합계(신생리학)
Summation (neurophysiology)
공간 합계와 시간 합계를 모두 포함하는 합계는 다중 동시 입력(공간 합계)과 반복 입력(임시 합계)에서 모두 흥분 신호와 억제 신호의 결합 효과에 의해 작용 전위가 생성되는지 여부를 결정하는 과정이다. 많은 개별 입력의 합계에 따라 합계는 동작 전위를 트리거하는 임계 전압에 도달할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.[1]
사전 시냅스 뉴런의 단자에서 방출되는 신경전달물질은 신경전달물질 수용체에 의해 게이트되거나 변조되는 이온 채널에 따라 두 가지 범주 중 하나에 속한다. 흥분성 신경전달물질은 시냅스 후 세포의 탈극화를 생성하는 반면, 억제성 신경전달물질에 의해 생성되는 초극화는 흥분성 신경전달물질의 영향을 완화시킬 것이다.[2] 이러한 탈극화를 EPSP, 즉 흥분성 시냅스 후 전위라고 하며, 초극화를 IPSP, 즉 억제성 시냅스 후 전위라고 한다.
뉴런이 서로에게 미칠 수 있는 유일한 영향은 흥분, 억제, 그리고 조절 전송기를 통해 서로의 흥분성을 편향시키는 것이다. 그러한 작은 기본 상호작용 집합으로부터, 뉴런 연쇄는 단지 제한된 반응만을 만들어 낼 수 있다. 통로는 흥분 입력을 통해 촉진될 수 있다. 그러한 입력을 제거하면 설비가 제거된다. 경로도 억제될 수 있다. 억제 입력의 제거는 억제 입력에 다른 흥분 소스가 존재하는 경우 억제를 증가시킬 수 있다.
주어진 대상 뉴런이 여러 출처로부터 입력을 수신할 때, 초기 도달 입력의 영향이 아직 붕괴되지 않은 시간에 입력이 근접하게 도달하면 그러한 입력들을 공간적으로 요약할 수 있다. 대상 뉴런이 단일 액손 단자에서 입력을 수신하고 그 입력이 짧은 간격으로 반복적으로 발생하는 경우 입력을 일시적으로 요약할 수 있다.
역사
신경계는 찰스 셔링턴이 뉴런의 전기적 특성을 시험하기 시작한 1800년대 후반부터 일반 생리학 연구의 범위에 포함되기 시작했다. 신경생리학에 대한 그의 주된 공헌은 무릎-저크 반사작용과 흥분과 억제의 두 호혜적인 힘 사이에서 그가 한 추론 연구와 관련이 있다. 그는 이러한 조절 반응이 일어나는 부위가 신경회로의 단방향 경로의 세포간 공간이라고 가정했다. 그는 먼저 "뇌의 중심부가 더 높은 곳일수록 하부 중심부의 흥분 기능을 억제한다"는 제안과 함께 가능한 진화 및 신경 억제 역할을 소개했다.[1]
오늘날 화학 시냅스 전달에 대한 많은 지식은 엔드 플레이트라고도 불리는 신경근접합물에서 아세틸콜린 방출의 영향을 분석하는 실험을 통해 얻어졌다. 이 지역의 선구자들은 신경계 연구를 위한 실험모델로 오징어 거인 액손(Axon)을 사용한 베르나르 캣츠와 알란 호지킨을 포함했다. 상대적으로 큰 크기의 뉴런은 미세하게 잘 다듬어진 전극을 사용하여 막을 가로질러 요동치는 전기생리학적 변화를 감시할 수 있게 했다. 1941년 카츠가 개구리의 다리의 위궤도 좌골신경에서 미세전극을 시행한 것이 들판을 환하게 비추었다. 개구리 다리의 수축으로 나타나는 근육 작용 전위를 유발하는 것은 엔드플레이트 전위(EPP)라는 것이 곧 일반화되었다.[3]
