4월 172009
 

13장이 spinal cord control, 14장은 brain이 그걸 어떻게 control. 이걸 합쳐서 강의를 진행하겠다.

15장도 할 것이다. (중추 신경계. Circutory, neurotransmitter, autonomic nerve system 의 유일한 기회)

 

Spinal cord 에 있는 ventral horn 에 있는 alpha motor neuron system 이 어떻게 muscle 을 움직이는지.          

Alpha motor neuron 은 엄청나게 크다. 적어도 3군데에서부터 input 을 받아들여야 해.

 

Spinal cord 는 궁극적으로는 higher (뇌영역)의 조절을 받긴하지. 그러나 독자적인 프로그램도 있어. Sherrington & Brown 의 실험으로 밝혀졌어.

만일 spinal cord 에 운동을 독자적으로 수행할 수 있는 unit 가 있다면, 뇌로부터 input, influence 가 없어도 뒷다리가 움직인다. Coordinated movement 를 코딩할 수 있는 프로그램이 있다. 그럼에도 그 컨트롤 타워는 brain 에 있어. 이때는 basal ganglia, cerebellum 등도 다 중요해.

 

Somatic motor system : skeletal muscle. Voluntary movement 자의적으로 움직일 수 있는 근육에 모터 커맨드를 내서 움직임을 내는 것. 그게 reflex 되든 그렇지 않든 그것이 spinal cord 의 alpha motor neuron -> contraction 결국 joint 를 중심으로 움직이는 것..

 

Flexion : 굽혀지는것

Extension : 펴지는 것

Abduction : 밖으로 움직이는 것

Adduction : 안쪽으로 움직이는 것

 

Biceps brachii, brachialis : flexors

Traceps brachii, anconeus : Extensors

 

15장에서는 cardiac muscle 이나 smooth muscle 이 나와 의지가 아닌 자율신경계..

여기서는 skeletal muscle.

 

Muscles fiber = muscle cell ; 8~9 개 모여서 근육이 된거에요. 이두박 삼두박은 수천 수만개가 모인 덩어리

 

Alpha motor neuron 의 command 가 muscle cell 에 어떻게 전해지느냐. 이게 question 이다.

쭉 나와서 마지막에 axon terminal 에서 여러 가닥으로 alborization 에.. button 해서 synapse 같 같은 걸.. 중요한 것은 1개. 1개 씩

 

1개의 muscle fiber 는 1개의 흥분 axon branch 로부터 명령을 받는다. (이게 중요한 이슈)

 

Ventral horn 에서 명령이 나오지.. (ppt 외우기) spinal nerve

Spinal cord 에 Somatotopic motor map :

Ventral horn 에서

axial muslces: medial

distal muscles: lateral

flexors: dorsal

extensors: ventral

 

Input 이 있어야지 움직이지.

Pheripheral sensory organ 의 receptor 에서 수집된 sensory 정보가 당연히 spinal cord 에 feeding 되어야지. : Sensory input from muscle spindles

: Cerebral cortex, basal ganglia, cerebellum (higher brain 에서 오는 것)

: interneurons (들어온 정보를 excitatory, inhibitory modulation )

외부 2개, ventral horn 근처의 내부 1개..

결과적으로 3개

 

Alpha motor neuron (굉장히 많은 branch 를 낸다)

Skeletal muscles 몇 개를 innervation 하냐 

 

One alpha motor neuron 이 몇 개를 ? 이게 유명한 term Motor unit!

(당연히 많은게 힘이 크지)

 

eye movement/upright posture (small motor unit generate small force fine or sustained

force)

running/jumping movement (large motor unit  generate powerful force : >1000 fibers/)

 

헷갈릴 수 있는 데 다른 개념 : Motor neuron pool (이두박근에 가는 모든 motor neuron 의 숫자) : 1개의 muscle (이름을 가진 muscle) 움직이는 데 동원되는 모든 motor neuron 의 숫자

the collection of alpha motor neurons that innervate a single muscle (i.e. the biceps brachii)

 

 

Types of motor units

:Fast motor unit (larger motor unit, white muscle) 강력한 힘. 단거리. Tough 한 것. high frequency burst of AP (30-60/s); contract rapidly and powerfully but rapidly fatiguing fibers (little mitochondria); found in jumping muscles of frog, human arm.

