylcholine)은 인체 내에서 그 쓰임새가 아주 다양합니다.

 그것을 흥분(excitement)시키거나, 또는 억제(inhibition)시키거나

 수많은 신경전달(delivery)물질이 개별적으로 작용하게 되는 인체의 영역(area)과 기능(function)은 상이할지라도, 그들 모두는 넓은 범주에서 흥분(excitement), 또는 억제(inhibition)의 역할의 자원(resource)이 됩니다. 그러니까 앞서 뉴런(neuron)과 뉴런(neuron)들끼리 만나게 되는 공간(space)인 시냅스(synapse)를 소개했을 때 이야기했던 것처럼, 특정한 신호(signal)를 뉴런(neuron)들끼리 주고받으며 소통하는 과정에서 전기적인 신호(electrical signal) 못지않게 화학적인 신호(chemical signal) 또한 연속적으로 발현되는 만큼, 특정한 신호(signal)에 따라 무언가 특이적인 반응(reaction)을 일으키기 위해 흥분(excitement)을 시키거나, 혹은 억제(inhibition)시키게 만듭니다. 이것을 쉽게 표현하자면 스위치가 같은 역할을 수행하는 것입니다.
 우리는 전자제품을 의도하는 대로 켜거나 끌 수 있습니다. 그러나 아주 당연스럽게도 아무 이유 없이 켜거나 끄지는 않을 것이며, 필요할 때에는 사용하기 위해서 전원을 켤 것이며, 반대로 필요하지 않을 때에는 사용하지 않기 위해서 전원을 끌 것입니다. 이와 같은 역할을 하는 것이 바로 신경전달물질(neurotransmitter)의 기본적인 기능(basic function)인 셈입니다.
 그래서 무언가 흥분(excitement)을 시키게 하는 뉴런(neuron)을 흥분성 뉴런(excitability neuron)으로, 그리고 무언가 억제(inhibition)를 시키게 하는 뉴런(neuron)을 억제성 뉴런(inhibitory neuron)이라 부릅니다. 결과적으로 내분비계(endocrine system)와 같은 영역(area)에서도, 혹은 근골격계(musculoskeletal system)와 같은 영역(area)에서도 길항작용(antagonism)을 일으키는 구조물(structure)들이 동시에 존재하여 인체의 항상성(homeostasis)을 유지(maintain)하는 차원에서 균형(balance)을 잡아주는 것처럼, 신경계(nervous system)에서도 신경 기능(nervous function)의 균형(balance)을 잡아주게 만드는 것 중 하나가 신경전달(delivery)물질인 셈입니다.

뉴런(neuron)의 구조(structure)와 기능(function)이 변해가는 신경가소성(neuroplasticity)

운동제어(motor control)를 위해 운동학습(motor learning)을 일으키는 뇌의 기능(brain function)

 시냅스(synapse)는 신경회로망(nervous network)과 같다.

