Chapter 3, chapter 4 인데요.
이제 focus 는 이제 발생history 도 봤고, 세포레벨에서도 봤고, circutory 와 wiring 도 봤으니 이제 이걸 기본으로 해서 굉장히 중요한 question? 그렇게 구성된 circuitory 가 어떤 driving force 로 움직이느냐??
Action potential 이라는 electrical event 나 neurotransmission (chemical transmission) 이 2가지 mode 이것을 이해하는 것
3, 4 는 Action potential event 를 이해하는 것
5 는 Chemical transmission 을 이해 (많은 neurotransmitter , neurotransmitter receptor 얘네들의 action)
이러면 전반적인 신경과학의 흐름을 이해하는 것.
Ch3 는 ion 움직임이 대부분이라서 Ch4 를 통해서 그런 컨셉을 주기로 하겠음.
Action potential 이라는 전기적인 이벤트가 대체 어떤거냐
(AP의 속성, AP의 propagation, AP generating 의 contributors)
Circuitary 내에서 그리고 circuitary 구성하는 신경세포 하나내에서 action potential , chemical transmission 이런게 연결되어있어.
다양한 종류의 신경세포가 있다. Bipolar, pseudo bipolar, multipolar 모양은 다 달라도.
공통적으로 4개 인자, input (dendrite, dendritic spine), integrative(axon hillock), conductile (axonal shaft, threshold 넘으면 all or nothing 으로) , output component (axon terminal 에 synaptic vesicle 도 있고..)
A라는 B라는 C라는 신경세포가 A에서 input 을 받아 integrative conductile output 으로해서.. B도 그런짓을..
Action potential 에 대해서 얘기해봅시다.
Axonal shaft 의 inside 와 outside 를 보여주는 것. Voltage difference 가 생기고 그것을 reversal 시키는 과정이 action potential 이다.
우선 resting membrane potential 을 보자
Membrane potential : voltage difference
바깥쪽이랑 안쪽에 이온의 종류가 동일한 농도로 존재한다면 difference 가 안생기는데 uneven distribution 때문에 생기지. 특히 sodium, potassium, calcium, negative charge chloride ion 이런것들이 안쪽과 바깥이 다른 비율.
Membrane potential: the voltage across the neuronal membrane (Vm)/depends on the ionic concentrations on either side of membrane
Uneven distribution of ions across the membrane: Na+, K+, Ca++, Cl-
Resting membrane potential at – 65 mV: inside the neuron negatively charged
Ion channels and pumps are important maintaining resting membrane potential
바깥쪽에 많은 것이 Na, Ca, Cl, 안쪽에 많은 것이 K 다.
각각의 농도도 다르고. Ratio 도 다르고.. goldman 이나 네? Equation 을 해보면 결과적으로 resting membrane 일때 안쪽이 바깥쪽에 비해서 -65mV 가 된다.
여하튼 membrane potential 과 그것의 reversal 에 중요한 2가지 채널
Voltage dependent sodium channel
Voltage dependent potassium channel
Voltage dependent calcium channel
Voltage difference 를 sensing 해서 특정 이온을 influx 시키거나 efflux 시켜.
Sodium channel 은 one-gene product 가 이런 unit 을 4번 repeat 해서 4개의 열을 만들어서 마치 tetramer 같은, one gene 이런걸 만들고
Potassium channel 4개의 gene product가 각각의 sub-unit 을 만들고 역시 이것도 4개의 면 그렇게 해서 그 사이에 생긴 hole 을 통해서 특정 ion 이 select 가 되고 들락낙락하는 gating 이 된다.
Ion pumps
결론적으로 보면 신경세포가 흥분하면 Sodium 이 influx 해서 안으로 들어와주고 Potassium 이 efflux 해서 나가는 그런 cycle 이 도는데 그게 계속되면 계속해서 sodium은 안에 차고 potassium 은 바깥에 있어야하는데.. 이걸 다시 원상복귀시키기위해서
Sodium Potassium ATPase : 3개의 Sodium 이온이 붙어서 밖으로 나가주고 2개의 Potassium 이 안으로 들어와주는.. 이런 펌프질..
Calcium pump , Ion channel pump 이런 것들이 membrane potential 을 유지시키거나 reversal 되는데 작동을 하지.