 

:Slow motor unit (small motor unit, red muscle)

10 ~ 20AP/s; relatively slow to contract but slowly fatiguing red fibers (a large number of mitochondria, myoglobin). Finger, upright-position muscles and flight muscles (bird).

 

Question 은 뭔가??

Motor neuron 이 muscle 과 link 되는게 Muscle 로부터 cue 가 와서 muscle partner 를 잡는건지 neuron 에서 주도적으로 파트너를 잡는지 그게 궁금해

 

John Eccles 실험 우리 종아리 실험.

 

근육이름 : Gastrocnemius (Fast), Soleus(Slow) 접선을 바꾸었어. 그리고 한참 지났더니 Gastrocnemius 가 slow 가 되고 Soleus 가 fast 가 되버렸다. 결국 cue 는 muscle 이 아니라 neuron 이었다! Conc: Neuronal activity determines the phenotype of muscles

 

기본적인 개념은 끝

 

Muscle force : alpha motor 뉴런이 innervations 된 muscle 에 명령을 줘서 contraction 해서 이게 force 가 된다.

 

어떻게 힘의 강도가 조절이 되느냐 이게 question . 어떤 원칙이 있느냐.

1. Twitch summation : 자극의 빈도가 많으면 많아질수록 비례적으로가 아니라 엄청나게 확 force 가 증가한다는 것 . 이 이유는 첫번째 자극과 두번째 자극 사이가 너무 촘촘해서 수축했던 것이 이완되기 전에 계속 힘을 받아서 : 동산이 엄청나게 커지게 된다.

 

2. Size principle : 10이 필요한 운동 100이 필요한 운동 등이 있는데, 힘이 약한 근육부터 차곡차곡 다 쓴다음에 그 다음에 큰 근육들을 쓰게 된다.

 

 

Twitch summation

X 축은 시간, Y 축은 힘. 공간의 면적이 muscle force 라고 하면 위에 그림은 신경세포로부터 온 자극. 신경세포가 muscle 에 innervations 해서 action potential 을 터뜨리는 frequency 라고 보면 된다.

 

촘촘하게 오면 temporal summation

일정 frequency 이상이 되면 plateau 를 이루게 된다

그러면 그 유명한 term 인 tetanus 라고 한다.

At a still higher frequency, the force produced is greater, but individual twitches are still apparent: unfused tetanus

At the highest rates of motor neuron activation, individual twitches are no longer apparent: fused tetanus (Fig. D below)

 

alpha motor neuron 빈도의 증가 로 가능하다.

 

Slow, Fast fatigue-resistant , Fast fatigable

어떤 운동에 필요한 힘을 동원할 때 작은 unit 보따리부터 다 풀어서 쓰는 것

 

 

지금부터 몇 가지 muscle ,

2가지에 의해 결정 (alpha motor neuron 이 정보를 주고, 받아서 힘을 내는 건 muscle )

이 조합이 안되면 운동을 못하고 질병 그래서 사망

Neuron 이 죽거나 muscle 이 죽는 것

 

Neuropathy(뉴런이 죽는 것), myopathy(근육이 죽는 것)

 

Neuropathy 중 대표적인 것 Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS)

: Alpha motor neuron 이 selective 하게 spinal cord 에서 degeneration

다른 이름은 Lou Gehrig (a famous baseball player)’s disease

숨도 못쉬어서 죽는 거지.

 

 

1. SOD (superoxide dismutase) : familial case

2. Excitotoxicity(흥분성독성) by glutamate : sporadic cases (원인을 모르는)

          Cycad nuts in the island of Guam

          Defective glutamate transporter

          First FDA approved drug (riluzole) is a blocker of glu release

 

SOD mutation : Cytosol 에 있는 anti~~~~` enzyme 인데.. mutation 이 되면.. 더 많은 발생기 산소를 발생시킨다. 발생기 산소를 clear 하는 enzyme 이면서.. mutation 하면 그래

그 주위에 있는 단백질 응축을 만들어버려. Abnormal protein aggregates.

(뭔가 알 수 없는 소리. 단백질이 제대로 안되면 없애주는 것이 어떤어떤 system 이 있는데 그런 system에 총체적인 문제를 일으켜)

 

질병 개선 약물 개발중.. ALS 관련된 SOD mutant 가진 쥐가 막거니 mouse 라고 하는데..

뒷다리를 끊어요.. treadmill 에 걸어.. 치료약을 복용시킨다음에 하면 잉크가 찍히는 게 달라져..
(
위아래 찍으면 coordinated movement를 할수있게된다)

 

Cell death map 을 만들고 그걸 억제하는 인자들을 만들어서. 개선..

