신경공학(neural engineering)은 엔지니어링, 정량적 방법론을 신경계에 적용하는 것에 초점을 맞춥니다. 이 분야는 실험적, 계산적, 이론적, 임상적 접근법을 사용하며, 분자, 세포 및 시스템 수준에서 연구를 수행합니다. 엔지니어, 신경과학자, 의료진들이 함께 작업합니다.
주요 연구 영역:
- 신경영상 (Neuroimaging)
- 신경 모델링 (Neural modeling)
- 신경 인터페이스/뇌-기계 인터페이스 (Neural interfaces/brain-machine interface)
- 신경 보조기 (Neural prostheses)
- 신경 조직 재생 (Neural tissue regeneration)
신경공학의 목표:
| 인공 장치와 신경계간의 직접적인 상호작용을 통한 인간 기능의 복원 및 증진 |
| 감각 및 운동 시스템에서 정보의 코딩 및 처리 이해 |
| 병리 상태에서 처리가 어떻게 변경되는지 정량화 |
| 뇌-컴퓨터 인터페이스와 신경보조기를 포함한 인공 장치와의 상호작용을 통해 조작 가능한지 확인 |
| 신경공학에서 엔지니어들은 정량적 도구를 사용하여 복잡한 신경 시스템을 연구합니다. 예를 들어, 신경 시스템 활동의 특성을 이해하기 위해 엔지니어들은 신호 처리 기술과 계산 모델링을 사용합니다. |
A brief introduction to neuroscience (신경과학 간략한 소개):
신경과학은 뇌, 척수, 말단신경계를 포함한 신경계에 대한 연구입니다. 이 과학은 우리의 생각, 행동, 감각, 움직임 등에 관련된 다양한 신경 과정을 이해하고자 합니다.
Information transmission within nervous system: by neural signal (신경계 내 정보 전송):
신경신호에 의해 정보 전달이 이루어집니다. 이러한 신호는 전기적 및 화학적 메커니즘이 결합되어 전달됩니다.
Synaptic transmission(신경 전달) example:
Knee jerk(무릎 반사)
시냅스 전달: 예시 - 무릎 반사: 무릎 반사는 근육의 길이와 길이 변화를 감지하는 근섬유에 의해 시작되는 반사적인 움직임입니다. 이 움직임은 신경 축삭에서 다른 뉴런이나 근육 세포로 전달되는 신호를 통해 발생합니다.
Neuron: an excitable cell (뉴런: 흥분 가능한 세포) :
뉴런은 전기적 신호를 생성하고 전달할 수 있는 세포로, 신경계의 기본 단위입니다. 뉴런은 세포체, 수상돌기, 축삭 등으로 구성되어 있습니다.
| cell body(세포체): 뉴런의 중심부로, 세포의 핵과 대부분의 세포소기관을 포함합니다. |
| Axon: 세포체에서부터 연장된 신경섬유로, 신호를 다른 뉴런이나 근육 세포로 전달합니다. |
| 수상돌기: 뉴런 세포체에서 나오는 가지 모양의 구조로, 다른 뉴런으로부터의 신호를 수신합니다. |
| Presynaptic terminals: 축삭의 끝 부분으로, 시냅스를 통해 다른 뉴런이나 근육 세포와 연결됩니다. |
Neuroglial Cell (신경글리아 세포):
신경교원세포(neuroglial cell)는 뇌와 신경계에 존재하는 비신경 세포로, 신경 세포를 지지하고 보호하는 역할을 수행합니다. 세 가지 주요 신경교원세포는 아스트로사이트(astrocyte), 올리고덴드로사이트(oligodendrocyte), 슈완세포(Schwann cell)입니다.