이런 백그라운드를 가지고 AP를 보자
Action Potential = AP = spike = impulse = discharge
: resting 에서 안쪽이 -65mv 를 가진 그 상황을 역전시키는 게 AP 다
점점 positive charge 로 결국 흥분됐을때는 안쪽이 positive. Rapidly 급격하게 spike 가 발생해. Millisecond! 순식간에 reversal. 정보를 중단없이 멀리 전달해준다. Axon hillock 에 integration 된 정보를 axon potential 에 전기적인 event 에 info 로 바꿔서 axon terminal 까지 누수나 누전없이 전달해준다.
Question 은 뭐냐. Axonal shaft 를 통해서 가는 information 이 long distance.. 그래서 information 을 어떻게 코딩하냐. ::: “frequency “ and “pattern” frequency 는 정보의 양
Frequency 가 많으면 많을수록 많은양의 neurotransmitter 가 axon terminal 에 터지는거
Dendrite 와 dendritic spine, soma 이런데서 수집된 정보가 axon hillock 에서 integration 되고 그게 threshold 를 넘으면 넘은 양에 비례해서 frequency 로 터져주면 frequency 비례해서 axon terminal 에서 neurotransmitter 가 터져주는 식으로 모든게 correlation 된다.
정보의 내용. Pattern 은
편의상 한 개의 axon 을가지고 얘기하지만 nerve 라는 것은 많은 axon 다발들이 cable 처럼 되있고 이게 가지를 치면서 여기저기 가지. 많은 axon 이 다발 형식으로 있어서 자기가 필요한 곳으로 가는 것. 한 개의 axon 이 한 개의 근육을 건드리는 이런게 아니야!
어떤 nerve 안에 중다발들이 차있고. 중다발 안쪽을 보면 axon 하나하나가 코팅이 되있는 그런식. Axon 하나를 싸고 있는 그것은 endoneurium 그게 일정하게 한다발로 묶인 것을 perineurium 그런 다발들 전체를 싸고있는 connective tissue 를 epineurium 이라고 한다.
Cell body 로부터 terminal 로 가는 이런 flow, question 은
Sensory neuron, pseudo bipolar neuron 같은 경우는 peripheral branch, central branch … skin에서 수집된 정보가 peripheral branch 를 따라서 와서 central branch 로 예를들어 spinal cord 나 brain stem 으로 그 정보가 흘러간다. 그런데 중요한 것은 peripheral branch 도 nature 는 axon 이다. Skin 이나 joint 에서 수집된 정보를 away 가 아니라 cell body 쪽으로 가줘야해. 그다음에 central branch 로 옮겨타야해. (cell body 로 왔다가 cell body에서 멀어지는)
Axon potential 을 어떻게 측정할수있나. 크게 2가지 다른방법
Intracelluar recording, extracellular recording
Detection 을 할 수 있는 electrode 가 있고 그것이 amplifier 에 연결이 되서 oscilloscope 에 peak 로 연결되는 것
Extracellular도 마찬가지
그래서 두개의 차이는 electrode 를 cell 안에 꽂아두었냐. 아니냐
-65mv 가 안쪽,, 바깥은 ground 0 로 되어있고. Positive 로 됐다가 다시 –로..
Extracellular 에서는 cell 바같에다가 놓고 ground , resting state 가 0 mv 이고 axon potential 이 생긴다. 이러면 거꾸로 negative charge 가 됐다가 올라오는.. 그런 식.
주로 교과서는 intracellular recording 이다.
또다른 중요한 방법!!
Patch-clamp method , glass tube 앞쪽을 쭉 잘 뽑아서 opening 이 0.5 마이크로미터로 구멍이 미세한 유리 대공을 측정하고자 하는 신경세포 membrane 에 대고 suction 을 해서 membrane 이 살짝 뽑아져 오는 것 single channel 이지. Size 때문에 suction 이 된 single channel 을 뽑아온, 이렇게 가져올 수 있다는 것 그래서
주로 single channel recording 할때 쓰는 방법 이렇게 어떤 자극을 주었을 때 어떤 이온이 inward current 하는지 outward current 인지 detection 하는지 볼수 있어. 굉장히 유명한 방법
Suction 이 된 상태에서 전체 cell 을 recording : whole cell recording
Single channel recording 할때는 어떻게하냐면 pore 를 membrane 에 대고 suction 후에 그걸 잡아떼버린다. 그 patch 만을 가지고 하는건 single channel recording 이다.
