뉴런은 어떻게 신호를 보내는가: 활동전위의 모든 것

1949년 여름, 데번에 있는 플리머스 해양생물학 연구소의 떠 있는 실험용 부두 위에서, 두 명의 생리학자가 갓 해부한 오징어 조각이 담긴 차가운 챔버를 들여다보며 몸을 숙이고 있었다. 앨런 호지킨과 앤드루 헉슬리 곁에는 직접 만든 전압 클램프가 예열되고 있었고, 오징어의 별신경절에서 떼어낸 신경섬유 한 가닥이 차가운 바닷물 속에 매달려 있었다. 소금기 섞인 물보라와 임시변통으로 짜 맞춘 전자장치가 전부인, 결코 화려하지 않은 실험 환경이었다. 그럼에도 이후 세 번의 여름을 거치며 이 실험은 신경 자극이 실제로 어떻게 작동하는지에 대한 최초의 정량적 이론을 내놓게 된다. 두 사람이 1952년 Journal of Physiology에 발표한 다섯 편의 논문은 1963년 노벨상으로 이어졌고, 그 영예는 존 에클스와 함께 나누었다.

이들이 쫓던 것은 신경계를 가진 모든 동물이 매 순간 의존하는 현상이면서도, 그때까지 누구도 직접 측정한 적이 거의 없던 것이었다. 뜨거운 난로에서 손을 움찔 빼낼 때, 심장이 뛸 때, 지금 이 문장을 읽을 때, 그 밑바탕에 깔린 사건은 동일하다. 짧은 전기 펄스 하나가 신경세포의 길이를 따라 질주하는 것이다. 호지킨과 헉슬리가 답한 질문은 묻기는 의외로 단순하지만 푸는 것은 지독히도 어려웠다. 지방질 막과 짠물로 이루어진 살아 있는 세포가, 도중에 신호를 잃어버리지 않으면서 어떻게 전기 신호를 만들어내고 전파할 수 있는가?

사그라들기를 거부하는 스파이크

이들이 연구하던 펄스에는 이름이 있다. 바로 활동전위다. 이것은 짧고, 정형화되어 있으며, 전부 아니면 전무로 일어나는 전압 스파이크로, 아무리 멀리 가야 하더라도 약해지지 않은 채 뉴런의 축삭을 따라 이동한다. 바로 이 마지막 성질이 놀라운 점이다. 신경섬유처럼 축축하고 새는 케이블에 평범한 전기 신호를 흘려보내면 몇 밀리미터 안에 사그라들고 만다. 그러나 활동전위는 사그라들지 않는다. 매 단계마다 스스로를 재생하며, 1미터 길이의 축삭 끝에 출발할 때와 똑같은 세기로 도착한다.

쉬고 있는 뉴런은 대략 마이너스 70밀리볼트에 머무는데, 이는 세포 안쪽이 바깥쪽에 비해 음전하를 띤다는 뜻이다. 막이 마이너스 55밀리볼트 부근의 역치까지 떠밀려 올라가면 극적인 일이 벌어진다. 전압이 플러스 30밀리볼트 안팎의 정점까지 치솟았다가 다시 곤두박질치는데, 이 모든 사건이 단 1에서 2밀리초 만에 끝난다. 그것이 바로 스파이크다. 이것은 뇌의 기본 화폐이며, 당신이 평생 경험한 모든 생각과 감각과 움직임은 이 1000분의 1초짜리 펄스들의 패턴 속에 암호화되어 있다.

정형화되어 있다는 말이 중요하다. 특정 축삭에서 일어나는 모든 활동전위는 본질적으로 똑같이 생겼다. 뉴런은 더 강한 자극을 더 큰 스파이크로 신호하지 않는다. 대신 더 많은 스파이크를, 더 자주 발사함으로써 신호한다. 신경계에서 정보는 각 펄스의 크기가 아니라 그것들의 타이밍과 빈도에 실려 운반된다.

왜 하필 오징어가 문제를 풀었나

스파이크가 일어나는 동안 무슨 일이 벌어지는지 측정하려면 전극을 세포 안에 집어넣어야 하는데, 1930년대에 생리학자들이 알던 신경섬유들은 도저히 불가능할 만큼 가늘었다. 돌파구는 기술적인 것이 아니라 동물학적인 것이었다. 알고 보니 오징어는 포식자에게서 달아날 때 쓰는 빠른 제트 추진식 도피를 제어하는, 소수의 거대 축삭을 갖고 있었다. 호지킨과 헉슬리가 연구한 종인 Loligo forbesii에서 이 축삭들은 지름이 약 500마이크로미터, 즉 0.5밀리미터에 이르렀는데, 이는 포유류 신경섬유보다 수백 배나 넓은 굵기다.