 

 

그 다음에 myopathy 가 있지. 대표적으로는 Myasthenia gravis (중증근무력증)

자기 자신 neurotransmitter receptor 에 대한 antibody 가 생성

Ach receptor 에 antibody 가 되서 딱 붙으면 Ach receptor 가 mapping 이 된다. 붙을 자리가 없어서 신호가 전달이 안된다. Autoimmune disease

 

– AhE inhibitor (narrow window, may cause desensitization)

– Suppression of immune system

 

이런 저런 myopathy 가 있어.

Duchenne

Becker muscular dystrophy

 

중요한 것은 Dystrophin : (muscle cell 안에 있고, 단백질의 도움을 받아.. complex에 연결 안테나 같은.. 그런데 만약에

Deletion mutation 같은게 오면 , false mutation 이..되면 10대 20대에 이르러 죽어버려..

(남자에게서 거의 나타난다. 여자는 carrier )

 

Duchenne : 더 심각해 상대적 (양쪽end Nterminal C terminal 쪽 ..severe )

Becker muscular dystrophy : 덜 심각해 (central rod domain.. mild 한 phenotype)

 

Dystrophy

 

The location of deletion in the dystrophin gene influences severity of

muscular dystrophy

Deletion at either end of the gene are associated with more severe

cases of Duchenne and Becker dystrophy

– Deletion in the middle region results in milder Becker dystrophy

 

 

 

Muscle cell 의 구조를 보여준다. Muscle cell 외부는 membrane 이 있고

Sarcolemma 가 싸고 있어, 구멍이 있어. Invegination ? 안으로 들어가는건?

이 들어가는 게 T tubules 라고 해.

중요한 기능이 muscle contraction 이야.

어떤 muscle 이 좌우로 배열이 되서 수축을 해야된다면. 당연히 muscle cell 안에 있는 contractal element 가 좌우로 배열되어야해.. 그래야 powerful 한 force가 나와.

이렇게 일정하게 align 되어있는 것을 myofibril 이라고 한다. ! (Myofibrils 덩어리들이 엄청나게 차있어)

 

Muscle 에서는 endoplasmic reticulum 이 Sarcoplasmic reticulum 이라고 한다. Smooth ER 이다. Myofibril 에 calcium을 mobilaziatoin 할 수 있는 구조다.

 

그러면 어떤 시나리오냐. Neuro muscular junction 에서 alpha motor neuron 이 firing 해서 muscle 에 innervations 하면 이 구멍을 따라서 (openings of T tubules) Sarcoplasmic reticulum 으로 신호를 전해주고 calcium이 나와서 contractal element 가 contraction 한다!!

 

 

Myofibril 을 Sarcoplasmic reticulum 이 싸고있죠. 그리고 그걸 감싸고 있는 T-tubule

T-tubule 에서 평상시에는 전기적인 자극이 오지 않았어. Sarcoplasmic reticulum 의 calcium 통로를 막고 있어

 

1) AP reaches at the sarcolemma.

2) Depolarizing signal gains access to sarcoplasmic reticulum by T tubules

3) Depolarization of T tubules membrane causes conformational changes in proteins that are linked to calcium channels

4) It leads to release of calcium into the cytosol of the muscle cells.

 

 

Sarcolemma 깊숙히 들어가서.. conformational change 로 봉이 빠지면 Ca 이 나오고.. Actin-site 노출시키는데 작동을 하고.. Myosin pad가 계속해서 actin filament 를 쳐내서.. muscle length 가 자꾸 줄어들어서 contraction 된다는 것.

 

Ach 가 항상 존재하는 게 나중에는 없어지죠. Degregation 하는 enzyme 에 의해서. Ca 가 다시 펌핑되서 돌아와. 들어갔던 게 미끄러져 나와. (이완)

 

Contratal element 의 속을 들여다보면 그 단위는 Actin 과 myosin 의 끊임없는 chain 으로 되어.. Z-line 이라는 단백질에 꽂혀 있어. 사이사이에 myosin 이 양쪽에서 M line 을 이루고.. head 가 있는데 (ATPase 다) 이 전체 한 unit 을 Sarcomere 라고 한다. 이 head 에 의해서 Sarcomere 가 자꾸 자꾸 줄어.. 이 다발이 줄어.. contraction 이다.

