3) 뉴런에서 다른 뉴런으로
활동 전위가 축색의 끝에 도착하게 되면, 다음 뉴런에게 전달되어야 하는데 이런 뉴런과 뉴런 사이는 물리적으로 붙어 있지 않고 '시냅스(synapse)'라는 틈을 두고 있다.
시냅스를 사이에 둔 두 뉴런은 시냅스 앞에 위치해 정보를 주는 뉴런을 '시냅스 전 뉴런(presynapse neuron)'이라 하고 시냅스 뒤에 위치해 정보를 받는 뉴런을 '시냅스 후 뉴런(postsynapse neuron)'이라고 하며, 시냅스를 통한 정보 전달은 화학적 방법으로 일어난다. 즉 시냅스 전달은 뉴런을 통해 축색종말에 도달한 전기적 신호는 화학적 방법으로 다음 뉴런에게 전달되는데 시냅스 전 뉴런에서 방출된 신경전달물질이 시냅스 간극을 지나 시냅스 후 뉴런의 수용기와 결합하여 신호를 전달받게 된다.
활동 전위가 종말단추에 도달하면 칼슘 이온의 작용에 의해 신경전달물질(neurotransmitter)이 들어있는 시냅스 소낭(synaptoc vesicle)이 터지게 되는데 이때 소낭 안에서 배출된 신경전달물질은 시냅스 간극(synaptic cleft)으로 퍼져나가 정보전달을 받는 시냅스 후 뉴런에 도달해 시냅스 후 뉴런에 분포하고 있는 수용기와 결합해 수용기를 활성화한다. 활성화된 수용기는 즉각적으로 이온 채널을 열거나 시간이 지난 후 세포 내 변화를 일으켜 시냅스 후 뉴런에 새로운 전기적 신호를 만들어내며 수용기가 어떤 작용을 하느냐에 따라 신경전달물질은 시냅스 후 뉴런의 활동을 촉진하거나 억제할 수 있다.
신경전달물질이 결합하는 수용기는 크게 두 가지로 나뉘는데 수용기 자체에 이온 채널이 포함되어 있는 이온성 수용기(ionotropic receptor)와 이온 채널은 없지만 간접적으로 신경전달을 조절하는 대사성 수용기(metabotropic receptor)가 있다. 이온 채널의 종류에 따라 나트륨 채널을 포함한 흥분성 시냅스 후 전위 또는 클로라이드 채널을 포함한 억제성 시냅스 후 전위가 발생하게 된다.
대사성 수용기에 신경전달물질이 결합하게 되면 수용기에 결합한 G-단백질이 떨어져 나와 여러 단계의 신호 전달을 매개함으로써 주변의 다른 이온 채널에 생물리학적 변화를 일으키고 추후 다른 신경전달물질이 전달될 때 발생하는 신경신호가 더 커지거나 작아지기도 한다. 즉, 대사성 수용기를 통한 신경전달은 속도는 느리지만 효과를 극대화하는 특성을 갖고 있다.
뉴런은 보통 다른 뉴런과 작게는 수천, 많게는 수십만 개의 시냅스를 맺고 있어 많은 수의 흥분성 또는 억제성 시냅스 후 전위를 받아들이고 있다. 개별 시냅스 후 전위는 뉴런은 어느 특정 시점에 여러 시냅스에서 동시에 흥분성 시냅스 후 전위가 발생하면 그 합은 뉴런의 발화 역치를 넘어서지만 다른 뉴런에 여러 개의 억제성 시냅스 후 전위가 발생해 뉴런이 발화하는 것을 억제하기도 한다. 이러한 뉴런의 신호전달을 신호 집약 후 발화라고 하며, 신경계가 정보를 처리하는 가장 기본적인 방식이기도 하다.
4) 신경전달물질의 작용
뇌에는 다양한 종류의 신경전달물질이 존재하는데 이들은 뇌의 다른 영역에서 각기 다른 수용기와 결합해 신경 정보의 다양성에 기여하며, 각종 향정신성 약물이 작용하는 장소도 바로 신경전달물질이 전달되는 시냅스로 신경전달물질에는 다음과 같은 물질들이 있다.
아세틸콜린(acetylcholine: ACh)은 가장 먼저 발견된 신경전달물질로 중추신경계와 말초신경계에 존재하고 뇌에서 기억과 관련된 신경전달물질로 아세틸콜린을 생산하는 체계가 망가지면 '기억 결함'이 나타난다. 말초신경계의 신경과 근육 접합부에서 흥분성 역할을 하여 근육을 수축시키기도 한다.
아미노산(amino acid)계 신경전달물질은 신경계 대부분의 영역에 존재하며, 빠른 신호 전달에 관여하고 대표적인 아미노산계 신경전달물질에는 흥분성인 글루타메이트(glutamate)와 억제성인 GABA가 있다. 뇌에서 처리되는 대부분의 정보는 아미노산계 신경전달물질에 의존한다.
모노아민(Monoamine)계 신경전달물질은 아미노산에 의해 합성되며, 모노아민의 분비는 특정 시냅스를 넘어 넓은 영역의 시냅스에 영향을 미친다. 특히 정서와 보상, 다양한 정신질환과 관련이 있으며 대표적인 예로 세로토닌(serotonin, 5-HT)과 도파민(dopamine: DA), 노르에피네프린(norepinephrine: NE)이 있다.
세로토닌은 도파민과 노르아드레날린을 억제하여 평온하게 만드는 역할을 하는데 이 세로토닌의 분비량이 적어져 기능이 저하되면 우울장애(depression)와 같은 정서 행동 장애를 유발시킨다.
도파민은 운동과 보상에 관련되어 있다. 도파민이 결핍되면 어떤 동작을 시작하거나 자세를 유지하는 데 어려움을 겪는 운동장애인 파킨슨병(Parkinson's diease)이 발생하지만 도파민이 과다분비되면 정신불열증 증상을 일으키게 된다.
노르에피네프린은 교감신경계의 작용에 관여하며, 중추신경계에서 각성과 주의에 영향을 주는 것으로 알려져 있다.