Nervous systems 뇌 시리즈

모든 위대한 작품은 하나의 감각에서 시작된다.

Edgar Degas

 

우리는 그 작은 세포조차 이해하지 못했다. 완벽하지 않은 존재를 우리는 완벽히 이해하려 하고 있다. 과연 먼 미래에는 어떨까?

기말고사 기간이 다가왔다. 신경이 곤두섰다. 하찮은 것에도 신경이 쓰인다. 그 놈의 신경 신경 신경... 너는 무엇이길래 나를 이토록 암기의 늪에 빠져들게 하는가.

 

용어가 상당히 많다. 게시물 Nervous system 용어 모음집의 단어들을 모두 이해, 암기하고 올 것

 Vertebrate Nervous System : Central System / 척추 동물의 신경계 - 중추신경계

• CNS sorts and processes input about the external/internal environmental stimuli from afferent neurons, then initiates appropriate directions in the efferent neurons - CNS는 외부/내부 환경 자극에 대한 정보를 구심성 뉴런(afferent neurons)으로부터 받아 처리한 후, 원심성 뉴런(efferent neurons)에 적절한 지시를 내린다.
• Many cells within CNS are not neurons but glial cells or neuroglia - CNS 내의 많은 세포는 뉴런이 아니라 신경아교세포(glial cells) 또는 신경교(neuroglia)
• Glial cells(neuroglia) serve as the connective tissue of the CNS
  • Occupy half the volume of the human brain(occupy ~90% of brain cells)
  • Do not initiate or conduct nerve impulses
  • Maintain composition of the ECF environment surrounding neurons
  • Modulate synaptic function
  • Important in learning and memory

 

 

Types of Glial cells. 신경 교세포의 종류

 

다음에 나올 여러 종류의 세포들은 교세포(Glial cells, Neuroglia)라고 한다.

교세포는 신경계에 약 90%를 차지하고 이들은 신경세포들의 지탱, 항상성 및 대사 조절 등에 관여한다.

신경세포라 해서 뉴런만 존재하는 것이 아니다. 그들을 조절해주는 조력자들이 훨씬 많다.(공군과 흡사하다)

 

1. Astrocyte 성상세포

가장 풍부하게 존재

모세혈관을 둘러싸서 BBB(Blood-brain barrier) 형성

혈액에서 포도당을 흡수해 젖산으로 바꿔서 신경세포들에 공급

신경세포들을 지지 - 신경세포와 상호작용을 위해 간극연접 발달, 주변 신경세포의 시냅스 형성 조절, 신경세포와 똑같은 신경 전달 물질을 방출하고 똑같은 수용체를 지님

ECF에서 과량의 K+(뇌 속의 고칼륨혈증 보호)이나 신경 전달 물질을 흡수해서 항상성을 유지

 

2. Oligodendrocyte 희소돌기세포

중추 신경계의 수초를 형성하며, 한 개의 세포가 여러 개의 축삭을 감싸고 있다.

 

3. Microglia  소교세포

작은 교세포라 보면 되겠다. 단핵구와 기원이 같으며 중추신경계의 면역세포의 역할을 수행한다.

* 기존 면역세포는 Blood-brain barrier를 통과하지 못하기 때문에 뇌를 지켜줄 다른 면역세포가 필요할 것이다.

-> 중추 신경계에 이상이 생기면 그 부위로 이동해 활발한 섭식과 다양한 화학 물질들을 방출한다.

 

4. Ependymal cell 뇌실세포

중추신경계의 내강을 따라 존재한다. 

뇌척수액(Cerebrospinal fluid, CSF)을 형성하고 섬모를 움직여 뇌척수액이 흐르도록 한다.

일부는 Neural stem cell의 역할을 한다. 즉 신경을 만들어 낸다는 것. 회복의 여지가 있다.

 

 

중추신경계의 보호(Protection of the CNS)

이것이 언럭키 의대, 생물학과. 보면 볼 수록 의대생들 존경스럽다.

 

조금 더 모식화 해보았다

 

 

골 구조(Bony structures)

 - 두개골(Cranium, Skull) : 뇌를 감싸서 보호

 - 척추(Vertebral column) : 척수를 둘러싸서 보호

 

수막(Meninges) :  뼈와 신경조직 사이에 있는 세 개의 보호 및 영양막

 -  경막(Dura Mater) : 가장 바깥층으로 강하고 두꺼운 막

 - 거미막(Arachnoid Mater) : 중간층으로, 거미줄 같은 구조를 가진다.

 - 연막(Pia Mater) : 가장 안쪽층으로, 신경조직과 직접 접촉하는 얇은 막

 

뇌척수액(Cerebrospinal Fluid, CSF)

 - 뇌는 특수한 쿠션 역할을 하는 액체 속에 떠있는 형태

 

혈액-뇌 장벽(Blood-Brain Barrier, BBB)

 - 기능 : 모세혈관 내피 세포 사이의 tight junction으로 형성된 장벽

 - 혈액에서 뇌로의 물질 이동을 엄격하게 조절하여 유해 물질이 뇌에 침입하지 못하게 한다.

