뉴런 그 자체의 구조는 어떤형태일까?

뉴런을 입력과 출력이 이루어지고 그 사이에서 무언가가 일어나는, 작은 블랙박스라고 가정해 보자.

입력을 담당하는 부분은 수상돌기dendrite, 樹狀突起라고 하는 가는 전선 줄기인데, 뉴런 하나가 10만 개의 수상돌기를 가지고 있기도 하다.

수상돌기는 이웃 세포에서 입력되는 신호를 받아 세포체라는 중앙 통제 영역으로 중계한다

(골지가 현미경으로 관찰했던 찌그러진 원과 배뚤배뚤한 삼각형이 이 세포체이다).

세포체에 도달한 신호는 뉴런으로 집중되는 다른 신호들과의 상호작용 속에서 억제되거나 증폭된다. 

입력 신호 전체가 한곳에 모인 결과 세포체에서 새로운 신호가 촉발되어 특별한 출구를 통해 뉴런 밖으로 빠져나간다.

이 출구 역시 가는 전선 줄기인데, 축색axon, 軸索이라고 한다.

입력을 담당하는 수상돌기는 끝이 점점 가늘어진다는 점에서 진짜 나뭇가지와 비슷하지만,

축색은 지름이 일정하고 각각의 뉴런에 한 개씩밖에 없다.

그러나 축색의 길이는 매우 다양하다. 가장 짧은 것이 겨우 인접 뉴런까지 미치는가 하면, 가장 긴 것은 뇌에서 척수까지 거의 1미터에 이르는 것도 있다. 이는 세포체보다 2만 배나 더 긴 것이다. 축색의 끝부분은 무수히 많은 작은 가지들로 나누어지는데, 이 가지들의 끝부분은 버섯처럼 부푼 모양이다.

이 버섯 모양의 말단부가 시냅스를 지나 다음 뉴런에 전기 신호를 전달한다. 

뉴런의 구조에 대한 설명은 이쯤 해두자.

뇌가 어떻게 작동하는지를 알려면 다음 질문으로 넘어가야 한다.

도대체 그 전기 신호라는 게 무엇인가? 

뉴런이 주고받는 생체전기 신호  

모든 물질은 원자로 이루어져 있다.

원자는 양전하를 띠는 원자핵과, 음전하를 띠는 전자가 이 원자핵을 둘러싸고 있는 모양을 하고 있다. 보통 때라면 이 양전하와 음전하가 균형을 이루어 원자는 전기적으로 중성을 띤다.

그러나 금속의 경우 전자들이 한 원자에서 다른 원자로 자유롭게 이동할 수가 있다.

이런 전하의 흐름을 우리는 전류라고 이해한다.

우리가 머릿속에 전선을 내장하고 있는 것은 아니다. 따라서 분주하게 뉴런 사이를 오가는 전기 신호에는 뭔가 다른 메커니즘이 필요하다.

뉴런이 전하를 운반하기 위해 이온ion이라는 입자를 사용한다는 것이 밝혀졌다.

이온은 원자의 일종으로 전자를 잃거나 얻음으로써 양이나 음으로 바뀐다. 

뇌세포들의 연결. 수상돌기는 뉴런이 입력 정보를 받아들이는 부분으로 신호가 이곳에서 세포체로 전달된다. 이곳에서 새롭게 신호가 발생해 축색을 통해 축색의 말단(축색종말)으로 전송된다. 축색의 말단은 다시 다음 표적 뉴런의 수상돌기와 연결된다.

뉴런과 뉴런은 물리적으로 직접 맞닿아 있지 않고 시냅스라고 하는 좁은 틈을 사이에 두고

떨어져 있다. 

수문을 닫아 물을 저장하는 인공 수로의 잠금 장치를 한번 상상해 보자. 물이 흐를 수는 없지만 가능성은 존재한다. 동일한 원리가 뉴런에도 적용된다.

이온의 운동이 어떤 방식으로든 저지된 상태에 있다가 이윽고 문이 열리면 전류가 생성되는 것이다. 특정 영역에서 한 가지 신호를 담은 이온이 축적되면 다른 곳에서는 결손이 발생하거나 또는 반대로 대전帶電된 이온이 축적될 것이다. 양쪽에 전위차가 발생하는 것이다.

볼트로 측정되는 전위차가 크면 클수록 전류도 많이 흐른다. 이 전류가 신호를 보내는 것이 아닐 수도 있지만 어쨌든 살아 있는 뉴런은 항상 자신의 세포막을 관류하는 이온의 흐름을 통해 전압이라고 하는 전위차를 발생시킨다.

이 전위차를 세포의 정지막 전위resting potential of the cell, 靜止膜電位라고 부르는데, 외부와 비교할 때 내부의 전위는 대개 마이너스 8만분의 1볼트 정도 된다. 

뉴런이 발송하는 전기 신호를 활동 전위action potential라고 부른다. 이것이 발생하는 것이다. 

세포가 정지 상태일 때 세포의 외부에는 나트륨 이온이 많고 내부에는 칼륨 이온이 많다.

그런데 활동 전위가 생성되려면 세포막에서 미세한 통로가 열리면서 나트륨 이온이 뉴런 안으로 들어와야 한다. 나트륨이 양전하를 띠기 때문에 뉴런의 내부는 이제 양으로 대전되고 그 결과 세포막 사이의 전위차가 줄어들게 된다. 

전위차가 점점 더 줄어들면 이번에는 칼륨 이온의 길, 곧 제2의 통로가 열리기 시작한다.

칼륨은 대개 뉴런 안에 존재하므로 이 통로를 통해 갇혔던 이온들이 세포막을 통과하여

나트륨 이온과는 반대 방향으로 빠져나간다.

칼륨 이온의 통로는 아주 짧은 시간 동안만 열리는데, 양으로 대전된 이온들이 갑작스럽게 빠져나가면서 세포의 내부가 다시 음전하를 띠게 된다. 그것은 마치 불이 났을 때 사람들이 비상구를 통해 탈출하는 모습을 연상시킨다.

그 결과, 실제로는 약간의 차이가 있겠지만 전위차가 이전 상태로 복귀한다. 그리고 뉴런 벽에 있는 분자 펌프가 이온의 농도를 신속하게 정상 상태로 되돌려놓는다. 세포는 곧 이전의 정지막 전위를 회복한다. 이 일련의 연쇄 반응－내부에서 양전하가 증대하고 다시 외부에서 양전하가 늘어났다가 결국에는 정지막 전위로 회복하는 것－은 활동 전위의 특징을 보여 주는데, 우리는 그 과정을 오실로스코프 로 관찰할 수 있다. 

신경 세포에 영양을 공급하는 별 모양의 성상 교세포.

(여기서는 옅은 초록색으로 보인다.)