Suction 할때 strong 하게 suction 해서 잡아떼는 방법으로 할때는 outside-out recording 이라고 하고
Mild suction 을 해서 잡아뗄때는 inside-out recording 이라고 해요. 이게 무슨 얘기냐면
Strong section 을 하면 이게 뜯어져서 나오지. 그리고 가만히 놔두면 이게 서로 다시 붙어.
Mild section 을 하면 channel 포함해서 안쪽으로 들어와주고.. 이러면 channel 의 inside 가 outside 에 존재해 (굉장히 중요해)
Outside-out 을 해놓으면 patch 를 해서 single channel 을 꺼내놓은면 요것을 bedding solution 에 담그면, 외부에 자극이 channel 의 outside에 어떻게 걸쳐져서 그게 정보가 어떻게 가느냐 이런걸 연구할수있다.
Inside out 을 하면 뽑아낸걸 채널 inside 에 있는 것이 어떻게 조절되는지를 연구할수있어.
1) outside-out recording: following strong suction and retraction of pipette, end of membrane anneals generating outside-out orientation. : this allows for studying how channel activity is influenced by extracellular signals including NT
2) inside-out recording: mild suction followed by retraction yields a small patch of membrane with its intracellular surface exposed. : this is optimal for studying the influence of intracellular molecules on channel function
거의 모든 신경세포는 membrane 안쪽이 -65mv , resting state
자극이 와서 threshold 를 넘었을 경우 전형적인 action potential peak 모양. 이것이 하나의 action potential., rising phase, overshoot (0를 넘어서는 peak 를 포함).. 그리고 peak 가 종료한뒤에는 falling phase… 그리고 계속 내려가서 -65mv 보다 더 내려가는 undershoot 가 있어.
A plot of Vm versus time (a whole cycle lasts only a few milliseconds)
Resting potential (-65 mV)
Rising phase: a rapid depolarization within a tenth of msec
Overshoot: a period that inside of neuron is positively charged
Falling phase: a rapid repolarization
Undershoot (or after hyperpolarization):
다 아는 과정.
Action potential 을 일으키는 중요한 주체가 positive ion 이 somehow ion channel 을 통해서 세포 안쪽으로 들어와서 -65 를 depolarization 점점점 positive 쪽으로 가게 해준다. 그것을 밝혀내는 과정
Recording electrode 를 intracellular recording.
Inject current 로 positive ion 을 집어넣어줬더니. 이런 peak 가 나온다.
어떤 nature 의 positive ion 이 들어옴으로 인해서 AP가 발생하였다.
(그래서 어떤 ion 이 들어가는 것이 AP를 내는지를 밝히면 된다.)
그러면 어떤 issue 가 있냐 injection current 라는 게 정보의 양이자 내용.
Injection current 의 amplitude 가 다르지. 이 면적이 정보의 양이라고 생각해보면 된다.
그리고 나중에 frequency 비례해서 neurotransmitter 가 터져줄거에요. 굉장히 make sense!
이제 pattern 을 보자!
일단 injection current 를 줬더니 AP의 pattern 이 달라졌어. A, b, c 뉴런의 패턴이 달라.
Frequency 와 pattern 이라는 두가지 중요한 concept .
어떤 positive ion 을 injection current 를 통해 넣어줬더니 넣어준 양이 threshold 를 넘으면 일단 threshold 를 넘은 것은 넣어준 injection current 에 비례하게 frequency 나 pattern 으로 나온다. 여기까지 이해한 것
Rising phase 일때 positive 이온이 뭐냐 falling phase 일때 positive ion 이온을 안쪽에 있는걸 바깥으로 뱉던지. Negative ion 을 안으로 들어오던지 해야지.. 어떤 ion 이 이런 것들이 관여하는지 influx 냐 efflux , 를 봐야해.
Squid 의 giant axon 을 가지고 Hodgkin 이랑 Huxley 가 그런 연구를 했고 그 공로로 노벨상을 타게 됐어. Mm 단위 axon 이 되게 큰거. Giant axon
결론은 axon potential 의 rising phase 일때는 sodium ion 이 관여하여 positive ion 이 influx (밖에 있는 sodium 이온이 안으로 들어와주는 것) , 들어오면 들어올수록 membrane potential 은 reversal , falling phase 일때는 이제 이게 다시 원위치로 repolarization – mv 쪽으로 내려와주어야하는데 따라서 potassium 이온을 potassium ion channel 을 통해서 efflux (안에서 밖으로 내보내는 것) 그러니까 다시 baseline resting state으로 돌아와..