 

T-tubule 을 통해서 Sarcoplasmic reticulum 을 통해서 Ca나온 뒤에 그것이 contractal element 가 어떻게 activation 이 되느냐. Action polymer 사이사이에 myosin, head ATPase 그래서 Ca가 나와서 sensor 인 Troponin 에 binding 해서 conformational change 로 Actin polymer 를 싸고 있는 Tropomyosin 이고 꼬였던 구조가 풀리면 Active site 에서 head 가 링킹해서 탁탁 쳐주면 (Ca가 없으면 이게 노출이 안되죠.)

 

– The binding of calcium to troponin allows conformational change of tropomyosin leading exposure of active site of actin

– The myosin heads bind to the actin filament.

– Then, the myosin heads (ATPase) rotate causing the filaments to slide with respect to one another.

 

 

이런 background를 가지고 신호가 어떻게 alpha motor neuron 에서 가서 어떤 일이 일어나냐 하는 측면에서 본다.

 

Muscle 과 관계된 Sensory receptor 가 2개가 있어

하나는 muscle spindle 이 있어, 하나는 golgi tendon organ 이야.

모양도 패턴도 다르고 존재하는 위치도 다르다. (어떤 애는 늘어난다는 정보를 줘서 그걸 조절, 어떤 건 그게 짧아주는 걸 정보 알려준다)

 

Muscle spindle (Ia, II):

– information about muscle length (stretch-sensitive)

– elongated structure about 4 – 10 mm in length with swollen center

– runs in parallel with muscle fibers (extrafusal fibers) muscle spindle 껍질을 벗겨서 속을 보면 intrafusal muscle 이 있어. (탄력적인 구조)

 

Golgi tendon organ (Ib): encodes information on muscle tension (굉장히 작은 조그만한. Muscle 과 bone 의 사이에 단단한 구조 golgi tendon 탄탄한 구조.(1편2편3편?)

(contraction-sensitive receptor)

– 1 mm long; located at the junction of muscle and tendon

 

가운데가 볼록하고 양쪽으로 갈수록 tapered 된다.

가운데는 감고 있어서.. 이게 스트레치나 contraction 정보를 1, 2 뉴런들이 가져간다.

그리고 끝부분은 감마 motor neuron 이 innervations 하고 있어

알파모터 뉴런은 extrafusal muscle 을 contraction 하는 거고.

그래서 아마도 감마 motor neuron 은 firing 하면 muscle spindle 이 스트레치 되서 늘어난 근육이 다시 원위치 되는 현상이 일어나요.

 

 

Muscle 이 스트레치 되는 상황에서 muscle spindle 에서 레코딩하고 golgo tendon 에서 레코딩하는 것, stretch 됐을때, contraction 됐을때 각각을 잰 것

When muscle is stretched,

both afferents discharge. However, MS discharge is much more than GTO

 stretch-sensitive

2) When muscle is contracted, spindle is unloaded and falls silent.

GTO discharge increases  contraction-sensitive

 

Muscle 이 늘어나고 있다는 정보는 거의 muscle spindle 로부터 오는 것. 천정에 muscle 을 달아놓고 밑에 추를 달면 추 무게 때문에 근육이 늘어나고 in pararrel 인 intrafusal muscle 도 죽 늘어나지.. 그래서 spindle 이 firing 하는거지. 그런데 golgi tendon organ 은 tendon 근처에 있는 tough 한 구조고 그 힘은 주로 muscle 이라는 탄력적인 구조에 가지 단단한 구조 안에 있는 것에는 힘이 안가는 거지. 그래서 firing 덜해.

 

 

그렇지만 contraction 할때는 반대로 위에서 수축하고 밑에 무거운 추가 있으니까 비로소 golgi tendon organ 에 힘이 가는거지. 하지만 muscle spindle 은 힘이 안가는 거지.

 

 

이제 감마 모터 뉴런에 대한 것 어느 순간에는 원위치로 가야겠죠.

짧아지긴 짧아지는데 원래상태보다는 긴 상태야. 여전히.. (muscle spindle 이 스트레치 된 상태)

 

(여전히 원위치보다는 짧아져 있다는 정보를 줘야하는 거다. 그게 감마모터뉴런의 역할임 -> intrafusal muscle 즉 muscle spindle 을 짧게 만들어주는 거다.. 아니면 그냥 긴게 축 늘어지기만 하겠지)

 

1a afferent 중추신경계로 들어가는게 afferent. 그것이 결과적으로 ventral horn 에 있는 alpha motor neuron 이 수축을 시켜서 원위치 시켜준다.