- 아스트로사이트(astrocyte):
아스트로사이트는 별 모양의 형태를 가진 신경교원세포로, 뇌와 척수에서 다양한 역할을 수행합니다. 이들의 주요 기능은 신경 세포를 지지하고 영양을 공급하는 것뿐만 아니라, 혈액-뇌장벽(blood-brain barrier)을 유지하고, 신경전달물질을 처리하며, 뇌 환경의 홈오스타시스를 조절하는 것입니다. - 올리고덴드로사이트(oligodendrocyte):
올리고덴드로사이트는 중추신경계(CNS)에 위치한 신경교원세포로, 뉴런의 축삭 주변에 미엘린층을 형성하여 전기적 절연과 신경 전도 속도 향상을 도와줍니다. 한 올리고덴드로사이트는 여러 개의 축삭에 미엘린을 제공할 수 있습니다. - 슈완세포(Schwann cell):
슈완세포는 말단신경계(PNS)에 위치한 신경교원세포로, 올리고덴드로사이트와 유사한 역할을 수행합니다. 그러나 슈완세포는 말단신경계의 뉴런 축삭에 미엘린을 형성하고 전기적 절연을 제공합니다. 한 슈완세포는 하나의 축삭에만 미엘린을 제공하며, 또한 축삭 손상 후 재생과 수리에 중요한 역할을 합니다.
Action potential: neuronal signal(행동 전위: 신경 전달 신호)
행동 전위는 뉴런이 전기적 신호를 전달하는 방식입니다. 이것은 뉴런 세포막의 전압 변화를 통해 발생하며, 이 전압 변화가 뉴런의 축삭을 따라 전파되어 다른 뉴런이나 근육 세포와의 시냅스에서 신호를 전달합니다.
Ion channel in neural cell membrane(신경세포막에서의 이온 채널):
신경세포막에는 이온 채널이 존재하며, 이들은 세포 외부와 내부 사이에서 이온의 이동을 통해 전기적 활성을 생성하고 유지합니다. 이온 채널은 전위 변화를 일으키고, 이 변화가 축삭을 따라 전파되면서 신호 전달이 이루어지게 합니다. 주요 이온 채널에는 Na+ 채널, K+ 채널, Ca2+ 채널, Cl- 채널 등이 있습니다.
Action potential 행동 전위:
행동 전위(action potential) 발생 원리는 다음과 같은 과정을 거쳐 이루어집니다:
- 휴식 상태(resting state):
휴식 상태에서 뉴런의 세포막은 전기적으로 극화되어 있으며, 이때의 세포막 전위는 약 -70mV입니다. 세포막 내부는 음전하를 띠고, 외부는 양전하를 띠게 됩니다. 이 상태에서 Na+ 채널과 K+ 채널은 대부분 닫혀 있습니다. - 자극 및 역치 도달(threshold):
뉴런에 충분한 자극이 가해지면, 세포막 전위가 상승하기 시작합니다. 이때 세포막 전위가 역치(threshold)인 약 -55mV에 도달하면, 행동 전위가 발생합니다. - 양성 피드백(positive feedback):
역치에 도달하면, 전압 의존성 Na+ 채널이 빠르게 열리게 되고, Na+ 이온이 세포 내로 들어오면서 세포막 전위가 급격히 상승합니다(+30mV 정도까지). 이 때 양성 피드백이 발생하여 더 많은 Na+ 채널이 열리고 더 많은 Na+ 이온이 내부로 들어오게 됩니다. - 행동 전위 발생(action potential):
세포막 전위가 +30mV에 이르면, Na+ 채널은 닫히고 K+ 채널이 열립니다. 이 과정에서 K+ 이온이 세포 외부로 나가게 되고, 세포막 전위는 다시 음전하 방향으로 떨어지게 됩니다. 이러한 과정이 전체적으로 행동 전위를 형성합니다. - 하이퍼폴라리제이션(hyperpolarization) 및 복극화(repolarization):
K+ 채널이 늦게 닫히면서 세포막 전위가 잠시 -70mV 이하로 떨어질 수 있습니다(하이퍼폴라리제이션). 이후, 능동 수송 펌프와 능동 이온 채널의 작용으로 세포막 전위는 다시 휴식 상태의 -70mV로 돌아갑니다(복극화).