그 굵기가 모든 것을 바꿔놓았다. 그 정도 크기의 축삭이라면 가느다란 철사 전극을 그 중심부에 곧장 꿰어 넣을 만큼 충분히 크고, 덕분에 실험자들은 막을 가로지르는 전압을 안쪽에서 측정하고 심지어 제어할 수도 있었다. 호지킨과 헉슬리는 1930년대 후반부터 1950년대 초반까지 플리머스에서 오징어 거대 축삭을 기록했는데, 중간에 제2차 세계대전으로 작업이 중단되었고 그 기간에 두 사람 모두 레이더 연구에 복무했다. 실험대로 돌아왔을 때 그들은 전압 클램프를 가지고 왔다. 이것은 막을 선택한 전압에 고정해두고 그에 대한 반응으로 정확히 얼마만큼의 전류가 흐르는지 보고하는 전자식 피드백 회로다. 전압을 여러 값으로 단계별로 바꿔가며 전류를 관찰함으로써, 그들은 하나의 스파이크 안에 숨어 있던 각각의 이온 기여분을 따로따로 뜯어낼 수 있었다.

하나의 스파이크가 거치는 네 단계

그들이 발견한 것은, 활동전위가 단일한 사건이 아니라 네 단계로 빈틈없이 짜인 연쇄라는 사실이었다. 각 단계는 전압개폐성 이온 통로라 불리는, 막에 난 개폐형 구멍을 통과해 이동하는 이온들에 의해 일어난다. 이 통로들은 전압 그 자체에 반응해 열리고 닫히는데, 바로 이것이 스스로를 재생하는 모든 마술의 핵심이다.

첫 번째 단계는 탈분극이다. 막이 역치에 다다르면 전압개폐성 나트륨 통로가 탁 열리고, 세포 안쪽보다 바깥쪽에 훨씬 더 짙게 모여 있는 나트륨 이온이 안으로 밀려든다. 안으로 들어오는 나트륨 이온 하나하나가 내부를 더 양성으로 만들고, 그것이 더 많은 나트륨 통로를 열며, 그래서 더 많은 나트륨이 들어온다. 이렇게 스스로를 부추기는 고리가 전압을 숨 막힐 듯한 속도로 끌어올린다.

두 번째 단계는 정점으로, 플러스 30밀리볼트 부근에서 다다른다. 여기서 나트륨 통로는 영리한 일을 한다. 불활성화되는 것이다. 내장된 분자 관문이 휙 닫히며 통로를 막아, 통로가 아직 완전히 닫히지도 않았는데 나트륨의 홍수를 멈춰 세운다. 스파이크의 상승이 멎는다.

세 번째 단계는 재분극이다. 전압이 오르는 동안 이미 열리기 시작했던, 더 느린 전압개폐성 칼륨 통로가 이제 칼륨 이온을 바깥으로 실어 나른다. 칼륨은 세포 안쪽에 더 짙게 모여 있으므로 바깥으로 흘러나가고, 떠나가는 칼륨 이온 하나하나가 내부를 다시 더 음성으로 만들어 막을 휴지 상태 쪽으로 끌어내린다.

네 번째 단계는 후과분극이다. 칼륨 통로는 닫히는 속도가 굼떠서, 잠깐 동안 칼륨을 조금 지나치게 많이 내보내며, 모든 것이 마이너스 70밀리볼트로 가라앉기 전에 전압을 휴지 수준보다 살짝 아래로 떨어뜨린다. 그다음 나트륨-칼륨 펌프와 평범한 이온 기울기가 조용히 원래의 균형을 회복시키며, 다음 스파이크를 맞을 준비를 한다.

