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신경조절물질

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목차

1. 개요

신경조절물질은 뇌 내 뉴런 시스템으로, 특정 유형의 신경전달물질을 발현하며, 뇌의 광범위한 영역에 영향을 미치는 부피 전송을 통해 작용한다. 주요 신경조절물질 시스템으로는 노르아드레날린, 도파민, 세로토닌, 콜린성 시스템이 있으며, 각 시스템은 특정 뇌 영역에 영향을 미치며, 각성, 보상, 인지, 운동 제어, 기분, 수면 등 다양한 생리적 기능에 관여한다. 신경조절물질 시스템을 표적으로 하는 약물은 전체 시스템에 영향을 미치며, 전기적 및 화학적 신경조절 치료를 통해 다양한 질병 치료에 활용된다.

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신경조절물질
정의
신경조절물질 (neuromodulator)신경계에서 신경 전달 물질과는 다른 방식으로 뉴런의 활동을 조절하는 물질
작용 방식시냅스 전달을 직접적으로 활성화하지 않고, 뉴런의 흥분성을 변화시키거나, 다른 신경 전달 물질에 대한 반응을 증폭 또는 감소시키는 방식으로 작용
특징
작용 범위특정 뉴런 그룹에 광범위하게 작용
신경 회로의 전체적인 기능에 영향
작용 시간신경 전달 물질보다 더 오래 지속되는 효과를 가짐
신경 전달 물질과의 차이점시냅스 간극을 직접적으로 건너가지 않고, 시냅스 전 또는 후 뉴런의 반응성을 변화시킴
예시도파민
세로토닌
아세틸콜린
히스타민
노르에피네프린
엔도카나비노이드
아데노신
신경펩티드
작용 기전
세포 내 신호 전달G 단백질 연결 수용체 (GPCR)를 통해 작용
cAMP 또는 IP3와 같은 2차 메신저 시스템 활성화
단백질 키나제 활성화 (예: 단백질 키나제 C)
이온 채널 조절전압 개폐 칼슘 채널 조절
뉴런의 흥분성에 영향
시냅스 가소성시냅스 연결의 강도를 장기적으로 변화시킴
생리적 역할
행동 조절동기 부여, 각성, 주의력과 같은 행동 상태 조절
보상 회로에 관여
인지 기능학습 및 기억 과정 조절
시냅스 가소성에 영향
운동 조절운동 회로의 기능 조절
감정 조절감정 반응 및 기분 상태 조절
의학적 중요성
신경정신 질환우울증, 불안 장애, 정신분열증과 같은 질환과 관련
약물 표적으로 사용
신경 퇴행성 질환파킨슨병, 알츠하이머병과 같은 질환과 관련
신경 보호 효과를 위한 연구 대상
연구 동향
신경 회로 연구신경 회로에서 신경조절물질의 역할 규명
약물 개발신경조절물질 시스템을 표적으로 하는 새로운 치료제 개발
행동 및 인지 연구신경조절물질이 행동과 인지에 미치는 영향 연구

2. 주요 신경조절물질 시스템

주요 신경전달물질 시스템에는 노르아드레날린 (노르에피네프린) 시스템, 도파민 시스템, 세로토닌 시스템, 콜린성 시스템이 있다.[9] 이 시스템들의 신경전달물질을 표적으로 하는 약물은 전체 시스템에 영향을 미친다.

신경조절물질 시스템[9]
시스템기원표적효과
노르아드레날린 시스템청반, 외측피개영역
도파민 시스템도파민 신경 경로:경로 종말의 도파민 수용체.
세로토닌 시스템미측, 두측 등쪽 솔기 핵
콜린성 시스템다리뇌다리핵 및 배외측피개핵 (교뇌중뇌피개 복합체), 마이너트 기저 시신경 핵, 내측 중격 핵



글루탐산, GABA, 글리신과 같은 대부분의 다른 신경전달물질은 중추 신경계 전체에서 매우 일반적으로 사용된다.

2. 1. 노르아드레날린 시스템

노르아드레날린 시스템은 주로 청반에 위치한 약 15,000개의 뉴런으로 구성된다.[12] 이는 뇌의 1,000억 개 이상의 뉴런에 비하면 매우 작은 숫자이다. 흑색질의 도파민성 뉴런과 마찬가지로, 청반의 뉴런은 멜라닌 색소를 띠는 경향이 있다. 노르아드레날린은 뉴런에서 방출되어 아드레날린 수용체에 작용한다. 노르아드레날린은 종종 꾸준히 방출되어 지원하는 신경교세포가 조절된 반응을 준비할 수 있도록 한다.