신경 전도(nerve conduction)
신경 전도(nerve conduction)는 신경 섬유를 따라 전기적 신호가 전달되는 과정입니다. 뉴런의 축삭(axon)은 미엘린으로 덮인 경우(myelinated axon)와 덮이지 않은 경우(unmyelinated axon)가 있으며, 이 두 유형은 신경 전도 속도와 메커니즘에 영향을 줍니다.
- 비미엘린화된 축삭(unmyelinated axon):
이러한 축삭은 미엘린 층이 없으며 전기적 신호가 연속적으로 전달되는 방식입니다. 행동 전위가 일어나면 이온 채널이 열리고 닫히면서 전압 변화가 생깁니다. 이 전압 변화는 축삭을 따라 연속적으로 이동하며, 이 과정은 상대적으로 느린 속도로 전기적 신호가 전달됩니다. - 미엘린화된 축삭(myelinated axon): 미엘린화된 축삭은 미엘린 층이라는 지방질 물질로 덮여 있어 축삭의 전기적 절연을 증가시키고 신경 전도 속도를 높입니다. 미엘린 층 사이에는 노드 오브 란비에(Node of Ranvier)라 불리는 작은 미엘린이 없는 구간이 있습니다. 이 노드에서만 이온 채널이 열리고 닫히기 때문에 행동 전위는 노드 사이를 빠르게 "뛰어넘는" 방식으로 전달됩니다. 이 과정을 '소금투척식 전도(saltatory conduction)'라고 합니다.
Synapse
Synapse는 두 개의 뉴런 사이 또는 뉴런과 근육 세포 사이에서 신호를 전달하는 접점입니다.
뉴런과 뉴런 사이의 시냅스:
전신경종말 (presynaptic terminal): 신호를 전달하는 뉴런의 끝 부분입니다. 여기서 신경전달물질이 생성되고 저장됩니다.
주머니 (vesicle): 전신경종말에 위치한 작은 공간으로, 신경전달물질을 담고 있습니다.
용새 (synaptic cleft): 두 뉴런 사이의 작은 공간으로, 전신경종말과 수신신경종말 사이에 위치합니다.
수용체 (receptor): 수신신경종말의 표면에 위치한 단백질로, 특정 신경전달물질과 결합하여 신호를 전달합니다.
아세틸콜린 (acetylcholine): 이 경우의 주요 신경전달물질로, 전신경종말에서 생성되어 근육 세포와 상호 작용하여 근육의 수축을 촉진합니다.
호지킨-허클리(Hodgkin-Huxley) 모델
Excitatory and inhibitory post-synaptic potentials ( EPSP [양성 전위]와 IPSP [음성전위] )
EPSP는 "excitatory postsynaptic potential"의 약어로, 시냅스에서 화학물질인 신경전달물질이 전위를 양성 방향으로 변화시키는 것을 말합니다. 이는 신경세포가 활성화되고 신호를 전달하기 위한 기점이 됩니다.
반면에 IPSP는 "inhibitory postsynaptic potential"의 약어로, 시냅스에서 화학물질인 신경전달물질이 전위를 음성 방향으로 변화시키는 것을 말합니다. 이는 신경세포가 억제되고 신호를 전달하지 않는 기점이 됩니다.
'2023 상반기 > 뇌신경공학' 카테고리의 다른 글
| 뇌신경공학 - 기말 정리 (1) | 2023.06.14 |
|---|---|
| 뇌신경공학 중간 review (0) | 2023.04.26 |
| 뇌신경 중간 대비 1 (0) | 2023.04.22 |
| 뇌신경공학(Neural Engineering) ppt-2.1, 2.2 정리 (0) | 2023.04.10 |
댓글