 제 글을 오래전부터 구독하신 분이라면, 얼마나 다양한 주제로 신경(nerve)에 대한 이야기를 다루었는지 잘 알고 계실 겁니다. 그중 비유적으로 항상 강조했던 표현 중 하나는 신경의 지도화(neuro mapping)였습니다. 이것은 뇌(brain)와 더불어 뉴런(neuron)이 지도화(mapping)되어있음을, 그리고 계속해서 일생 동안 가변적으로 지도화(mapping)되어감을 제시하는 표현이었습니다. 마치 우리가 일상생활 중에서 실제로 접해왔던 문서상의 지도(map)나 내비게이션(navigation)처럼 말입니다. (이에 대한 더욱 구체적인 내용은 위에 링크를 걸어둔 포스팅에서 확인할 수 있습니다.)
 중요한 것은 신경(nerve)이 지도화(mapping)되어가는 과정에서 시냅스(synapse) 또한 마찬가지로 지도화(mapping)되어있다는 사실입니다. 실제로 인체 내의 존재하고 있는 뉴런(neuron)들과, 그런 뉴런(neuron)들이 연접(junction)하게 되는 시냅스(synapse)를 포함하여 모든 영역(area)을 시각적으로 부각시켜놓는다면, 마치 특정한 회로망(network)과 같이 형성되어있음을 이해할 수 있습니다. 이것은 신경(nerve)이 지도화(mapping)되어있음을 뒷받침하게 되는 구조적인 특징(structural character)인 동시에, 지도화(mapping)되어있음을 비유적으로 표현한 것과 같이 실제적으로 특정 자극(stimulation) 및 반응(reaction)을 연쇄적으로 일으키기 위한 일련의 연결망(network)인 것을 보여줍니다. 이것을 어떻게 보면 신경계(nervous system)가 이루고 있는 그들만의 특별한 패턴(special pattern)이라고도 생각할 수 있습니다. 그러니까 앞서 서로 다른 뉴런(neuron)들끼리 인접하게 되는 과정에서도 일련의 규칙성이 존재했듯이 (즉, 수상돌기(dendrite)와 축삭돌기(axon)가 연쇄적으로 이어져 신경 라인(neuro line)이 형성되어가는 것처럼), 신경계(nervous system)가 이루고 있는 모든 구조물(structure)들과 개별적인 구조물(structure)들 간에 또 다른 구조물(structure)까지 형성시키는 과정에서 (예를 들어 시냅스(synapse)와 같이) 일정한 형식을 이루게 되는 것입니다. 결과적으로 신경계(nervous system)는 이렇게 구조적인 차원에서부터 패턴화(pattern)되어있는 것이며, 이것은 이미 시냅스(synapse)도 포함되어있는 것입니다.

 신경가소성(neuroplasticity)은 뉴런(neuron)만 변하는 것이 아니다.

 신경가소성(neuroplasticity)은 신경(nerve)이 구조적으로도, 그리고 기능적으로 변화(structural & functional change)하는 성질(properties)이었지만, 이것은 뉴런(neuron)에게만 해당되거나, 또는 특정한 뇌(brain)의 구역(area)에서만 해당되는 것이 아니라, 앞선 것들을 포함한 시냅스(synapse)까지 아우르게 되는 개념입니다.
 이것은 특정한 자극(stimulation)과 반응(reaction)을 일으키기 위해서 시냅스(synapse)를 선택적으로 타고 가야 하기 때문입니다. 중간 여러 이야기들이 제시되어서 잠시 동떨어졌었지만, 우리는 시냅스(synapse) 공간(space)에서 화학적인 신호(chemical signal)로써 자극 신호(stimulation signal)를 변형(transform)시켜 전달(delivery)하고, 이것은 신경전달물질(neurotransmitter)g의 입장에서 흥분(excitement), 또는 억제(inhibition)의 기능(function)을 발휘하기 위해 활용됨을 이야기했습니다. 이렇게 어떤 시냅스(synapse)를 선택하느냐가, 어떤 신경전달물질(neurotransmitter)g의 활성화(activation)를 통해 흥분(excitement), 또는 억제(inhibition)를 일으키느냐가 결정되기 때문에, 신경가소성(neuroplasticity)은 시냅스(synapse)도 포함되는 것입니다.
 본래 가소성(plasticity)이라는 성질(properties)을 본질적으로 이해하고 접근하기 위해서는, 인간이 의식적인 수준(conscious level) 이상으로 무의식적인 수준(unconscious level)에서까지 어떤 방식으로 인체를 유지(maintain)하고 기능(function)하느냐를 이야기해야만 해야만 합니다. 왜냐하면 가소성(plasticity)은 우리가 외부 환경(external environment)에 따라 적응(adaptation)하는 방식으로 가소성(plasticity)의 방향이 결정되기 때문입니다. 그렇기 때문에 이러한 과정에서 신경계(nervous system)는 우리의 기질(disposition)이나 습성(habit) 등의 요인들에 따라 신경의 지도화(neuro mapping)를 그려내고, 이것을 장기적으로 기억화(memory)시킬 것입니다. 이때 이러한 단계들을 진행하는 과정에서 패턴화(pattern)된 시냅스(synapse)의 작용(action)을 연쇄적으로 활용할 것이기 때문에, 시냅스(synapse) 또한 가소성(plasticity)을 일으키게 되는 것입니다.

