[논문 리뷰] Basic Neural Units of the Brain: Neurons, Synapses and Action Potential

Jiawei Zhang|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 30.

Cellular transport and secretion참고 문헌 7인용 수 37

한 줄 요약

이 논문은 기본 신경 단위인 뉴런, 시냅스, 활동전위의 기초를 다루는 튜토리얼 개요를 제공하며, 그들의 구조, 유형 및 신호 전달 메커니즘을 다룬다.

ABSTRACT

As a follow-up tutorial article of [29], in this paper, we will introduce the basic compositional units of the human brain, which will further illustrate the cell-level bio-structure of the brain. On average, the human brain contains about 100 billion neurons and many more neuroglia which serve to support and protect the neurons. Each neuron may be connected to up to 10,000 other neurons, passing signals to each other via as many as 1,000 trillion synapses. In the nervous system, a synapse is a structure that permits a neuron to pass an electrical or chemical signal to another neuron or to the target effector cell. Such signals will be accumulated as the membrane potential of the neurons, and it will trigger and pass the signal pulse (i.e., action potential) to other neurons when the membrane potential is greater than a precisely defined threshold voltage. To be more specific, in this paper, we will talk about the neurons, synapses and the action potential concepts in detail. Many of the materials used in this paper are from wikipedia and several other neuroscience introductory articles, which will be properly cited in this paper. This is the second of the three tutorial articles about the brain (the other two are [29] and [28]). The readers are suggested to read the previous tutorial article [29] to get more background information about the brain structure and functions prior to reading this paper.

연구 동기 및 목표

• 뇌의 세포 수준 구성(뉴런, 시냅스, 신경교세포)과 신경 신호에서의 역할을 소개한다.
• 뉴런 구조, 분류(형태학 및 기능), 연결성 설명.
• 시냅스 구조, 소포, 신경전달물질, 그리고 시냅스 소포 순환 및 재활용 설명.
• 막 전위, 이온 채널, 펌프, 그리고 활동전위 생성에 대해 논의한다.

제안 방법

• 기초 신경과학 개념의 조사를 통해 기존 문헌으로부터의 개관 및 종합.
• 뉴런 형태학( soma, dendrites, axon, myelin, nodes of Ranvier) 및 지지하는 신경교세포를 자세히 설명.
• 시냅스 구조, 화학 시냅스와 전기 시냅스의 차이, 전송 기작 설명.
• 시냅스 소포 주기의 단계별 설명( 도킹, 프라이밍, 융합, 엔도시토시스 포함).
• 막 전위 유지, 이온 채널, 그리고 활동전위 생성에 대한 논의.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵심 구조 구성 요소는 무엇이며, 신호를 처리하고 전송하기 위해 어떻게 상호작용하는가?
• RQ2 시냅스는 전기 신호를 화학 신호로, 또 다시 전환하는 데 어떤 방식으로 작동하며, 소포와 신경전달물질은 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 뉴런에서 활동전위의 생성과 전파를 뒷받침하는 기전은 무엇인가?
• RQ4 글리아세포가 뉴런의 의사소통 및 가소성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 뉴런은 세포체, 가지돌기, 단일 축삭으로 구성되며, 흥분성에 영향을 주는 축삭경계, 수초, 란비에 결절 등의 특수 구조를 가진다.
• 시냅스는 화학적 및 전기적 형태로 존재하며, 시냅스 소포와 신경전달물질이 화학적 신호를 시냅스 간극을 통해 매개한다.
• 시냅스 소포는 운송, 적재, 도킹, 프라이밍, 융합, 엔도시토시스를 거치며, 빠른 신경전달물질 방출 및 재활용을 가능하게 한다.
• 막 전위는 이온 기울기와 채널/펌프에 의해 생성되며, 등전위와 같은 연속 전위(graded potentials)와 전부-또는-무의 활동전위를 가능하게 한다.
• 글리아 세포는 풍부하며 뇌 신호전달 및 가소성에 적극적으로 참여하는 것으로 이해가 증가하고 있으며, 단지 지원 이상의 역할을 한다.
• 뇌에서 신호 전달 과정은 전기 신호에서 화학 신호로, 그리고 다시 전기로의 변환을 포함하며, 초 이하의 시간 척도에서 일어난다.