[뇌치유상담/신경신학편(16)] 시냅스 변형, 강화되기도 하고 약화되기도 한다(1)

손매남 박사의 당신의 뇌는 안녕하십니까

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▲시냅스 변형은 반복된 자극이나 특정 경험 후에 시냅스에 실제로 일어나는 물리적, 분자적 변화를 의미한다. ⓒpngtree

시냅스 변형(Synaptic Modification)이란 시냅스 가소성이라는 원리에 따라 실제로 발생한 구체적인 변화 결과를 말한다. 즉, 반복된 자극이나 특정 경험 후에 시냅스에 실제로 일어나는 물리적, 분자적 변화를 의미한다. 이는 관찰 가능하고 측정 가능한 수준의 변화이다.

1) 주요특징
(1) 구조적 변형
∙수상돌기 가시(dendrite spine)가 커지거나 새로 형성된 상태
∙시냅스 접촉 면적의 증가 또는 감소

(2) 기능적 변형
∙시냅스 말단에서 신경전달물질의 방출량이 증가된 상태
∙특정 시냅스에 수용체(예:AMPA, NMDA)의 수가 증가된 상태, 밀도의 변화

(3) 시간 스케일
∙단기(초, 분) : 시냅스 촉진, 억압
∙장기(시간-평생) : 장기강화((LTP), 장기억압(LTD)

시냅스 변형은 가소성이 실제로 구현되는 현장 수준의 사건이라고 설명할 수 있다. 시냅스 변형은 1000분의 1초 단위로 일어나고 시냅스 가지돌기는 몇 시간 안에 생성되었다가 파괴되며, 새로운 세포들은 며칠 단위로 태어났다가 죽는다.

훨씬 긴 시간에 걸쳐 진행되는 신경가소성 유형도 있다. 예를 들어 뇌는 아동기 말에서 청년기 초까지 가소성이 장기간 높은 수준으로 유지된 상태로 발달하고, 시력 또한 청력을 잃거나 뇌가 손상되었을 때에는 수주, 수개월, 수년 동안 서서히 변화가 유도된다.

2) 주요 수용체의 역할

시냅스 후 뉴런의 막에는 두 가지 주요한 글루타메이트 수용체가 존재한다.

∙AMPA 수용체 : 글루타메이트가 결핍하면 나트륨(Na+) 이온을 통과시켜 세포를 탈분극시킨다

∙NMDA 수용체 : 평상시에는 마그네슘이온(Mg2+)이 통로를 막고 있어 이온이 통과하지 못한다. 하지만 강한 자극으로 세포막이 충분히 탈분극되면 마그네슘이온(Mg2+)이 빠져나가며 칼슘이온(Ca2+)을 유입시킨다.

시냅스 변형은 크게 두 가지 방향으로 나타난다. 자극의 빈도와 강도에 따라 연결이 강화되기도 하고 약화되기도 한다. 고빈도의 자극이 반복될 때는 장기강화, 저빈도의 자극이 지속될 때 장기억압(LTD)으로 나타난다.

보통 시냅스에는 AMPA 수용체와 NMDA 수용체가 함께 존재하며 서로 보완적인 역할을 수행한다. AMPA는 일상적인 뇌 활동의 기본신호를 담당한다. NMDA 수용체는 강한 자극이 올 때만 활성화되어 학습을 유도한다.

3) AMPA 수용체의 역할

우리 뇌 안에서는 이 수용체가 AMPA(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid)가 아닌 글루타메이트(Glutamate)라는 흥분성 신경전달물질에 반응하여 작동하기 때문에 넓게는 이오노트로픽 글루타메이트 수용체의 한 종류로 분류된다. AMPA 수용체는 중추신경계에서 빠른 흥분성 신호전달을 담당하는 핵심요소이다.

∙신호전달의 시작 : 신경세포에서 글루타메이트가 방출되어 AMPA 수용체와 결합하면, 수용체 내부의 통로가 열리며 나트륨이온(Na+) 등이 세포 안으로 유입된다. 이 과정에서 세포의 전위가 바뀌어 전기적 신호가 전달된다.

∙시냅스 가속성 : 학습이나 기억과정에서 시냅스의 연결 강도가 변하는 것을 시냅스 가소성이라고 한다. AMPA 수용체의 수가 시냅스에 많아지거나 적어짐에 따라 신호전달효율이 결정되며, 이는 장기기억(LTP)와 같은 기억형성의 기초가 된다.

▲특정 약물의 부작용이나 영양학적인 관점에서의 NMDA 수용체의 기능을 최적화하고 신경독성을 방지하는 것은 인지기능 유지와 뇌건강 관리에 매우 중요하다. ⓒpngtree

4) NMDA 수용체의 역할

NMDA(N-methyl-D-asparatate receptor) 수용체는 신경세포 간의 신호전달 뿐만 아니라, 학습과 기억의 생물학적 토대를 형성하는 가장 중요한 수용체 중 하나이다. 이 수용체는 독특하게도 ‘화학적관문’과 ‘전기적관문’이 모두 열려야만 작동하는 이중자격 검문소 역할을 한다.

NMDA 수용체의 구체적인 역할과 작동기전은 다음과 같다.

(1) 일치 탐지기(Coincidence Detector) 역할

NMDA 수용체는 두가지 조건이 동시에 만족될 때만 통로를 연다.

∙화학적 조건 : 시냅스 전 뉴런에서 신경전달물질인 글루타메이트가 방출되어 결합해야 한다.

∙전기적 조건 : 시냅스 후 뉴런이 충분히 탈분극(전기적으로 활성화) 되어야 한다. 평소에는 마그네슘이온(Mg2+)이 통로를 꽉 막고 있는데, 세포가 활성화 되어야만 이 이온이 튕겨나가며 통로가 확보된다.

(2) 칼슘이온(Ca2+)의 유입통로

통로가 열리면 나트륨(Na+) 뿐만 아니라 칼슘이온(Ca2+)이 세포 안으로 들어온다. 이 칼슘 유입이 NMDA 수용체만이 가진 핵심적인 차별점이다.

∙세포 내로 들어온 칼슘은 단순한 전기신호를 넘어 세포 내부의 유전자 발현과 단백질 합성을 조절하는 신호탄 역할을 한다.

∙이 신호에 의해 앞서 설명해 드린 시냅스 가소성(LTD)이 유도된다.

(3) 기억의 형성 및 유지

NMDA 수용체는 일시적인 자극을 장기적 변화로 바꾸는 ‘스위치’이다.

∙장기강화(LTD) 유도 : 칼슘 신호를 통해 시냅스의 연결을 물리적으로 강화하여 기억이 저장되도록 돕는다.