 

* 뇌는 상당히 까다롭다. 포도당만 먹는 잼민이도 한 수 접을 편식러. 정말 안되겠다 싶을 때 케톤체를 이용하기도 하지만 그때는 극한의 상황. 이렇게 상전을 모시려면 BBB는 엄격할 수 밖에 없다. 구멍많은 모세혈관을 성상세포로 싸그리다 막아버렸다.

 

 

이제부터 그림 파티. 정신차리고 뇌 속에 저장.

 

 

CSF의 흐름 양상

적어도 뇌가 어떻게 생겨먹었는지 대략적인 구조는 알아놓자

뇌척수액이 어떻게 흘러들어오고 나가는지 이해하자

 

CSF, Cerebrospinal fluid 뇌척수액

 

- CSF는 뇌와 척수를 둘러싸 충격을 방지

- 뇌는 CSF 속에 떠 있는 구조

- CSF의 밀도는 뇌의 밀도와 거의 동일

- CSF와 interstitial fluid 사이에서 물질 교환

- 이온의 조성을 일정하게 유지시켜 신경세포들에 적합한 환경을 제공 : 혈관이 못하는 부분을 CSF가 한다.

    * 뇌 이상을 진단할 때 뇌척수액을 일반적으로 검사한다.

- 오직 뇌의 간질액 만이 neuron과 glia와 직접 접촉

-  뇌실 벽 쪽 Lateral ventricle(측뇌실) & Choroid plexuses(맥락총)에서 CSF를 생산, 혈관이 풍부하게 분포되어 있다.

- Choroid plexuses의 절반 이상은 ependymal cells로 구성

- 뇌실로부터 거미막밑 공간으로 흘러들어가 중추신경계를 전체적으로 감싼다.

- 요추천자(Spinal tap)로 뇌척수액 샘플을 얻어 뇌의 화학적 환경 분석, 단백질 등의 혈구 세포가 검출되었다면 이는 감염 가능성 농후.

 

* 성장할 때 뼈, 근육은 자라지만 중추신경은 자라지 않는다. 그 결과 밑부분에 공간이 생겨 뇌척수액으로 차있다. 검사 시, 이 부분을 채취

 

맥락막 신경총(Choroid plexus)은 변형된 내배엽 세포(Ependymal cells)로 구성

Cerebrospinal fluid in third ventricle 내부에는 Potassium의 농도는 낮고 sodium의 농도는 높다.

 

Ependymal cell은 ventricle과 central canal의 일종의 외벽을 이룬게 된다. 즉, CSF가 채워져 있는 subarachnoid space의 lining을 구성하는 것이 아니다. CSF는 ventricle에서 만들어져 ependymal cell의 cilia movement로 인해 subarachnoid space로 이동하게 된다.

Glial cells consist of glial limitans

위 그림을 모식화

일단 외워

단층 세포인 두개골 연질막은 느슨한 결합 조직으로 구성되어 있고 외배엽 세포와 결합

The ventricles of the human brain

구조, 모양을 이해할 것

 

Blood-Brain Barrier 혈관-뇌 장벽

뇌 조직의 homeostasis를 유지하기 위해 모세혈관 벽에 발달된 밀착연접 때문에 혈액의 여러가지 물질들이 선택적으로 투과

중추신경계를 보호하기 위해 혈액과 뇌 사이의 물질 교환을 엄격하게 조절

- 물리적 차단 : 모세혈관 내 단일 층의 내피 세포가 치밀 결합을 형성하여 해부학적 차단

- 생리적 차단 : 포도당과 같은 필수 물질의 흡수를 위해 특정 운반체가 필요

일부 부위, 그 중 Hypothalamus는 homeostasis 조절 기능 때문에 BBB의 제한을 받지 않는다. 이는 뇌의 다른 부분과는 다르게 빠르게 혈액 내 변화에 반응할 수 있다.

우리가 아는 모세혈관. 투과하는 구멍(Pores)이 매우 크다.

뇌의 모세혈관은 이렇게 다 막혀 있다. Pores가 없고 tight junction으로 꽉 막혀 있다.

모세혈관 주변을 막고 있는 것은 Astrocyte가 막고 있다.

 

 

뇌는 편식쟁이

뇌는 지속적인 혈액 공급이 매우 중요하다. 매우 의존적이다.

- 뇌는 산소가 없으면 ATP를 생산할 수 없다.