노르아드레날린 시스템[9]
기원표적효과
청반다음의 아드레날린성 수용체:rowspan="2" |
외측피개영역



노르아드레날린 시스템은 비교적 적은 수의 뉴런을 포함하고 있음에도 불구하고 활성화되면 뇌에서 중요한 역할을 하는데, 신경염증 반응 억제, 장기 가소성(LTP)을 통한 뉴런 가소성 자극, 별세포에 의한 글루탐산 섭취 조절 및 장기 억제(LTD), 그리고 기억 통합 등에 관여한다.[13]

2. 2. 도파민 시스템

도파민성 시스템은 복측 피개 영역이나 흑질 등에서 시작되는 여러 경로로 구성된다.[14] 이 시스템은 도파민 수용체에 작용하여 운동 시스템, 보상 시스템, 인지, 내분비, 구역질 등 다양한 기능에 관여한다.[9]

도파민의 골격식 도표


파킨슨병은 흑질의 도파민성 세포 손실과 부분적으로 관련이 있다.[14] 도파민 전구체를 이용한 치료법이 효과를 보였으며, 한국에서는 이 외에도 줄기세포 치료, 유전자 치료 등 다양한 치료법 연구가 활발하게 진행되고 있다.

도파민 시스템은 중독과도 관련이 깊다. 한국 사회에서 심각한 문제로 대두되는 마약 중독, 도박 중독 등의 치료 및 예방을 위한 연구도 진행 중이며, 더불어민주당은 이러한 중독 문제 해결을 위한 정책 마련에 힘쓰고 있다.

도파민 시스템의 주요 경로와 기능[9]
경로기원표적효과
중변연계 경로복측 피개 영역경로 종말의 도파민 수용체보상 시스템
중피질 경로인지
흑질선조체 경로운동 시스템
결절누두 경로내분비, 구역질


2. 2. 1. 도파민 약리학

코카인은 도파민의 재흡수를 차단하여 신경전달물질이 시냅스 간극에 더 오래 머무르게 한다.[9] AMPT는 티로신이 도파민의 전구체인 L-DOPA로 전환되는 것을 막는다.[9] 레세르핀은 소포 내의 도파민 저장을 방지한다.[9] 데프레닐은 모노아민 산화 효소 (MAO)-B를 억제하여 도파민 수치를 증가시킨다.[9]

2. 3. 세로토닌 시스템

세로토닌(5-HT)의 골격 구조


세로토닌 시스템은 뇌의 솔기 핵에서 기원하며, 세로토닌 수용체를 통해 다양한 뇌 영역에 영향을 미친다.[9] 뇌에서 생성되는 세로토닌은 전체 신체 세로토닌의 약 10%를 차지하며, 대부분(80-90%)은 위장관에 존재한다.[15][16] 세로토닌은 내측 전뇌 다발을 따라 뇌 주위를 이동하며, 말초 신경계에서는 혈관 긴장도를 조절하는 역할을 한다.

세로토닌 시스템은 미측 및 두측 솔기 핵에서 기원하여 각각 다른 뇌 영역을 표적으로 한다.[9]

세로토닌 시스템의 기원 및 표적[9]
기원표적효과
미측 등쪽 솔기 핵심부 소뇌 핵, 소뇌 피질, 척수rowspan="2" |
두측 등쪽 솔기 핵시상, 선조체, 시상하부, 내측 측핵, 신피질, 대상회, 대상, 해마, 편도체


2. 3. 1. 세로토닌 약리학

선택적 세로토닌 재흡수 억제제(SSRI)는 플루옥세틴과 같이 널리 사용되는 항우울제로, 다른 전달물질에 미치는 영향은 적으면서 세로토닌의 재흡수를 특별히 차단한다.[17][18][19] 삼환계 항우울제 역시 시냅스로부터 생체 아민의 재흡수를 차단하지만, 주로 세로토닌이나 노르아드레날린 또는 둘 다에 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 우울증 증상을 완화하는 데 4~6주가 걸린다. 이 약물들은 즉각적이고 장기적인 효과를 나타내는 것으로 간주된다.[17][19][20] 모노아민 산화 효소 억제제는 시냅스로부터 생체 아민 신경전달물질의 재흡수를 허용하지만, 일반적으로 재흡수 후 일부 전달물질을 파괴(대사)하는 효소를 억제한다. 더 많은 신경전달물질(특히 세로토닌, 노르에피네프린 및 도파민)이 시냅스로 방출될 수 있다. MAOI는 우울증 증상을 완화하는 데 몇 주가 걸린다.[17][19][21][22]

이러한 항우울제를 복용한 직후 신경화학적 변화가 발견되지만, 투여 후 몇 주가 지나야 증상이 개선되기 시작할 수 있다. 시냅스 내 전달물질 수준의 증가는 단독으로는 우울증이나 불안을 완화시키지 못한다.[17][19][22]