역치와 전부 아니면 전무의 법칙

이 이야기에서 가장 중요한 단 하나의 수치는 역치로, 마이너스 55밀리볼트 부근이다. 그것은 안으로 들어오는 나트륨 전류가 바깥으로 새는 칼륨을 처음으로 넘어서는 균형점이자, 양성 피드백이 주도권을 쥐며 스파이크가 불가피해지는 순간이다. 역치 아래에서는 자극이 그저 작은 국소 전압 흔들림만을 일으킬 뿐이고, 그것은 휴지 상태로 잦아든다. 아무것도 전파되지 않는다. 역치에 도달하거나 그 위로 올라가면 나트륨 고리가 스스로 폭주하며 완전한 진폭의 활동전위가 발사된다.

이것이 바로 전부 아니면 전무의 법칙의 기원이다. 이 원리는 그 누구도 기전적으로 설명할 수 있기 수십 년 전인 1912년에 에드거 에이드리언과 키스 루카스가 근육에서 신경으로 확장한 것이다. 뉴런은 완전한 스파이크를 발사하든가 아니면 아예 아무것도 발사하지 않든가 둘 중 하나이며, 그 사이에 어중간한 절충은 없다. 역치를 가까스로 넘긴 자극은 그것을 훨씬 웃도는 자극과 정확히 똑같은 스파이크를 만들어낸다. 그런 의미에서 뉴런은 아날로그 부품으로 만들어진 디지털 장치이며, 호지킨과 헉슬리의 통로 동역학은 역치와 전부 아니면 전무의 거동이 어떻게 막의 물리에서 솟아나는지를 마침내 보여주었다.

이들의 대표적인 수치 몇 가지를 한자리에 모아두는 것은 가치가 있다. 함께 놓고 보면 그것들이 사건 전체를 스케치하기 때문이다. 마이너스 55밀리볼트 부근의 역치, 플러스 30밀리볼트 근처의 정점, 스파이크가 시작된 시점부터 대략 0에서 2밀리초 사이에 열리는 나트륨 통로, 약 1에서 4밀리초 사이에 열리는 칼륨 통로, 1에서 2밀리초의 절대 불응기, 그리고 가장 빠른 섬유에서는 초속 120미터에 육박하는 전도 속도.

불응기와 전도의 방향

모든 활동전위가 지나간 뒤, 불활성화된 나트륨 통로는 아무리 강한 자극이 와도 약 1에서 2밀리초 동안 다시 열리지 못한다. 이 구간이 절대 불응기이며, 이것은 두 가지 핵심적인 일을 한다. 첫째, 뉴런이 얼마나 빠르게 발사할 수 있는지에 천장을 씌워, 축삭의 최대 발사율을 대략 500에서 1000헤르츠 어딘가로 제한한다. 둘째, 좀 더 미묘하게는, 활동전위에 방향을 부여한다.

스파이크가 축삭을 따라 이동할 때, 그 바로 뒤에 있는 막 조각은 나트륨 통로가 일시적으로 잠긴 불응 상태로 남겨진다. 그래서 스파이크는 방금 지나온 영역으로 돌아가 그곳을 다시 흥분시킬 수 없고, 아직 쉬어 있어 준비된 막으로 앞을 향해 밀고 나갈 수 있을 뿐이다. 불응기야말로 신경 전도를 일방통행로로 만드는 것이며, 신호가 앞뒤로 출렁거리는 대신 세포체에서 말단을 향해 행진하도록 보장한다.

마디 사이를 건너뛰기

전도를 더 빠르게 만들기 위해 척추동물이 진화시킨 또 하나의 기술이 있는데, 그것은 오징어 축삭의 느긋한 전파를 훨씬 더 신속한 무언가로 탈바꿈시킨다. 우리의 많은 축삭은 미엘린으로 감싸여 있는데, 이것은 지지 역할을 하는 신경아교세포가 깔아놓은 지방질 절연 외피로, 그 감싸기는 랑비에 결절이라 불리는 작고 헐벗은 틈에 의해 일정한 간격으로 끊긴다.

전압개폐성 나트륨 통로는 이 결절들에 빽빽하게 모여 있고, 미엘린 아래에 파묻힌 긴 막 구간은 전기적으로 침묵한다. 활동전위는 막의 1마이크로미터 한 칸 한 칸을 따라 끊임없이 스스로를 재생하는 대신, 사실상 한 결절에서 다음 결절로 건너뛰는데, 이런 전파 방식을 라틴어 saltare, 즉 도약하다에서 온 도약 전도라 부른다. 신호가 곳곳마다가 아니라 널찍하게 떨어진 결절들에서만 다시 세워지면 되기 때문에, 그것은 극적으로 더 빠르게 이동하며, 당신의 근육을 움직이는 가장 빠른 A-알파 운동섬유에서는 초속 약 120미터의 정점 속도에 도달한다. 그것은 대략 시속 270마일로, 당신이 의식적으로 화상을 느끼기도 전에 뜨거운 팬에서 손을 홱 떼어낼 수 있는 이유다.

