시냅스

신경계를 구성하는 수많은 신경세포들은 전기적(Electrical) 또는 화학적(Chemical) 신호를 서로 주고 받으며 기능한다. 이렇게 신경세포 사이에서 신호가 전달되는 구조적 장소를 시냅스라 부른다. 보통 사람의 뇌 안에는 10¹¹개의 신경세포가 있으며, 하나의 신경세포는 보통 1,000~10,000개의 시냅스를 통해 다른 신경세포들과 연결되어 있다. 따라서 많게는 10¹⁵개의 시냅스가 사람의 뇌에 존재한다고 추측된다.

목차

역사적으로, 신경계가 어떻게 구성되어 있는가에 대해 두 가지의 서로 다른 이론이 대립하였다. 이탈리아의 신경과학자 카밀로 골지(Camillo Golgi)는 신경계가 혈관 또는 그물망처럼 끊어지지 않고 이어져있는 구조라는 신경그물설(Reticular theory)을 주장한 반면, 카할은 신경계는 독립적인 신경세포들로 구성되어 있으며, 신경세포들은 서로 정보는 주고 받으나 물리적으로 연속되어 이어져 있지는 않다는 신경세포설(Neuron doctrine)을 주장하였다.

스페인의 신경과학자 카할은 1800년대 후반, 골지가 개발한 골지 염색(Golgi staining) 기법을 익히고, 그 이후 25년 이상 꾸준히 골지 염색기법을 활용하여 다양한 뇌 영역의 신경망 구조에 대해 연구를 진행한다. 이러한 연구를 통해 카할은 그 전까지 정설로 여겨지던 신경그물설에 반대되는 신경세포설을 주장하게 된다. 신경세포설의 핵심은, 신경계가 독립적인 신경세포들로 구성되어 있으며, 이들 신경세포는 서로 정보를 주고 받으나 물리적으로 연속되어 이어져 있지는 않는다는 것이다. 따라서 개별적인 신경세포들 사이에 정보를 주고 받는 구조적 장소가 존재해야 함을 예상하고, 시냅스의 개념을 처음 제시한 것이다.

카할이 신경세포설을 제시한 이후, 1897년 영국의 신경생리학자인 찰스 쉐링턴(Charles Sherrington)이 '시냅스'라는 용어를 처음 사용하였다. 시냅스는 그리스어 'Synapsis'에서 유래하였으며, 함께 고정하다 또는 함께 매다 등의 뜻을 갖는다. 카할이 신경세포설을 주장한 이후에 많은 실험적 증거들이 시냅스의 존재를 뒷받침하였으나, 확실하게 검증된 것은 1950년대에 전자현미경을 통해 시냅스의 구조가 밝혀지고 나서이다.

시냅스는 신경전달이 이루어지는 방식에 따라 크게 전기적 시냅스(Electrical synapse)와 화학적 시냅스(Chemical synapse)로 분류된다. 전기적 시냅스는 신호를 주고 받는 세포가 간극연접(Gap junction) 채널을 통해 직접 이어져 정보를 주고 받는다. 간극연접 채널은 코넥신(Connexin) 단백질로 구성되며, 코넥신 단백질 6개가 합쳐져서 하나의 코넥손(Connexon) 채널을 만든다. 서로 접하고 있는 양쪽 세포에 코넥손이 하나씩 위치하며, 코넥손-코넥손이 맞붙어서 세포간의 간극연접 채널을 이룬다. 간극연접 채널 구멍은 지름이 1-2 nm 정도로 이온이나 작은 유기분자(Organic molecule)의 통과가 가능하다. 전기적 시냅스는 양방향으로의 이온 흐름이 가능하다. 또한, 전기시냅스를 형성한 두 신경세포는 세포질(Cytoplasm)의 이온 정보를 공유하며 '전기적으로 짝지어진(Electrically coupled)' 상태로 이해된다. 따라서, 전기시냅스를 통한 세포간의 정보전달은 화학시냅스에 비해 빠르며 정보전달이 실패할 가능성이 거의 없다.

그림 2. 전기시냅스를 형성하는 간극연접의 모식도. 간극연접 채널은 6개의 코넥신 단백질이 형성하는 코넥손 2개가 서로 맞붙어서 이루어진다. 간극연접 채널을 통해 이온 및 작은 유기분자가 직접 통과한다. ()

화학적 시냅스는 시냅스전(Presynapse), 시냅스 틈(Synaptic cleft), 시냅스후(Postsynapse)의 구조로 구성되며, 전기적 신호인 활동전위(Action potential)가 시냅스전에 도달하면 신경전달물질(Neurotransmitter)의 방출을 유도한다. 신경전달물질은 시냅스전과 시냅스후 사이의 빈 공간인 시냅스 틈(Synaptic cleft)으로 방출되고 이후에 시냅스후 표면에 위치한 신경전달물질 수용체(Neurotransmitter receptor)에 결합한다. 신경전달물질이 결합한 신경전달물질 수용체는 이온(Ion)이 신경세포 안으로 통과되도록하여 다시 전기적 신호를 생성한다. 즉, 화학시냅스에서는 전기적신호가 화학적신호인 신경전달물질로 전환되었다가 다시 전기적 신호로 전환된다. 또한 정보를 주는 세포와 받는 세포가 20-40 nm 거리의 시냅스 틈을 두고 물리적으로 분리되어 있다.

그림 3. 화학시냅스의 구조. 시냅스전으로부터 시냅스 틈으로 신경전달물질이 방출되며, 이후에 시냅스후 표면의 수용체에 결합하여 전기적 신호를 생성한다. 시냅스전과 시냅스후가 물리적 공간인 시냅스 틈으로 분리되어 있다. (출처: 한국분자·세포생물학회)

따라서 실제 신경세포설과 어울리는 시냅스의 구조는 화학적 시냅스라 할 수 있으며, 골지가 주장하였던 신경그물설 또한 전기적 시냅스의 존재를 고려할 때 완전히 틀린 것은 아님을 알 수 있다.

시냅스는 신경전달이 이루어지는 가장 기본적인 구조로써, 각각의 신경세포 뿐 아니라 나아가서 뇌 및 전체 신경계의 기능에 필수적인 역할을 한다. 뇌와 신경계의 모든 기능이 시냅스 단위에서 이루어진다. 따라서 시냅스의 기능적 구조적 이상이 다양한 신경계의 질환으로 이어지며, 질환의 치료에도 시냅스의 회복이 중요함을 알 수 있다.

신경세포설(Neuron doctrine), 전기적 시냅스(Electrical synapse), 화학적 시냅스(Chemical synapse), 시냅스전(Presynapse), 시냅스 틈(Synaptic cleft), 시냅스후(Postsynapse), 신경전달물질(Neurotransmitter)

1. Neuroscience : exploring the brain (Bear, Connors, Paradiso저, 4판, Wolters Kluwer).