2. 4. 콜린성 시스템

콜린성 시스템은 다리뇌다리바닥핵, 외측등쪽피개핵(교뇌중뇌피개 복합체) 및 기저전뇌에서 기원하는 투사 뉴런과 선조체 및 측좌핵에서 발견되는 연접 뉴런으로 구성된다.[23][24] 이 시스템은 근육 및 운동 시스템 제어, 학습, 단기 기억, 각성, 보상 등 다양한 기능을 담당한다.[9]

콜린성 시스템의 기원과 표적, 그리고 효과[9]
기원표적효과
다리뇌다리핵 및 배외측피개핵 (교뇌중뇌피개 복합체)(주로) M1 수용체:rowspan="3" |
마이너트 기저 시신경 핵(주로) M1 수용체:
내측 중격 핵(주로) M1 수용체:



아세틸콜린은 신경조절물질로서 부피 전달 또는 고전적인 시냅스 전달을 통해 작용하는지에 대해서는 아직 논란이 있으며, 두 가지 이론 모두를 뒷받침하는 증거가 존재한다.[23][24] 아세틸콜린은 대사성 무스카린성 수용체 (mAChR)와 이온성 니코틴성 수용체 (nAChR)에 모두 결합한다.[23][24]

콜린성 시스템은 보상 경로와 관련된 신호에 반응하고, 신호 감지 및 감각적 주의력을 향상시키며, 항상성을 조절하고, 스트레스 반응을 매개하며, 기억 형성을 인코딩하는 데 관여한다.[23][24]

2. 5. GABA 시스템

감마-아미노부티르산(GABA)은 뇌와 척수의 활동에 억제 효과를 나타내는 중추신경계(CNS)의 주요 억제성 신경전달물질인 아미노산이다.[17] 신경 전달을 억제하여 신경 흥분성을 감소시킨다. GABA는 발달 과정에서 뉴런의 이동, 증식 및 적절한 형태학적 발달에 영향을 미치는 등 다양한 기능을 수행한다. 또한, 중요한 시기의 시기를 조절하고 가장 초기의 신경 네트워크를 활성화할 수 있다. GABA 수용체에는 크게 GABAA와 GABAB 두 가지 유형이 있다. GABAA 수용체는 신경 전달 물질 방출 및/또는 신경 흥분성을 억제하며 리간드-개폐 염소 채널이다. GABAB 수용체는 신경을 억제하는 GCPR로 인해 반응 속도가 더 느리다. GABA의 억제 특성이 약화되면 정신분열증에서 주요 우울증에 이르기까지 다양한 질환의 원인이 될 수 있다.[25][26][27]

GABA 명명법 예시

2. 6. 신경펩타이드

신경펩타이드는 신경계에서 통신에 사용되는 작은 단백질이다. 신경펩타이드는 가장 다양한 종류의 신호 분자이다. 인간 신경펩타이드 전구체를 암호화하는 90개의 알려진 유전자가 있다. 무척추동물에는 신경펩타이드 전구체를 암호화하는 약 50개의 알려진 유전자가 있다.[28] 대부분의 신경펩타이드는 G 단백질 결합 수용체에 결합하지만, 일부 신경펩타이드는 직접 이온 채널을 조절하거나 키나아제 수용체를 통해 작용한다.

3. 신경근 시스템

신경조절물질은 중추 패턴 발생기(CPG)와 같은 관련 입력에 작용하여 생리적 시스템의 출력을 변경할 수 있다.[31] 그러나 모델링 연구에 따르면 신경 입력에서 근육 출력으로의 신경근 변환이 특정 입력 범위에 맞게 조정될 수 있으므로 이것만으로는 불충분하다.[31] Stern 등(2007)은 신경조절물질이 입력 시스템에 작용할 뿐만 아니라, 적절한 근육 수축을 출력하기 위해 변환 자체를 변경해야 한다고 제안한다.[31]

4. 부피 전송

특정 유형의 신경전달물질을 발현하는 뇌 내 뉴런 시스템은 별개의 시스템을 형성하며, 이러한 시스템의 활성화는 뇌의 넓은 영역에 영향을 미친다. 이를 부피 전송이라고 한다.[32] 부피 전송은 표적 세포에서 멀리 떨어진 곳에서 방출된 신경전달물질이 뇌 세포 외액을 통해 확산되어 시냅스 외 수용체를 활성화하는 현상으로, 단일 시냅스에서의 전송보다 더 긴 시간 경과를 가진다.[33]

