서론
신체의 모든 조직과 기관은 세포로 구성된다. 세포들의 고유한 기능과 상호작용에 의해 기관의 기능이 결정된다. 뇌는 기관이다. 그러나 뇌의 기능을 파헤치는 기본 접근방식은 이자나 폐를 연구하는 것과 다를 바 없다. 먼저, 각각의 뇌세포가 어떻게 작용하는지 그리고 이들이 모여서 어떻게 통합적인 기능을 수행하는지 알아보고자 한다. 신경생물학에서 굳이 마음과 뇌를 분리할 필요는 없다. 각각의 뇌세포 및 통합된 활동을 이해하게 된다면 인지능력을 이해하게 될 것이다. 사람의 뇌에는 비슷한 수의 뉴런과 교세포가 존재하지만 뉴런이 대부분의 뇌에 특수한 기능을 담당한다. 뉴런은 환경의 변화를 감지하여 다른 뉴런에 전달하며, 우리 몸이 반응하게 한다. 교세포의 주된 기능은 주변 뉴런의 절연, 보조 역할, 영양 공급을 담당하는 것으로 여겨진다.
뉴런
뉴런은 세포체, 수상돌기, 축삭으로 구성된다. 뉴런 안쪽은 슈런 세포막에 의해 외부와 구분된다.
세포체는 뉴런의 중심부로서 원형에 가깝다. 전형적인 뉴런 몸체의 직영은 약 20micrometer이다. 세포 안의 수용액인 세포액은 뉴런 세포막으로 외부와 격리된 K+가 풍부한 용액이다. 세포체에는 막으로 둘러싸인 여러 소기관이 있다. 뉴런의 몸체는 다른 동물세포와 동일하게 소기관들을 포함하고 있다. 핵, 조면소포체, 활면소포체, 골지체, 미토콘드리아 등이 중요한 소기관들이다. 세포막 안에 포함되며 핵을 제외한 소기관들을 포함하는 부분을 세포질이라고 한다.
핵은 구형이고, 중심부에 위치하며 이중막인 핵막에 둘러싸여 있다. 핵 안에는 염색체가 있는데 이는 유전물질인 DNA를 포함하고 있다. 한 사람 뉴런들의 DNA는 동일할 뿐만 아니라 간과 신장 그리고 다른 기관들에서도 동일하다. 뉴런과 간 세포의 다른 점은 세포에서 발현되는 DNA의 특정 부위이다. 이러한 DNA 조각을 유전자라고 한다. 미토콘드리아는 세포호흡을 하는 기관으로 외막의 안쪽에는 크리스티라 불리는 주름진 내막이 있으며, 외막과 내막 사이의 공간은 기질이 있다. 피루브산과 산소가 세포질에서 미토콘드리아로 들어가면 미토콘드리아의 안쪽에서 피브루산은 크렙스 회로와 전자전달계 과정을 거쳐 에너지인 ATP를 합성한다.
뉴런 세포막은 뉴런 내부의 세포질을 감싸는 장벽 역할을 하며 뉴런의 외부 용액에 존재하는 물질을 차단하기도 한다. 그리고 세포골격은 뉴런의 독특한 모양을 결정한다. 세포골격의 뼈대는 미세소관, 미세섬유, 신경섬유 등이다. 세포골격의 구성 요소들은 동적으로 조절되고 지속적으로 움직인다.
교세포
교세포는 과거에 알려진 사실보다 뇌에서 정보 처리에 더욱 중요하게 작용하고 있다. 교세포의 기능이 부수적이더라도 교세포 없이는 뇌의 정상 기능을 기대하기 어렵다.
1. 성상교세포 : 뇌에 가장 많은 수로 존재하는 교세포로 뉴런 사이의 공간을 채운다. 핵심 기능은 세포 밖 공간의 화학조성을 조절하는 데 있다. 또한 성상교세포의 세포막에는 신경 전달물질을 시냅스 틈에서 활발하게 제거하는 특수 단백질들이 존재한다.
2. 수초교세포 : 희돌기교세포와 슈반 세포가 포함되며 이 교세포는 축삭을 절연하는 막층을 제공한다. 이 세포는 미엘린을 만들어 축삭 주위를 감싸고 돈다. 이를 통해 축삭을 따라 신경 반응의 진행 속도를 높이는데 이바지한다.
3. 뇌실막세포 : 뇌 안에서 수액으로 채워진 뇌실면을 이루고, 뇌발생 동안 세포의 이동을 제시하는 역할을 한다.
4. 미세교세포 : 죽거나 퇴화하는 뉴런과 교세포에서 남겨진 찌꺼기를 제거하는 식세포 역할을 한다. 그리고 미세교세포가 시냅스 연결을 먹어치움으로써 뉴런의 리모델링에도 관여한다.
결론
뉴런에 대한 구조적 특성에 대한 이해는 뉴런과 다른 부분들이 작용하는 원리를 이해하는 데 도움이 된다. 왜냐하면, 구조와 기능은 연관되어 있기 때문이다. 뇌세포의 구조를 연구하기 위해서 연구자는 여러 개의 장벽을 극복해야 한다. 첫 번째는 작은 세포 크기다. 뉴런은 눈으로 관찰할 수 없었기 때문에 세포 신경생물학은 17세기 후반에 광학현미경이 개발되기 전까지는 진전이 없었다. 현미경이 개발된 후에도 어려움이 있었다. 현미경으로 관찰하려면 뇌 조직을 세포의 직경보다 그다지 두껍지 않게 절단할 필요가 있었다. 그러나 그릇 안의 젤 같은 뇌 조직은 얇은 절편을 제작할 만큼 견고하지 않아서 뇌세포 연구는 뇌 조직을 파괴하지 않으면서 조직을 견고하게 하는 방법과 매우 얇은 절편을 제작할 수 있는 장비 개발이 이루어진 이후에야 가능했다. 현재에는 미세절단기로 불리는 특수 장비 개발에 의해 얇은 절편을 만들 수 있으나 적출된 뇌 조직은 균일한 색조를 띄고 있어 개개의 세포를 구별할 수 없는 문제가 있었다. 이 또한 니슬 염색법 등 염색 기술의 도입으로 해결되었으나 그 이후 뉴런과 교세포 간의 상호작용 기전을 연구하는 데는 아직 많은 한계가 있어 많은 과학적인 발전이 필요해 보인다.