1951년 폴 파트와 함께 수행된 연구에서 Katz가 발견한 반증 중 하나는 근육 세포막의 잠재력에 있어 사전 시냅스 운동 뉴런의 자극 없이도 자발적인 변화가 일어난다는 것이었다. 이러한 잠재적 스파이크는 훨씬 더 작으며 일반적으로 1mV 미만이라는 점을 제외하고 작용 전위와 유사하다. 따라서 그것들은 미니어처 엔드 플레이트 전위(MEPs)라고 불렸다. 1954년, 시냅스 후 단자의 첫 전자 현미경 영상이 소개되면서, 이러한 MEP는 신경전달물질을 운반하는 시냅스 염소에 의해 만들어졌다는 것이 밝혀졌다. 신경전달물질의 정량 방출의 산발적인 성질은 카츠와 델 카스티요의 "혈관 가설"로 이어졌는데, 이는 송신기 방출의 정량화를 시냅스 베시클과의 연관성에 귀속시킨다.[3] 이것은 또한 Katz에게 MEP에 해당하는 이러한 개별 단위의 합계에 의해 조치 전위 발생이 촉발될 수 있음을 시사했다.[4]
종류들
어느 순간, 뉴런은 수천 개의 다른 뉴런으로부터 시냅스 후 전위를 받을 수 있다. 문턱에 도달하는지, 그리고 작용 전위가 생성되는지는 그 순간에 모든 입력의 공간적(즉, 복수의 뉴런으로부터)과 시간적(단일 뉴런으로부터) 합계에 달려 있다. 전통적으로 시냅스가 뉴런의 세포체에 가까울수록 최종 합성에 미치는 영향은 더 크다고 생각된다. 시냅스 후 전위는 낮은 농도의 전압 게이트 이온 채널을 포함하는 덴드라이트를 통과하기 때문이다.[5] 따라서 시냅스 후 전위는 뉴런 세포체에 도달할 때쯤 감쇠한다. 뉴런 세포체는 들어오는 전위를 통합(추가 또는 합산)하여 컴퓨터 역할을 한다. 그런 다음 순 전위는 액손 힐록으로 전송되며, 여기서 동작 전위가 시작된다. 고려해야 할 또 다른 요인은 흥분 및 억제 시냅스 입력의 합이다. 억제 입력의 공간적 합계는 흥분 입력을 무효화할 것이다. 이러한 널리 관측된 효과를 EPSPs의 억제 '분해'라고 한다.[5]
공간 합계
공간적 합성은 복수의 사전 시냅스 세포로부터 입력된 뉴런의 작용 전위를 이끌어내는 메커니즘이다. 이것은 다른 입력 영역의 전위(일반적으로 덴드라이트)의 대수적 합계다. 흥분성 시냅스 후 전위를 합하면 전위가 임계 전위에 도달하여 작용 전위를 발생시킬 확률을 증가시키는 반면, 억제 후 시냅스 전위를 합하면 세포가 작용 전위를 달성하는 것을 막을 수 있다. 덴드리트 입력이 액손 힐록에 가까울수록, 그 전위는 시냅스 후 셀에서 작용 전위의 발사 확률에 더 많은 영향을 미칠 것이다.[6]
시간 합계
시간적 합산은 사전 시냅스 뉴런에서 높은 빈도의 작용 전위가 서로 합치되는 시냅스 후 전위를 도출할 때 발생한다. 시냅스 후 전위의 지속시간은 들어오는 동작 전위 사이의 간격보다 길다. 세포막의 시간 상수가 세포체의 경우와 같이 충분히 길면, 합계의 양이 증가한다.[6] 다음 전위가 시작되는 시점에서 시냅스 후 전위의 진폭은 대수적으로 합쳐서 개별 전위보다 더 큰 전위를 발생시킬 것이다. 이것은 막 전위가 임계치에 도달하여 작용 전위를 발생시킬 수 있도록 한다.[7]
메커니즘