- 뇌는 주로 포도당(기아 상태에서는 케톤체)만을 연료로 사용

- 소량의 글리코겐이 astrocyte에 저장

- 뇌는 지속적인 산소와 포도당 공급이 필요

- 뇌가 몇 분 이상 산소 부족 상태가 되면 뇌 손상이 발생( ex) 뇌졸중)

- 케톤체는 지방산이 에너지원으로 분해될 때 생성되는 부산물

 

지방산을 대사하면 생기는 케톤체

 

척추동물의 뇌의 가소성(Plasticity)

- 중추신경계(CNS)에서 손상된 축삭은 재생되지 않는다 : Oligodendrocytes는 신경 성장 억제 단백질을 방출

- 말초신경계(PNS)는 재생될 수 있다.

- 뇌의 특정 영역이 손상되면, 다른 뇌 영역이 그 손상된 뇌의 특정 활동을 대신 수행

- 경험 변화에 따라 새로운 신경 회로가 형성될 수 있다.

- miRNA 134(Hippocampus에서 발현) : Limk1 번역을 억제하여 수상돌기 가시의 성장을 조절

 

* Dendritic Spine : 뉴런의 Dendrite(수상돌기)에 있는 작은 돌출부. 시냅스 신호를 수신한다. 시냅스의 중요한 구성 요소로 다른 뉴런의 axon terminal(축삭말단)과 시냅스를 형성하여 신경 신호를 전달받는다. Dendritic spine은 plasticity(가소성)과 관련있다.

 

 

Hippocampus 해마

실제로 보면 해마 같다. 진짜로.

 

 

Hippocampus : 해마, Limbic system의 기관 중 하나. 측두엽에 위치.

- 공간 기억 형성과 인지 기술 발달에 관여, 단기 기억을 장기 기억으로 전환

- Granular region(과립층), agranular region(비과립층, 하위과립대 : subgranular zone, SGZ - 증식 구역) 의 구조로 나뉜다.

- 신경 발생 자극 : 많은 항우울제가 신경 발생을 자극

- Hippocampus 내 신경들 사이에 시냅스의 plasticity가 나타난다 : 시냅스 연결이 계속 바뀐다

 

 

Neural progenitor(신경 전구체)는 dentate gyrus(DG)의 SGZ(하위과립대)에 위치하며, 이 영역은 해마의 일부로, 힐러스(hilus)와 과립 세포 층 사이의 경계에 위치.

 

해마와 기억

1. 기억 형성 : 새로 생성된 세포는 기억 형성에 중요한 역할

2. 세포 사멸 : 오래된 세포는 apoptosis를 통해 신경 발생을 촉진

3. 수상 돌기 가지치기 : 새로 분화된 세포는 수상돌기 가지치기(aborization)를 통해 기존의 해마 세포와 연결되어 기억을 형성

* 이 과정이 차단되면 depression(우울증)과 amnesia(기억 상실)이 발생할 수 있다.

 

척추동물 뇌의 구조

 

1. Brainstem(뇌간) - 가장 작고 가장 오래된 부분

- Medulla Oblongata(연수)와 뇌교(Pons) : 생명을 유지하는 많은 과정을 조절

- Midbrain : 시각 및 청각 반사 반응을 조정

 

2. Cerebellum(소뇌) - 진화 과정에서 거의 변하지 않음

- 몸의 적절한 위치 유지

- 운동 활동(움직임)을 조정

- 새의 소뇌는 상대적으로 큰 편

 

3. Forebrain(전뇌) - 척추동물의 진화 과정에서 가장 많이 변한 부분

- Diencephalon(간뇌)

• Hypothalamus(시상하부) : 많은 항상성 기능을 조절
• Thalamus(시상) : 거의 모든 감각 입력의 중계소 역할

- Cerebrum(대뇌)

• 고등 척추동물에서 더 크고 더 많이 주름진 형태로 발달, 인간에서 가장 발달
• 복잡한 운동 기능, 감각 인식, 인지 및 기억과 관련된 역할을 수행
• Basal nuclei(기저핵) : 운동 제어와 관련
• Cerebral Cortex(대뇌 피질)
  • Motor Cortex(운동 피질) : 비반사 운동을 시작
  • Sensory Cortexes(감각 피질) : 감각 인식을 담당
  • Association Cortexes(연합 피질) : 복잡한 기억, 통합, 계획, 자기 인식, 언어, 성격을 담당

 

뇌의 기능적 구역

• 후뇌(Hindbrain) : 호흡, 혈액 순환, 기본적인 과제의 반사적 조절을 담당. 복잡한 척추동물에서는 감각 입력, 운동 숙련도, 정신적 숙련도의 조정에 관여(연수, 뇌교, 소뇌)
• 중뇌(Midbrain) : 시각 및 청각 반사 반응을 조정
• 전뇌(Forebrain) : 코, 눈, 귀의 감각 정보를 수용하고 통합. 육지에 사는 척추동물에서 가장 높은 통합 센터를 포함.