Action potential 이 생길 때 들락날락하는 ion 의 nature 와 이동방향을 밝혀서 노벨상
Eccles 는 spinal cord 의 motor neuron 으로 동일한 걸 밝혔어.
Sodium channel 과 potassium channel 을 clothing 해서 걔네를 조절하는 기제를 밝혀서 rising phase 와 falling phase 를 자세히 알려주겠죠.
Voltage dependent sodium channel 은 one gene product 야. 요런 도메인 가진게 4번 repeat 이야. 1개의 domain 을 확대하면 transmembrane domain 이 6개가 있어. 5번과 6번 사이에 roop 가 있어.
여기에서 S4 가 voltage sensor (쟤를 죽이면 channel 로서 기능이 없어져)- voltage difference 를 sense 해서 문을 열고 닫는 걸 정하는 영역.
S5 와 S6사이에 있는 pore loop 얘네가 selective filter 예요. Sodium ion 을 받아들일건지 potassium 을 받을건지 calcium 을 받을건지 size base 로 받을지 charge base 로 받을지 그런걸 결정하는 filter 에요.
하나의 채널에 S4가 4개가 있지 , pore 도 4개가 튀어나와있겠지. (얘네가 selective filter 를 이루어)
Intracellular side 에 이런 gate 가 있어요. Activation gate, inactivation gate 이 있다는걸 잠시후 보게 된다. 잠시 미뤄놓고…
Voltage dependent sodium channel
Voltage dependent calcium channel : one gene product 가 4개 repeat 되는 S4는 sensor 5와 6사이에 filter. 다른 점은
Voltage dependent potassium channel : tetramer (4개의 gene) 그래도 S4 가 sensor 5와 6의 filter
Sodium channel 을 EM으로 찍으면 이래 다들 약간 차이는 있는데 대체로 bell-shaped 야.
위와 아래에 pore 가 있어.
Activation gate, inactivation gate 이라는 concept 을 주겠다.
S4가 voltage sensor 라고 했어.
Resting membrane state 일때 cell 안쪽 negative charge 상태.
그런데 voltage sensor는 positive amino acid 로 구성되어있어. 정상적인 resting state 에서는 intracellular 에 있는 negative charge 가 S4 에 가지고 있는 positive 를 electro static intraction 으로 잡아. Stable 하게 잡고 있어.
무슨 신호에 의해서 positive ion 이 안쪽으로 들어와주게 되면, S4가 positive charge 를 가지고 있기 때문에 positive 가 positive 를 밀어버려서 S4 가 봉이 쓱 올라가버려서 intracellular side 에 있는 loop 들이 gate 를 구성해. 평상시에는 잡혀 막고 있다가 쑥 올라가서 열어서 문이 열려
(-) charge inside attracts (+) of S4 toward the inside of membrane
(+) charge of S4 is stabilized by (-) of the channel closed state
(+) charge inside drives S4 toward extracellular face open state
그런데 모델의 단점이 있어서
평상시에는 membrane 안에 있는 gate에 selective voltage sensor 가 4개의 L4가 누워있는데 마찬가지 positive 이온을 많이 가지고 있어서 cell 안쪽에 있는 negative 이온이 꽉 잡고 있어.. 그런데 안쪽이 positive 가 되면 gate 를 위로 확 올려버려..
S4가 세포안쪽의 membrane charge 변화를 감지해서 문을 열어주는 것
(이 이름은 activation gate!!) 이게 열려서 특정이온이 influx 또는 efflux 한다.
연구를 하다보니까 inactivation gate ! 가 있었다.
Intracellular side 에 있는 roop amino acid 의 패턴이 이런 모양을 만들어놨는데. 필요할때 굽어져서 inactivate 로 작동.
