Action Potential 활동 전위

 

✅자극과 반응의 관계

뉴런에 자극이 가해질 때, 그 자극의 강도는 보통 임계 자극(Threshold Stimulus)으로 정규화되며, 강도가 높을수록 더 강한 자극을 의미한다. 이때 중요한 요소는 임계값(Threshold)이다. 뉴런의 막 전위(Membrane Potential)가 이 임계값을 넘어야만 활동 전위가 발생하게 된다. 자극 강도가 낮을 때는 뉴런의 반응이 상대적으로 선형적이다. 그러나 자극이 점점 강해져 임계값을 넘으면 뉴런은 비선형적(Non-linear)으로 반응하게 되며, 활동 전위가 발생한다.

이때 뉴런의 반응은 더 이상 수동적이지 않고 능동적(Active)이다. 능동적 반응은 양성 피드백(Positive Feedback)을 통해 신호가 증폭되고 전달되는 메커니즘이다. 즉, 자극이 뉴런에 임계값을 넘어서 도달하면, 뉴런은 스스로의 전압 게이트를 열고 나트륨 이온을 세포 내부로 들여보내면서 활동 전위가 발생하고 빠르게 전파된다.

✅휴지 상태에서의 이온 흐름

뉴런이 휴지 상태(Resting State)에 있을 때, 나트륨 채널(Sodium Channel)은 대부분 닫혀 있지만 일부는 여전히 열려 있어 이온 교환(Ion Exchange)이 일어난다. 나트륨 이온이 세포 내부로 들어오는 양과 칼륨 이온이 외부로 나가는 양이 같기 때문에, 이 시점에서 순 전류(Net Current)는 0이 된다. 이로 인해 막 전위는 일정하게 유지되며, 이 값은 0이 아니다.

뉴런의 휴지 막 전위는 농도 구배(Concentration Gradient)로 인해 형성된다. 휴지 상태에서는 나트륨-칼륨 펌프(Sodium-Potassium Pump)가 계속해서 나트륨 이온을 세포 밖으로, 칼륨 이온을 세포 안으로 이동시켜 농도 차이를 유지한다.

✅활동 전위의 생성 및 전도 과정

활동 전위는 나트륨 전도도(Sodium Conductance)가 칼륨 전도도(Potassium Conductance)보다 높아지면서 발생합니다. 나트륨 채널이 열리면 나트륨 이온이 뉴런 안으로 들어와 막 전위가 급격하게 양성으로 전환된다. 이 과정을 탈분극(Depolarization)이라 하며, 활동 전위의 상승 국면(Rising Phase)을 나타낸다.

활동 전위가 피크에 도달한 후, 나트륨 채널이 닫히고 칼륨 채널이 열리면서 재분극(Repolarization)이 일어난다. 이 과정에서 칼륨 이온이 뉴런 밖으로 빠져나가면서 막 전위는 다시 음성으로 돌아가 휴지 상태로 복귀하게 된다. 이러한 재분극 과정은 활동 전위의 하강 국면(Falling Phase)이라고 부른다.

✅휴지 상태에서의 전류 구성 요소

뉴런이 휴지 상태에 있을 때는 순 전류가 흐르지 않는다. 막을 통해 흐르는 전류는 주로 나트륨 전류(Sodium Current), 칼륨 전류(Potassium Current), 염화물 전류(Chloride Current)로 구성된다. 이 세 가지 성분의 합이 0일 때, 뉴런은 안정 상태(Steady State)라고 한다.

하지만 만약 막 전위가 시간이 지남에 따라 변하게 되면, 정전 용량 전류(Capacitive Current)도 고려해야 한다. 정전 용량 전류는 막의 전압이 변화할 때만 발생하며, 전압이 일정하게 유지될 때는 흐르지 않는다. 이때 막 전위와 막 전류 사이의 관계는 나트륨, 칼륨, 염화물 전류뿐만 아니라 정전 용량 전류까지 고려해 설명할 수 있다.

✅막 전위와 활동 전위 사이의 비선형 관계

자극이 임계값을 넘지 않는다면 뉴런의 반응은 선형적이다. 자극이 증가함에 따라 막 전위가 서서히 증가하지만, 이 과정에서 활동 전위는 발생하지 않는다. 하지만 자극이 임계값을 넘는 순간, 나트륨 채널이 급격히 열리면서 나트륨 이온이 뉴런 안으로 빠르게 들어오고, 이를 통해 활동 전위가 발생한다. 이때부터 뉴런의 반응은 비선형적으로 변화한다.

✅Hodgkin과 Huxley의 활동 전위 모델

활동 전위에 대한 이해는 1952년 Hodgkin과 Huxley의 연구에 의해 크게 발전했다. Hodgkin과 Huxley는 속도 클램프(Voltage-Clamp)라는 실험 방법을 사용해 뉴런의 막 전위와 전류를 측정하고 조절했다. 뉴런의 막 전위를 일정하게 유지하면서 막을 통과하는 전류를 조절하여 정전 용량 전류와 누설 전류(Leak Current)를 제거하는 방식이다.

이를 통해 활동 전위의 여러 성분을 분리하고 분석할 수 있다. 예를 들어, 나트륨 채널을 테트로도톡신(TTX)으로 차단하여 나트륨 전류만을 제거하거나, 칼륨 채널을 사전 처리하여 나트륨 전류와 칼륨 전류를 개별적으로 측정할 수 있다.