[Computational Neuroscience] Dendrites and Synapses (1)

Dendrites and Synapses

 

뉴런은 복잡한 형태를 가지고 있다. 세포의 중앙 부분은 유전 정보와 분자 기계의 많은 부분을 포함하는 체세포이다. 체세포에서 두 가지 다른 긴 철사 모양의 확장이 시작된다. 첫째, 수상돌기는 시냅스가 위치하는 다수의 작거나 큰 가지를 형성한다. 시냅스는 다른 뉴런 (즉, '시냅스 전' 세포)의 정보가 도착하는 접점이다. 둘째, 체세포에서 뉴런이 목표 뉴런에 활동 전위를 보내는 데 사용하는 축삭도 시작된다. 전통적으로 체세포와 축삭 사이의 전이 영역은 스파이크를 보낼지 여부를 결정하는 중요한 영역으로 간주된다.

 

Synapses

 

시냅스 전달, 흥분성 시냅스의 시냅스 후 AMPA 수용체의 도식

 

두 종류의 이온 채널, 즉 전압 활성화 이온 채널과 칼슘 활성화 이온 채널을 접한다. 다루어야 하는 세 번째 유형의 이온 채널  시냅스 전달과 관련된 송신기 활성화 이온 채널이며 일반적으로 세포 외부에서 활성화된다. 시냅스전 뉴런이 활성화되면 신경전달물질이 시냅스 틈으로 방출된다. 트랜스미터 분자는 갈라진 틈의 다른 쪽으로 확산되고 시냅스 후막에 위치한 수용체를 활성화한다. 소위 이온성 수용체는 관련 이온 채널의 상태에 직접적인 영향을 미친다. 대사성 수용체 G 단백질과 두 번째 메신저의 생화학적 캐스케이드를 통해 이온 채널의 상태를 제어한다. 두 경우 모두 수용체의 활성화로 인해 특정 이온 채널이 열리고, 따라서 흥분성 또는 억제성 시냅스 후 막횡단 전류 (EPSC 또는 IPSC)가 발생한다. 시냅스 틈의 송신기 농도에 대한 수학적 모델을 개발하는 대신, 일을 단순하게 유지하고 송신기 활성화 이온 채널을 명시적으로 시간 종속적 전도도로 설명한다. 시냅스 전 스파이크가 도착할 때마다 열린다. 시냅스 채널을 통과하는 전류는 이전과 같이 역전위의 차이에 따라 달라진다.

 

Inhibitory Synapses

 

고등 척추동물의 중추신경계에서 빠른 억제 뉴런의 효과는 거의 독점적으로 γ-아미노부티르산 또는 줄여서 GABA라고 한다. 억제성 시냅스의 특징은 역전위가 -70 ~ -75mV 범위에 있다. 따라서, 뉴런 막 전위가 역전위보다 높으면 시냅스 전 스파이크 도달이 뉴런의 과분극을 일으켜 활동 전위 생성 가능성이 줄어듭니다. 그러나 뉴런이 -80 mV 이하에서 막 전위를 갖는다면 동일한 시냅스 전 스파이크가 막의 탈분극으로 이어질 것입니다.

 

억제성 중간뉴런에는 다양한 유형이 있다. 생물학자들은 GABA라고 하는 두 가지 주요 유형의 억제 시냅스 (GABA A, B)를 구분한다. 두 시냅스 유형 모두 GABA를 신경전달물질로 사용한다. GABA B 채널은 이온성이고 염화 이온에만 개방된 반면, GABA  ㅠ 채널은 시냅스는 상대적으로 느린 신호 사슬을 촉발하여 궁극적으로 K+ 채널을 여는 대사성 수용체를 가지고 있다. 결과적으로 시냅스 역전위의 가치 이자형신 GABA에 따라 다른다. GABA의 경우 세포 내부와 외부의 염화물 이온 농도 시냅스비 시냅스는 칼륨 농도에 따라 다르다.

 

Excitatory Synapses

 

척추동물 중추신경계의 대부분의 흥분성 시냅스는 신경전달물질로 글루타메이트에 의존한다. 그러나 시냅스 후 수용체는 매우 다른 약리학적 특성을 가질 수 있으며 다양한 유형의 글루타메이트 수용체 단위가 단일 시냅스에 존재할 수 있다. 이러한 수용체는 선택적 작용제로 작용하는 NMDA 또는 AMPA와 같은 인공 약물을 사용하여 분류된다. NMDA (N-methyl-D-aspartate)는 NMDA 수용체가 있는 채널에 결합하지만 다른 글루타메이트 수용체에는 결합하지 않는다. NMDA에 반응하지 않는 글루타메이트 수용체 중 가장 두드러지는 것은 AMPA 수용체이다. AMPA는 인공 글루타메이트이다. AMPA에 민감한 수용체가 있는 채널은 AMPA에 반응하기 때문에 'AMPA 채널'이라고 불리는 반면, NMDA에 민감한 수용체가 있는 채널은 AMPA를 적용해도 열리지 않는다. 그러나 NMDA와 AMPA 채널은 모두 신경계가 신경 전달 물질로 사용하는 천연 형태의 글루타메이트에 반응한다. 

 

AMPA 수용체는 각각 글루타메이트 결합 부위가 있는 4개의 서브유닛으로 구성된다. 대부분의 AMPA 수용체에는 GluR2라는 소단위가 있다. GluR2를 포함하는 AMPA 수용체 채널이 열려 있으면 나트륨 및 칼륨 이온은 통과할 수 있지만 칼슘 이온은 통과할 수 없다. AMPA 수용체가 있는 시냅스 채널은 시냅스 전 스파이크에 대한 빠른 응답과 빠르게 쇠퇴하는 시냅스 후 전류가 특징이다. 

 

NMDA-수용체 제어 채널은 상당히 느리고 마그네슘 이온에 의한 전압 종속 차단으로 인한 추가적인 흥미로운 특성을 가지고 있다. 나트륨 및 칼륨 이온 외에도 칼슘 이온도 열린 NMDA 채널을 통과할 수 있다.