신경과 신경계

모든 동물이 사용하는 신경신호는 전기신호이다. 그것은 2종류로 나눌 수 있는데, 하나는 축색을 따라 전해지는 활동전위(action potential)이고 다른 하나는 수상돌기나 신경세포체를 따라 전해지는 차등성전위(graded potential)이다. 수동적 차등성 신호는 전류와 같아서 저항에 영향을 받기 때문에 흐르면서 크기가 계속 감소된다. 따라서 먼 거리로 신호를 보내기 위해서는 전류와는 달리 거리가 멀어져도 크기가 변하지 않고 계속 재생이 되는 활동전위가 필요하다. 신경계가 사용하는 모든 전기신호는 막을 중심으로 이온이 이동함으로써 생성되고, 활동전위는 이온의 이동이 선택적으로 조절됨으로써 생긴다. 이온의 선택적 이동은 막에 있는 통로를 통해 이루어진다. 신경 활동에 가장 중요한 이온은 나트륨과 칼륨이며 음전하를 띤 단백질들도 중요하다. 나트륨과 칼륨은 쉽게 막을 이동할 수 있지만 단백질 분자는 크기 때문에 원형질막을 통과할 수 없으므로 축색 안쪽에 남아 있게 된다. 휴지상태에서는 막을 중심으로 해서 나트륨 농도가 10：1 정도로 세포 바깥쪽에 훨씬 많이 존재하고, 칼륨 이온은 이와 반대로 축색의 내부에 훨씬 많이 존재한다. 이러한 농도기울기가 유지되는 이유 중의 하나는 원형질막이 수많은 나트륨과 칼륨의 교환 펌프를 가지고 있기 때문인데, 이 펌프는 1번 가동될 때마다 나트륨 이온 3개를 축색 밖으로 보내고 칼륨 이온 2개를 축색 안으로 들여보낸다. 또다른 요인은 나트륨에 대한 막의 투과성이 매우 낮다는 데 있다. 따라서 펌프된 나트륨 이온들은 대부분 밖에 그대로 남아 있다. 이에 비해 칼륨에 대한 막의 투과성은 매우 높으므로 칼륨은 쉽게 밖으로 확산되어나간다. 그러나 밖에는 양전하를 띤 나트륨 이온들이 같은 양전하를 띤 칼륨 이온을 밀어내는 반면, 막 안에 있는 음전하 단백질들은 칼륨을 끌어당기게 되므로 칼륨 이온은 축색의 안쪽에 더 많은 상태에서 확산을 그치게 된다.