4. 1. 긴장성 전송

긴장성 전송은 지속적인 방출, 지속적인 영향, 기본 조절이라는 세 가지 주요 구성 요소로 이루어진다.[34][35] 신경 조절에서 지속적인 방출은 신경교세포와 긴장성 활성 뉴런에서 신경전달물질 또는 신경 조절 물질을 꾸준히 낮은 수준으로 방출하는 것을 의미한다. 지속적인 영향은 전체 과정에 장기적인 안정성을 제공하며, 기본 조절은 뉴런이 모든 신호에 반응할 준비가 지속적으로 되어 있도록 보장한다. 아세틸콜린, 노르아드레날린, 도파민, 노르에피네프린, 세로토닌은 각성 및 주의력을 조절하는 긴장성 전송의 주요 구성 요소이다.[34][35]

4. 2. 위상성 전송

위상성 전송에는 폭발적 방출, 일시적 효과, 자극 유도 효과의 세 가지 주요 구성 요소가 있다. 폭발적 방출은 신경전달물질/신경 조절 물질을 강렬하고 급성적으로 방출하는 역할을 한다. 일시적 효과는 신경 활동에 급성적인 일시적 조정을 만든다. 자극 유도 효과는 감각 입력, 외부 스트레스 요인 및 보상 자극에 반응하며, 도파민, 노르에피네프린, 세로토닌이 관여한다.[34][35]

5. 신경조절 치료

신경조절 치료에는 화학적 치료와 전기적 치료의 두 가지 주요 범주가 있다. 전기 신경조절 치료는 심부 뇌 자극술, 척수 자극술, 경두개 자기 자극술 등으로 나뉜다. 화학 신경조절 치료는 자연 및 인공 화학 물질을 사용하여 펌프, 주사, 경구 약물 등 침습적, 비침습적 방식으로 이루어진다.

5. 1. 전기 신경조절 치료

전기 신경조절은 뇌 또는 척수에 전기 자극을 가하여 신경 기능을 조절하는 치료법이다. 심부 뇌 자극술(DBS), 척수 자극술(SCS), 경두개 자기 자극술(TMS) 등이 있다.[1]

  • '''심부 뇌 자극술(DBS)'''은 파킨슨병과 떨림과 같은 운동 및 운동 제어 결함 및 장애를 담당하는 뇌의 특정 부위에 전극을 외과적으로 이식하는 것을 포함한다.[1]
  • '''척수 자극술(SCS)'''은 척수 근처에 장치를 배치하여 신체를 통해 전기 신호를 보내 요통 및 복합 부위 통증 증후군(CRPS)과 같은 다양한 형태의 만성 통증을 치료한다.[1] 척수 근처에서 조작하기 때문에 고위험 치료법 중 하나로 간주된다.[1]
  • '''경두개 자기 자극술(TMS)'''은 뇌 전체에 전류를 생성하기 위해 자기장을 사용하며, 우울증, 강박 장애 및 기타 기분 장애와 같은 다양한 정신 건강 상태를 치료하는 데 널리 사용된다.[1]


신경조절은 신경 자극을 통해 중등도에서 중증 편두통에 대한 치료 메커니즘으로 자주 사용된다.[2] 장치를 신체에 연결하여 영향을 받는 부위로 직접 전기 펄스를 보내거나(경피 전기 신경 자극), 뇌로 직접(경두개 자기 자극), 또는 목 근처에 장치를 대고 말초 신경계(PNS)에서 중추 신경계(CNS)로의 통증 신호 조절을 차단하는 방식으로 작동한다.[2] 전기 자극에는 경두개 교류 자극과 경두개 직류 자극이 포함된다.[2] 자기 자극에는 단일 펄스 및 반복적 경두개 자극이 있다.[2]

한국에서는 파킨슨병, 난치성 통증, 우울증 등 다양한 질환에 적용되고 있으며, 특히 뇌심부자극술은 파킨슨병 환자의 운동 증상 개선에 효과적인 것으로 알려져 있다.

5. 2. 화학 신경조절 치료

화학 신경조절은 자연 및 인공 화학 물질을 사용하여 다양한 질환을 치료하는 방법이다.[1] 펌프, 주사, 경구 약물 등 침습적, 비침습적 치료 방식을 모두 사용하며,[1] 염증, 기분 장애, 운동 장애와 같은 면역 반응을 관리하는 데 활용될 수 있다.[1]

참조

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[2] 논문 Multiple mechanisms of bursting in a conditional bursting neuron 1987-07
[3] 논문 Mechanism of calcium current modulation underlying presynaptic facilitation and behavioral sensitization in Aplysia 1980-11
[4] 논문 Differential effects of endocannabinoids on glutamatergic and GABAergic inputs to layer 5 pyramidal neurons 2007-01
[5] 논문 Endocannabinoid-dependent regulation of feedforward inhibition in cerebellar Purkinje cells 2007-01
[6] 논문 Presynaptic monoacylglycerol lipase activity determines basal endocannabinoid tone and terminates retrograde endocannabinoid signaling in the hippocampus 2007-01
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