신경전달물질은 시냅스 후 전위(PSP)를 생성하는 시냅스 세포에서 이온 채널을 열거나 닫는 수용체에 결합한다. 이러한 전위는 시냅스 후 뉴런에서 일어날 수 있는 행동 전위의 가능성을 변화시킨다. PSP는 작용 전위가 발생할 확률을 증가시킬 경우 흥분되는 것으로 간주되며, 발생 확률을 감소시킬 경우 억제된다.[4]
흥분제로서 글루타민산염
예를 들어, 신경전달물질 글루탐산염은 척추동물의 흥분성 시냅스 후 전위(EPSP)를 유발하는 것으로 널리 알려져 있다. 실험 조작은 사전 시냅스 뉴런의 비테탄적 자극을 통해 글루탐산염의 방출을 유발할 수 있다. 글루탐산염은 이후 시냅스 막에 포함된 AMPA 수용체에 결합되어 양전하 나트륨 원자가 유입된다.[3] 이러한 나트륨 내부 흐름은 시냅스 후 뉴런과 EPSP의 단기간 탈분극화로 이어진다. 이러한 종류의 단극화는 시냅스 후 뉴런에 큰 영향을 미치지 않을 수 있지만, 고주파 자극에 의한 반복적인 탈극화는 EPSP 합산으로 이어지고 임계 전위를 초과할 수 있다.[8]
억제 사례로서의 GABA
글루탐산염과 대조적으로 신경전달물질 GABA는 주로 척추동물의 억제 후 시냅스 전위(IPSP)를 유발하는 기능을 한다. GABA가 시냅스 후 수용체에 결합하면 이온 채널이 열리게 되어 음전하 염화물이 세포로 유입되거나 양전하 칼륨 이온이 세포 밖으로 유출된다.[3] 이 두 가지 옵션의 효과는 시냅스 후 셀, 즉 IPSP의 초극화다. 다른 IPSP와 대조되는 EPSP와의 합계를 통해 시냅스 후 전위가 임계값에 도달하고 시냅스 후 뉴런에 작용 전위를 발사하는 원인이 되는지를 결정한다.
EPSP 및 탈극화
막 전위가 발화 임펄스 임계치 이하인 한 막 전위는 입력을 합산할 수 있다. 즉, 한 시냅스에서 신경전달물질이 작은 탈극성을 유발할 경우, 동일한 세포 본체의 다른 곳에 위치한 다른 시냅스에서 동시에 송신기가 방출되어 더 큰 탈극화를 유발하게 된다. 이를 공간적 합계라고 하며 시간적 합계라고 보완하는데, 이때 한 시냅스에서 송신기를 연속적으로 방출하면 시냅스 후 뉴런의 막전위 변화들의 붕괴 속도보다 전시냅스 변화가 더 빨리 일어나는 한 진행적 양극화 변화를 일으킨다.[4] 신경전달물질 효과는 사전 시냅스 자극보다 몇 배 더 오래 지속되며, 따라서 효과의 합산이 가능하다. 따라서, EPSP는 기본적인 방법에서 행동 가능성과는 다르다. 즉, EPSP는 충동 방전의 전체 또는 단일 반응과는 반대로 입력을 요약하고 등급화된 반응을 나타낸다.[9]
IPSP 및 초극화
주어진 시냅스 후 뉴런이 흥분성 신경전달물질을 받아 요약하는 것과 동시에, 그것은 또한 발사를 멈추라고 말하는 모순된 메시지를 받고 있을 수도 있다. 이러한 억제 영향(IPSP)은 시냅스 후 막이 과극화되는 억제 신경전달물질 시스템에 의해 매개된다.[10] 그러한 영향은 일반적으로 세포내 칼륨 중 하나가 시냅스 후 전지를 떠나거나 세포외 염화물이 들어갈 수 있도록 하는 선택적 이온 채널의 개방에 기인한다. 어느 경우든 순효과는 세포내 부정에 더하여 막 전위를 임펄스를 발생시키기 위한 문턱에서 더 멀리 이동시키는 것이다.[7][9]
EPSP, IPSP 및 대수적 처리
