학습과 Hebb식 시냅스 및 장기 증강과 AMPA, NMDA 시냅스에 대해 알아보도록 하겠습니다. 학습에 관한 생리학적 연구는 고전적 조건화에 대한 개념으로 시작되어, Donald Hebb이 시냅스에서의 변화에 대한 기제를 제안하도록 하였습니다.
학습과 Hebb식 시냅스
Hebb은 뉴런 A의 축삭이 계속해서 세포 B를 자극하면 여러 개의 세포에서 성장 과정의 변화가 나타나, 후에 세포 B를 자극하는 축삭 A의 역량이 상승한다고 생각했습니다. 즉, 과거에 세포 B를 성공적으로 자극했던 축삭은 나중에는 더 성공적으로 자극할 수 있게 됩니다. 이 과정은 고정적 조건화와 관련이 있습니다. 처음에 축삭 A가 세포 B를 약하게 흥분시키고, 축삭 C가 B를 더 강력하게 흥분시킨다고 가정해 보겠습니다. 만약 축삭 A와 C가 동시에 흥분되면, 세포 B에 대한 두 세포의 결합 효과는 활동전위를 유발할 만큼 클 것입니다. 축삭 A와 C를 짝지어 활성화하면 세포 B에 대한 A의 효과가 앞으로 증가하게 됩니다. 시냅스전 뉴런과 시냅스후 뉴런이 동시에 활성화됨으로 인해 효율성이 증대된 시냅스를 Hebb식 시냅스라고 부릅니다. 이러한 시냅스는 많은 유형의 연합학습에 중요한 역할을 합니다.
군소에서의 습관화와 민감화
습관화란 다른 여러 자극이 변하지 않는 상황에서 지속해서 제안되는 어떤 자극에 대한 반응이 감소하는 것을 말합니다. 바닷물을 짧게 분사하여 군소의 아가미를 자극하면 군소는 처음에는 아가미를 철수합니다. 하지만 이와 같은 자극을 여러 번 반복하면 반응하지 않게 됩니다. 이러한 반응의 감소는 근육의 피로 때문은 아닙니다. 그 이유는 습관화가 일어난 뒤에도 운동뉴런을 직접 자극하면 원래 크기의 근육수축을 유발할 수 있기 때문입니다. 또한 이 현상이 감각뉴런의 변화 때문이 아니라고 할 수 있습니다. 감각뉴런은 자극에 대하여 정상적인 반응을 하며 단지 운동뉴런을 이전만큼 충분히 흥분시키지 못할 뿐입니다. 그러므로 군소에서의 습관화가 감각뉴런과 운동뉴런 사이의 시냅스에 의존한다는 결론에 이르게 됩니다.
민감화란 기대하지 않았던 강력한 통증을 경험한 후, 갑작스럽고 강한 다른 자극에 대하여 일시적으로 평상시보다 더 강력한 반응을 하게 되는 현상을 말합니다. 이는 약한 자극에 대한 반응이 사전에 더 강한 자극에 노출되는 경험을 한 결과 때문에 증가하는 것을 말합니다. 이와 비슷하게 군소 외피의 아무 곳이나 강하게 자극하면 이어서 어떤 접촉에 대한 철수반응이 강력해집니다. 결론적으로 군소에 대한 연구는 시냅스의 변화가 행동 변화를 유발할 수 있음을 지지합니다
장기 증강(long-term potentiation, LTP)의 특성
장기 증강 또는 장기상승작용이라고 알려진 현상은 다음과 같습니다. 가지돌기에 연결된 하나 이상의 축삭은 해당 가지돌기에 일련의 짧고 빠른 자극을 보냅니다. 이러한 강력한 자극으로 인해 시냅스 중 일부가 몇 분에서 길게는 몇 주 동안 지속되는 고조된 상태로 변화합니다. 장기 증강은 학습과 기억의 세포적 기초에 대한 세 가지 특성을 보여줍니다. 특수성은 어떤 세포에 대한 시냅스의 일부가 매우 활동적이었고 다른 시냅스는 그렇지 않았다면, 이 활동적인 시냅스만이 증강되는 것을 말합니다. 협동성은 둘 또는 그 이상의 축삭에 의한 거의 동시적인 자극은 단지 한 축삭에 의한 반복된 자극보다 LTP를 훨씬 더 강하게 유발하는 것을 말합니다. 연합성은 약한 자극을 강한 자극과 짝지어 제시하면 약한 자극에 대한 이후의 반응이 강해집니다. 이처럼 LTP는 Hebb식 시냅스에 대하여 예상되는 바에 상응합니다. 어떤 경우에는, LTP 이전에는 거의 활동을 보이지 않았던 시냅스도 LTP 이후에는 효과적인 활동을 하게 됩니다. 이와 반대되는 변화인 장기 저하는 어떤 시냅스에서 반응이 장기간 감소하는 현상으로, 다른 축삭들보다 덜 활동적이었던 축삭에서 일어납니다. 이는 보상적인 과정이라 생각할 수 있습니다.
AMPA 시냅스와 NMDA 시냅스
AMPA와 NMDA라는 두 종류의 글루탐산 수용체에 대해 살펴보겠습니다. 대부분의 경우 LTP는 글루탐산 시냅스의 상태가 바뀌는 성질에 의지합니다. 뇌는 가장 많은 신경전달물질인 글루탐산에 반응하는 수용체를 여러 가지 유형으로 가지고 있습니다. 글루탐산의 경우, 어떤 수용체를 자극하는 약물의 이름을 따라 수용체의 이름이 붙여졌습니다. AMPA 수용체는 글루탐산에 의해서만 흥분되지만 AMPA라는 약물에 대해서도 반응할 수 있습니다. NMDA 수용체도 평소에는 글루탐산에 의해서만 흥분되지만 NMDA라는 약물에도 반응할 수 있습니다. 두 수용체는 이온성 수용체입니다. AMPA 수용체는 나트륨 이온이 지나가는 길을 개방하는 이온성 수용체입니다. 하지만 NMDA 수용체는 다릅니다. 즉 글루탐산에 대한 이 수용체의 반응은 세포막의 분극화 정도에 좌우됩니다. 글루탐산이 NMDA 수용체에 결합해도 그 이온통로가 통상 마그네슘 이온에 의해 막혀있는 상태입니다. NMDA 통로는 마그네슘이 없어져야만 개방되는데, 마그네슘을 분리하는 가장 확실한 방법은 세포막을 탈 분극화시켜 마그네슘을 잡아당기는 음전하가 감소하도록 하는 것입니다.
요약해 보면, 글루탐산이 AMPA 수용체를 대량으로 자극하면, 그로 인해 발생한 탈 분극화는 글루탐산이 주변의 NMDA 수용체도 자극할 수 있게 합니다. NMDA 수용체가 자극되면 칼슘이 세포로 들어가는데, 여기서 칼슘은 일련의 변화를 촉발하여 이후에 가지돌기가 AMPA 수용체에 작용하는 글루탐산에 반응하는 정도를 증강합니다. LTP가 발생하고 나서 NMDA 수용체들은 원래의 상태로 되돌아갑니다. LTP는 일단 확립되면 더 이상 NMDA 시냅스에 의존하지 않습니다. NMDA 시냅스를 차단하는 약물은 LTP의 생성은 방해하지만, 이미 확립된 LTP의 유지는 방해하지 않습니다. 다시 말하면, 일단 LTP가 일어나고 나면 그 AMPA 수용체들은 NMDA 수용체에 무슨 일이 일어나든 상관없이 증강된 상태를 유지합니다.