 좀 더 이야기되어야 할 이야기

 신경계(nervous system)는 인류가 밝혀낸 이야기 중에서도 가장 극소수로 밝혀낸 이야기 중 하나입니다. 이것은 인체의 가장 고위 중추(high central system)인 뇌(brain)를 포함하고 있거니와, 뇌(brain)와 활성화(activation)되어 뉴런(neuron)들과 함께 인체를 조절(control)하는 과정에서 대단히 고차원적이면서 복합적인 양식으로 활동(activity)하기 때문일 것입니다.
 이것은 시냅스(synapse)에게도 통용되는 이야기입니다. 현대의 학자들은 어떤 신경회로망(nervous network)을 빈번하게 사용하느냐에 따라, 그러니까 시냅스(synapse)의 가소성(plasticity)에 따라 뉴런(neuron)들끼리 인접하게 되는 장소에서 흔적과 같은 자취가 남는다고 합니다. 이것은 굉장히 흥미로운 이야기가 아닐 수 없습니다. 그리고 충분히 가능성이 있는 이야기임에도 분명합니다. 우리가 자주 사용하는 신체 부위(region), 혹은 그렇게 자주 사용하여 의도적으로 필요 이상 발달(development)된 신체 부위(region)에서는 과사용(overuse)이나 훈련(training)의 흔적이 남아있습니다. 우리가 자주 짓던 표정(expression)이 얼굴(face)에서 이미 흔적으로 남아있고, 무의식적으로 습관적으로 발현시켰던 동작들이 이미 신체 내에 조직(tissue)들에게 주입(input)되어있는 것처럼 말입니다.
 그만큼 우리는 신경계(nervous system)의 다른 영역(area)을 포함해서, 계속해서 신경(nerve)에 대해 이야기해야 합니다. 그리고 그렇게 진행되는 단계에서는 어떤 식으로는 시냅스(synapse)는 등장될 것입니다.

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김형욱이 읽어주는 '시냅스(synapse)로 보는 신경해부학(neuroanatomy)'

 신경계(nervous system)가 이루고 있는 영역(area) 중 뉴런(neuron)보다 시냅스(synapse)가 압도적으로 풍부합니다. 이것은 뉴런(neuron)들이 만나게 되는 모든 장소를 아우르는 영역(area)이기 때문입니다. 인간의 두뇌(brain)에만 자그마치 약 100조 여개에 달하는 시냅스(synapse)가 존재한다고 합니다. 이렇게 우리가 감히 가늠할 수 없을 정도로 수많은 시냅스 지점(synapse area)이 존재하는 것은 그만큼 이유와 가치가 존재할 것입니다. 그렇기 때문에, 어쩌면 이들의 양상을 살펴보고 이해하기 위해서는 계속해서 시냅스(synapse)를 이야기해야 될 수밖에 없는 것인지도 모릅니다.
 신경해부학(neuroanatomy)을 위해 그중 하나의 영역(area)인 시냅스(synapse)를 이야기했지만, 시냅스(synapse)는 뉴런(neuron)에서 발휘하는 다른 차원에서의 신경 자원(nervous resource, 화학물질(chemical substances)), 그리고 서로 다른 뉴런(neuron)들끼리 한데 공유(sharing)될 수 있는 기능(function), 그리고 다른 신경계(nervous system)의 구조물(structure)들과 더불어 변화해나가는 가소성(plasticity) 등을 내포하고 있기 때문에, 어쩌면 우리는 신경해부학(neuroanatomy)을 위해서 그 어떤 영역(area)보다 시냅스(synapse)를 주목해야 될지도 모릅니다.

 

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시냅스(synapse)로 보는 신경해부학(neuroanatomy)