EPSP와 IPSP가 동일한 셀에서 동시에 생성되는 경우, 호기 및 억제 입력의 상대적 강도에 의해 출력 반응이 결정된다. 따라서 출력 지침은 정보의 대수적 처리에 의해 결정된다. 시냅스 전체의 방전 임계값은 그것에 작용하는 사전 시냅스 발리의 함수로서, 주어진 뉴런은 많은 액손으로부터 가지를 받을 수 있기 때문에, 그러한 시냅스 네트워크에서의 임펄스의 통로는 매우 다양할 수 있다.[11] 시냅스의 다용성은 입력 신호를 대수적으로 요약하여 정보를 수정하는 능력에서 발생한다. 시냅스 후 막의 자극 한계치의 후속 변화는 관련된 송신기 화학 물질과 이온 투과도에 따라 강화되거나 억제될 수 있다. 따라서 시냅스는 정보가 수렴되는 결정지점 역할을 하며, EPSP와 IPSP의 대수적 처리에 의해 수정된다. IPSP 억제 메커니즘 외에도 억제된 액손에 대한 과극화 또는 지속적인 탈극화를 수반하는 사전 시냅스적 억제 종류가 있다. 전자가 되었든 후자가 되었든 관련된 특정 뉴런에 의존한다.[6]
현재 연구
Katz와 그의 동시대 사람들이 사용하는 마이크로 전극은 오늘날 이용할 수 있는 기술적으로 진보된 녹음 기술에 비해 창백하다. 공간적 총합은 덴드리트 나무에 다중 로키를 동시에 기록할 수 있는 기술이 개발되면서 많은 연구 관심을 받기 시작했다. 많은 실험은 감각 신경세포, 특히 광학 뉴런의 사용을 수반한다. 왜냐하면 그것들은 억제와 흥분성 입력의 범위 주파수를 지속적으로 통합하고 있기 때문이다. 신경 합계에 대한 현대 연구는 덴드라이트와 뉴런의 세포 본체에 대한 시냅스 후 전위 감쇠에 초점을 맞추고 있다.[1] 반응이 개별 반응의 합보다 작기 때문에 이러한 상호작용은 비선형이라고 한다. 때때로 이것은 흥분성 후 전위의 전도성 저하인 션팅이라고 불리는 억제에 의해 야기되는 현상일 수 있다.[7]
션팅 억제는 거북이 기저 시신경핵에 대한 세포전체를 실험한 마이클 아리엘과 코고 나오키의 작품에서 나타난다. 그들의 연구는 흥분성 및 억제성 후 전위성의 공간적 합계가 대부분의 시간 억제 반응 동안 흥분성 반응의 감쇠를 유발한다는 것을 보여주었다. 그들은 또한 감쇠 후 발생하는 흥분 반응의 일시적 증대에 주목하였다. 제어 장치로서 그들은 전압에 민감한 채널이 초극화 전류에 의해 활성화되었을 때 감쇠를 시험했다. 그들은 감쇠가 초극화에 의한 것이 아니라 시냅스 수용체 채널의 개방에 의해 전도성 변동을 야기하는 것이라고 결론지었다.[12]
잠재적 치료 응용
nociceptive 자극에 관해서 공간적 합계는 큰 영역에서 고통스러운 입력을 통합하는 능력인 반면, 시간 합계는 반복적인 nocptive 자극들을 통합하는 능력을 말한다. 널리 퍼지고 오래 지속되는 고통은 많은 만성적인 통증 증후군의 특징이다. 이는 만성적인 통증 조건에서 공간적 및 시간적 합계가 모두 중요하다는 것을 시사한다. 실제로 압력 자극 실험을 통해 공간적 합산이 nocicptive 입력, 특히 압력 통증의 시간적 합산을 촉진한다는 것이 입증되었다.[13] 따라서 공간적 누적 메커니즘과 시간적 누적 메커니즘을 동시에 대상으로 하는 것은 만성 통증 조건의 치료에 도움이 될 수 있다.
참고 항목
참조
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