Ball 에 달린 chain 이 flexibility 를 준다는 inactivation gate! 중요해요
Resting state 에서는 activation gate 가 적극적으로 closed 되어있죠. 아까 배운식으로 positive ion 이 안쪽으로 들어오면 voltage sensor 가 위로 올라가면서 activation gate 가 열린다. 원상태로 와주면 resting gate 가 되는건데.. 한단계를 거쳐서 원상태로 가는데 그 단계가 inactivation gate (구멍을 막고) 그다음에 얘가 막았던게 빠진다음에 activation gate 를 닫아.
(이것 때문에 delay 가 생기지!!) 이게 one-way flow 를 설명해줄수있고 reflactory period 의 근간이 된다.
Patch clamping 방법으로 single channel 의 gate 를 열리고 닫히는 걸 확인한 내용
Patch clamp detect three different channels. They all
1) Open with a little delay
2) Stay open for ~ 1 msec
3) Stay inactivated (refractory period)
4) Stay closed until another
depolarization reaches threshold
여러가지 패턴으로 나오면 결국 이런 것들의 sum 으로 이루어진 current 가 생긴거죠. 그 결과로 membrane potential 이 repolarization , positive 로 가는거죠.
마찬가지로 falling phase 일때도 potassium channel 은 efflux 라고 했어. single channel 레코딩을 하면 ion 이 outward 로 나가니까. 그래서 위로 올라간거.. 이 합이 .. 이만큼이 falling phase 로
Action potential 이라는 것이 생기면 , inactivation 이라는 단계를 거치며 refractory period 까지 알았어. (불응기) 어떻게 action potential 이 initial segment 의 voltage dependent sodium potassium 채널이 처음로 나오는 곳. 여기에서부터 axon terminal 로 one way flow 가 되느냐.
One way flow. 2가지 criterion
Axon hillock 에서 soma 쪽으로 가는 건 이론적으로 없어. 따라서 옆으로 가는거야.
그런데 문제는 그 옆의 channel 일때. 여기서 sodium channel 이 influx 되서 왼쪽으로 갈수도 있고 오른쪽으로 갈수도 있는데 왜 오른쪽으로만 가냐?? Inactivation gate 가 막고 있기 때문이다. 그 두가지 combination 으로 자극이 한방향으로 간다.
그런데 axon shaft에 인위적으로 가운데다가 positive injection 을 하면 그때는 양쪽으로 갈수가 있어. 하지만 in nature 에서는 그럴수없다.
그리고 refractory period 의 또 다른 친구가 작동을 해 그게 hyperpolarization 더 원래보다 negative 로 가버려. 그것도 중요해. 그래서 in nature 에서는 one way flow 가..
???? distribution of channel. 왜 그냥 넘어갔지.
Speed 를 결정하는 것 myelination, axon diameter
중추신경계나 말초신경계나 각각 특정한 glial cell 이 myelination 을 시킨다. Oligodendrocyte 는 중추신경계 myelination 1개의 oligodendrocyte 가 여러 개를 myelination 시킨다.
Myelination 이 되어있으면 rich 한 membrane 으로 꽁꽁싸여있어 거기에는 channel 이 없고 jumping 해. Saltatory jump 라고 해. Node of ranvier 로 점프해가니까 빠른 스피드. 결론은. Conductance speed 는 myelination 이 되있냐 안되었나 이게 가장 중요한 factor
Diameter 가 두번째 이슈. Diameter 랑 myelination 이랑 어떤 차이가 있는지 (격의 차이)
Vertebrate with myelin / Invertebrate – no myelin
그런데 중요한건 giant axon 처럼 엄청나게 diameter 넓혀봐야 우리 몸에 있는 아주 얇은 myelination 된 axon 보다도 스피드는 엄청 떨어진다는 것.
이제 마지막 슬라이드로. Local anesthesia (국소 마취제)
시술을 할때 pain 을 느끼지 말게 해주는 결국은 어떤 자극을 AP형태로 뇌에 register 하는거니까 AP를 안되게 해서 마취. Albert Niemann (cocaine) 을 찾아서 얘네가 anesthestic 이라는걸 밝혔고.
최근에는 synthetic anesthesia (lidocaine) 4번째 영역의 S6 도메인에 binding 을 하게 되면 sodium ion 이 influx 하는 것을 막아주기 때문에 그런 정보가 들어오지 못하니까 그런 영향권에서는 pain 을 안느끼고 시술을 할 수 있는거죠.
이 글은 스프링노트에서 작성되었습니다.