개구리 신경에서 단일 통로까지

활동전위의 발견은 20세기 거의 전체에 걸친 긴 호이며, 각 장이 해상도를 한층씩 날카롭게 다듬었다. 에이드리언과 루카스는 1912년에 통째 신경과 조잡한 기록 장비로 작업하며 신경에 대한 전부 아니면 전무의 법칙을 확립했다. 호지킨과 헉슬리는 1952년에 오징어 스파이크를 정량화하고 1963년에 노벨상을 받았는데, 막 전류를 어찌나 정확하게 방정식으로 모델링했던지 그들의 형식은 오늘날에도 여전히 가르쳐지고 시뮬레이션된다. 그러다 1976년에 에르빈 네어와 베르트 자크만이 패치 클램프를 발명했으니, 이는 단일 이온 통로를 통과하는 전류를, 다시 말해 호지킨과 헉슬리가 추론은 했으나 본 적은 없었던 바로 그 분자 관문을 기록할 만큼 섬세한 기법이었다. 그 업적은 1991년에 자체적으로 노벨상을 받으며, 통째 신경에서 개별 분자에 이르는 고리를 닫았다.

이 모든 것의 임상적 무게는 그 기계장치가 고장 났을 때 생생하게 드러난다. 전압개폐성 나트륨 통로와 칼륨 통로를 암호화하는 유전자에는 돌연변이가 실릴 수 있는데, 그렇게 되면 그 결과는 채널병증이라 불리는, 흥분성의 유전성 장애가 된다. 특정 나트륨 통로 돌연변이는 특정 형태의 뇌전증과 드문 유전성 통증 증후군의 바탕에 깔려 있고, 칼륨 통로 돌연변이는 발작성 운동실조와 심장 근육의 재분극 결함이 위험할 수 있는 긴 QT 심장 부정맥에 연루되어 있다. 뉴런이 발사하게 만드는 바로 그 물리가, 살짝 잘못 배선되면, 발작이나 한 박자 거른 심장박동을 만들어낼 수 있으니, 이는 단 몇 밀리초의 이온 흐름에 얼마나 많은 것이 걸려 있는지를 일깨우는 정신이 번쩍 드는 사실이다.

핵심 정리

활동전위는 약 1에서 2밀리초 길이의 짧고 전부 아니면 전무인 전압 스파이크로, 약해지지 않은 채 축삭을 따라 전파되며, 신경계 전체의 근본 신호다. 그것은 막이 마이너스 55밀리볼트 부근의 역치 너머로 떠밀릴 때에만 발사되며, 그 지점에서 전압개폐성 나트륨 통로가 열려 세포 안쪽을 휴지 상태인 마이너스 70밀리볼트에서 플러스 30밀리볼트 근처의 정점까지 끌어올린다. 그다음 나트륨 통로는 불활성화되는 한편, 더 느린 칼륨 통로가 열려 재분극과 짧은 후과분극을 거치며 막을 다시 끌어내린다. 나트륨 통로 불활성화로 생기는 1에서 2밀리초의 절대 불응기는 발사율을 약 500에서 1000헤르츠로 제한하는 동시에 스파이크가 오직 한 방향으로만 이동하도록 강제하며, 미엘린과 랑비에 결절 사이의 도약 전도는 가장 빠른 신호를 초속 약 120미터까지 밀어 올린다. 앨런 호지킨과 앤드루 헉슬리는 이 모든 것을 플리머스에서 0.5밀리미터짜리 오징어 거대 축삭으로 풀어냈고 1952년에 정량적 모델을 발표했으니, 1912년의 에이드리언과 루카스에서 1976년 네어와 자크만의 패치 클램프 기록에 이르는 긴 발견의 사슬은 하나의 신경 자극이 어떻게 작동하는지, 그리고 그 밀리초들을 제대로 맞추는 일에 인간의 건강이 얼마나 많이 달려 있는지를 함께 보여준다.