활동전위는 신경계에서 정보를 전달하는 신호, 휴지 상태의 뉴런 세포막 안쪽은 바깥에 비해 상대적으로 음전하이다. 활동전위란 이러한 상황이 역전되어 세포막 안쪽의 전하가 순간적으로 양전하를 띠는 것과 관려이 있다. 활동전위는 스파이크, 신경자극, 신경충동, 방전 등으로 부르기도 한다.
활동전위의 빈도와 패턴은 뉴런이 정보를 전달할 때 일종의 코드로 사용된다.
활동전위의 성질
모든 동물 신경계의 축삭에서 나타나는 활동전위는 광범위한 공통점을 갖고 있다.
활동전위의 증가와 감소
세포 내에 미세전극을 삽입하여 막전위를 측정할 수 있다. 이를 위해 전압계가 사용되어 세포 안쪽과 바깥쪽의 미세전극 끝 부분 사이의 전위차를 측정하였다. 뉴런의 세포막이 휴지기에 있을 때 전압계는 -65mV 가량의 일정한 전위차를 기록한다. 활동전위가 발생하면 막전위는 순간적으로 양의 값을 띈다. 이 현상은 매우 빠르게 나타나기 때문에 오실로스코프라고 하는 특별한 형태의 전압계가 사용된다.
활동전위의 특이한 모양,
- 상승기 : 세포막이 빠르게 탈분극되는 부분, 막전위가 약 40mV에 다다를 때까지 계속된다. 뉴런 안쪽이 바깥쪽에 비해 양전하를 가지는 부분을 오버슛이라고 한다.
- 하강기 : 활동전위가 빠르게 재분극되어 휴지기의 안쪽 막전위보다 낮아질 때까지 떨어지는 구간을 하강기라고 한다. 하강기의 뒷부분은 언더슛 또는 후과분극이라고 한다.
- 마지막으로 휴지전위로의 완만한 회복이 이뤄지며 전체적으로 활동전위가 지속되는 데는 약 2밀리초가 소요된다.
활동전위의 생성
활동전위가 어떻게 시작되는지 사례를 통해 살펴본다.
발에 압정이 박힐 때 느끼는 날카로운 통증은 피부 내의 특정 신경다발의 활동전위가 발생하는 것으로부터 시작된다. 이러한 신경다발의 세포막에는 신경말단이 잡아당겨질 때 열리게 되는 관문으로 소듐 채널이 존재한다. 그래서 일련의 반응 과정은 이러한 방법으로 시작한다.
- 압정이 피부에 박힌다.
- 피부 내 신경다발의 세포막이 늘어난다.
- Na+ 투과성 채널이 열린다. 막 내부의 전하 내의 커다란 농도 기울기와 음전하 때문에 Na+ 이온은 이 채널을 통해 막 안으로 들어온다. Na+ 이온의 유입은 곧 세포막을 탈분극 시킨다. 즉, 세포막 내부의 음전위의 크기가 낮아진다. 기동전위라고 하는 이런 탈분극이 특정 수준을 넘어서면 세포막은 활동전위를 발생시킨다. 기동전위가 활동전위가 되기 위해 도달해야 하는 이러한 특정 수준의 전위를 역치라고 한다.
다시 말해, 활동전위는 세포막이 역치 이상으로 탈분극 될 때 발생한다.
뉴런이 활동전위를 생성하는 것은 카메라의 셔터를 눌러 사진을 찍는 것과 비슷하다. 일정 역치를 넘기게 되면 사진이 찍히는 구조, 이러한 이유로 활동전위는 전부 아니면 전무이다.
복잡한 활동전위의 생성
활동전위가 발생하는 속도는 전류의 세기에 좌우된다. 역치를 겨우 넘는 세기의 전류를 흘려주면 활동 전위는 1헤르츠로 나타나고, 전류의 세기를 더 높여주면, 활동전위는 한층 빈번하게 발생하여 초당 50회까지 높아진다.
즉, 활동전위의 발화빈도는 탈분극 전류의 세기를 반영한다. 이것은 신경계가 자극의 세기를 부호화하는 한 방법이다.
탈분극 전류가 증가함에 따라 발화빈도도 증가하지만 여기에는 한계가 있다. 뉴런이 최대로 가질 수 있는 발화빈도는 약 1000Hz 정도이다. 이는 활동전위가 시작하면 최소 1 밀리초 동안은 다른 활동전위가 발생할 수 없다는 뜻으로, 이 시간 간격을 절대 불응기라고 한다.
더욱이 절대불응기가 끝난 뒤에도 수 밀리초 동안에는 새로운 활동전위가 시작되기는 상대적으로 어려우며, 이러한 상대불응기동안 활동전위를 발생시키기 위한 역치는 평상시보다 높다.
광유전학 기술 : 신경활성을 빛으로 조절
인공적으로 뉴런의 발화속도를 조절하기 위해 신경과학자들은 미세전극을 이용하여 전류를 주입하였다. 이러한 기술적 제한은 광유전학 기술로 불리는 접근방법을 통해 극복되었다. 광유전학 기술은 빛에 반응하여 열리는 이온 채널에 막에 표현되도록 외부 유전자를 뉴런에 넣어주는 것이다.