 

이제 reflex 를 봅시다.

Knee-jerk reflex. myotatic reflex

Extensor muscle.이 작동해야하고 Flexor muscle 은 수축이 되면 안된다. Rubber 해머로 때리면 뒤쪽에 있는 flexor muscle 은 inhibition 이 된다. (이게 interneuron 이 작용하는거지)

spinal cord 에 1a afferent 로 들어가서 팍 찬다. Extension 이 되는 거지. (muscle spindle 이 stretch 로 그걸 알고 정보를 보낸다)

 

interneuron 이 나온다. Alpha motor neuron 의 3가지 input 중 하나에.. rubber hammer 로 쳤더니 그 자극을 muscle spindle 이 늘어났다는 정보를 그것을 1a 2afferent 로 ventral horn 의 alpha motor neuron 을 excitation 시키는데. Inhibitory interneuron 이 흥분되면 그 말단에서는 inhibitory neurotransmitter GABA나 글라이신같은게 나와서 flexor 로 가는 alpha motor neuron 이 inhibition 이 되는 거지.

 

이런 예가 우리의 생활에 여기저기 많아

 

Stretch reflex circuitry.. (기네스.!)

머그 잔을 잡고 스트레치가 일어나지. 맥주를 따르면 따를수록 힘을 계속 주지. (아 이걸 올려야겠다) 그런데 계속 쳐 올려서 떨어뜨리면 안되는거지. Flexor 하면서 extensor 도 해야지.

(올려주는 것과 너무 올리지 않는 것.)

올리는 과정 : flexor 가 firing 해야지. (그러는 동안에 extensor 가 inhibition 이 되지)

그러다가 extensor 가 firing 하고 (flexor가 inhibition 이 된다) 과도하게 수축되고 있다는 정보를 golgi tendon organ 이 정보를 주는 거지. 그래서 flexor 를 억제시키고 extensor 를 촉진시켜.

(reverse myotactic reflex?)

Information 이 diversion 된다. innervate synergic muscles. They simultaneously inhibit the motor neurons that innervate antagonists.

 

 

Flexor reflex 가 있다.

 

압정밟으면 이렇게 오무려야하는거죠, 오른쪽을 오무리면 왼쪽은 펴야죠. 그래야 안 주저앉는거죠. 밟은다리 : flexor 가 수축, 반대쪽 다리 : extensor 가 수축.

 

밟았다는 정보 : flexor muscle 을 수축해서 다리를 굽혔어. 반대쪽의 flexor는 inhibition 했어. 그러면서 extensor 는 수축을 시킨거야. Cross extensor reflex

 

Locomotion 의 케이스가 있어. 닭 목을 쳐도 목이 없는 사이로 뛰어다녀.

Spinal cord level 에서 pattern generator 가 있다는 idea. Rhythmic walking 을 할 수 있는 program.

 

spinal cord can generate rhythmic pattern by i) activating descending brain stem axons or

by ii) applying NMDA on spinal interneurons.

 

Pattern generator 인 interneuron 에 glutamate가 NMDA receptor 에 붙으면 Ca+ 이온이 influx 해서 depolarization 타다닥 튀어서 action potential . 이러는 동안에 Ca+ ..칼슘 채널은 K+채널을 액티베이션시켜서 안에 있는 Ca+ 밖으로 나가서 hyperpolarization 이 된다.

Ca 가 또 다 떨어져서.. K 채널이 닫히면 다시.. glutamate가 칼슘채널을.. 또 타다닥 튀고.

 

이런 과정으로 pattern generating 이 된다.

 

이제. rhythmic walking 이 한자리에서 일어나는지. 보겠다.

어떤 input 이 있어서 flexor 가 activation 되면 .. 타다닥 치고 쉬고..치고 쉬고.. NMDA receptor 와.. alternative 로만 일어나면 다 해결된다.

흥분했을 때, 그 시그널이 가서 pattern activation 도 하고 다른 신호가 갈라져서 inhibitory interneuron 때문에 억제를 시켜서 다른 것은 흥분 안되게 막는.. locomotion.

 

Pattern + 자기가 흥분할 때 다른 것을 억제.

이 글은 스프링노트에서 작성되었습니다.

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