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전기시냅스

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1. 개요

전기 시냅스는 두 세포 사이의 간극 연접을 통해 직접적인 전기적 신호 전달을 가능하게 하는 시냅스의 한 유형이다. 간극 연접은 이온과 같은 작은 분자가 세포 사이를 이동할 수 있도록 하는 채널을 포함하며, 이로 인해 신호가 화학적 시냅스보다 빠르고 직접적으로 전달된다. 전기 시냅스는 탈출 반응과 같이 빠른 신호 전달이 필요한 과정에 관여하며, 망막, 대뇌피질을 포함한 중추 신경계의 여러 영역에서 발견된다. 전기 시냅스는 양방향으로 신호를 전달할 수 있으며, 일부는 정류 기능을 통해 한 방향으로만 신호를 전달하도록 조절될 수 있다. 전기 시냅스는 시냅스 가소성을 보일 수 있으며, 활동에 따라 연결 강도가 변화할 수 있다.

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2. 구조

전기 시냅스는 간극 연접(결합 연접)과 자가 시냅스로 구성된다. 간극 연접은 두 세포의 원형질막을 가로지르는 수많은 간극 연접 채널을 포함하며,[11] 이 채널의 구멍은 이온이나 신호 분자와 같은 중간 크기의 분자가 한 세포에서 다른 세포로 흐를 수 있을 만큼 넓어 두 세포의 세포질을 연결한다.[13]

자가 시냅스는 한 뉴런의 축삭이 자체 가지돌기와 시냅스를 형성할 때 형성되는 전기적(또는 화학적) 시냅스이다.

2. 1. 간극 연접 (Gap Junction)

각 간극 연접(결합 연접이라고도 함)은 두 세포의 막을 가로지르는 많은 간극 연접 채널을 가지고 있다.[27] 채널의 구멍 크기가 1.2~2.0nm이므로,[25] 간극 연접의 구멍은 이온이나 신호 분자같이 중간 크기의 분자도 한 세포에서 다른 세포로 통과할 정도로[24] 크다. 즉, 두 세포의 세포질을 연결시켜준다. 따라서 한 세포의 막 전위가 바뀌면, 이온이 한 세포에서 다음 세포로 이동하면서 양전하를 전달하고, 전달 후 세포의 탈분극을 일으킬 수 있다.

간극 연접 채널은 척추동물의 경우 커넥손이라 불리는 2개의 절반 채널로 이루어져 있으며 시냅스에서 각 세포에 하나씩 있다.[24] 커넥손은 7.5nm 길이의 막을 4번 통과하는 단백질 서브 유닛인 커넥신 6개로 형성되며, 서로 동일하거나 약간 다를 수 있다.[28]

2. 2. 커넥손 (Connexon)

간극연접(결합연접이라고도 함)은 척추동물에서 커넥손이라 불리는 두 개의 절반채널로 구성되며, 각 세포가 시냅스에 하나씩 가지고 있다.[24] 커넥손은 7.5nm 길이의 막을 4번 통과하는 커넥신이라는 단백질 단위체 6개로 구성되며, 각 단위체는 거의 똑같거나 약간 다를 수 있다.[28]

3. 특징 및 효과

전기적 시냅스는 단순하여 화학적 시냅스보다 빠르지만, 그 효과는 비교적 단순하다.[24] 반응은 항상 원래 신호와 같은 부호를 가지며, 시냅스 전 막의 탈분극은 시냅스 후 막의 탈분극을 유도하고, 과분극의 경우도 마찬가지이다.

시냅스 후 뉴런의 반응은 일반적으로 신호원보다 진폭이 작다. 이러한 신호 감쇠는 시냅스 전 및 시냅스 후 뉴런의 막 저항 때문이다. 또한, 전기적 시냅스는 신경전달물질을 포함하지 않아 화학적 신경전달보다 수정 가능성이 낮다.

장기적인 변화가 전기 시냅스에서 관찰될 수 있는데, 예를 들어 망막의 전기 시냅스 변화는 망막의 빛과 어둠 적응 동안 관찰된다.[16] 활동의 결과로 또는 마그네슘의 세포 내 농도 변화 동안, 확립된 전기적 연결이 강화되거나 약화될 수 있는 시냅스 가소성의 증거도 있다.[18][19]

전기 시냅스는 중추 신경계 전체에 존재하며, 특히 신피질, 해마, 시상 망상 핵, 청반, 하올리브 핵, 삼차 신경 중뇌 핵, 후각 망울, 망막, 척수에서 구체적으로 연구되었다.[20] ''생체 내''에서 감지된 기능적 갭 연결부의 다른 예로는 선조체, 소뇌, 시교차 상핵이 있다.[21][22]

3. 1. 빠른 신호 전달

화학적 전달자를 인식하는 수용체가 필요 없어, 전기적 시냅스에서의 신호 전달은 뉴런 간의 주요 연결 유형인 화학적 시냅스에서 발생하는 것보다 더 빠르다. 화학적 전달은 시냅스 지연을 보이는데, 오징어 시냅스와 개구리의 신경근 접합부에서의 기록은 0.5ms~의 지연을 보이지만, 전기적 전달은 거의 지연 없이 일어난다.[12] 전기적 시냅스에서 전달 속도는 일반적으로 2m/s 인 반면, 화학적 시냅스에서 전달 속도는 0.2m/s이다. 하지만, 화학적 시냅스와 전기적 시냅스의 속도 차이는 포유류에서 냉혈동물만큼 뚜렷한 차이가 나지 않는다.[28][12]

전기 시냅스의 상대적인 속도는 많은 뉴런들이 동시에 활동전위를 발화시킬 수 있도록 해준다.[24][11][12][17] 전달 속도가 빠르기 때문에, 전기 시냅스는 탈출 기작이나 빠른 반응을 요구하는 다른 과정에서 발견할 수 있다. 예를 들어 군소가 위험에 닥쳤을 때 빠르게 많은 양의 잉크를 뿌려 적의 시야를 흐리게 하는 것과 같은 반응에서 전기적 시냅스가 사용된다.[24][1]

3. 2. 양방향성

일반적으로 전기 시냅스에서는 이온이 양방향으로 이동할 수 있다.[25] 그러나 일부 시냅스는 정류 시냅스라고 불리며,[2] 축삭돌기 세포막의 탈분극에 반응하여 열리고, 두 방향 중 한 방향으로 전류가 흐르는 것을 막는 전압 개폐 이온 통로를 가지고 있다.[24][17] 어떤 통로는 칼슘 이온(Ca)이나 수소 이온(H) 농도가 증가하면 닫혀서, 손상된 세포에서 다른 세포로 손상이 확산되지 않도록 한다.[24][17]

3. 3. 신호의 통합 및 가소성

전기적 시냅스는 단순하여 빠르지만, 화학적 시냅스에 비해 효과가 단순하다.[24] 화학적 전달자를 인식하는 수용체가 필요 없어, 신호 전달이 화학적 시냅스보다 훨씬 빠르다. 전기적 시냅스의 전달 속도는 보통 2m/s인 반면, 화학적 시냅스는 0.2m/s이다. 그러나 포유류에서는 이러한 속도 차이가 냉혈동물만큼 크지 않다.[28]

반응은 항상 원래 신호와 같은 부호를 가진다. 예를 들어 시냅스 전 뉴런에서 탈분극이 일어나면 시냅스 후 뉴런에서도 항상 탈분극이 일어나고, 과분극의 경우도 마찬가지이다.

전기적 시냅스는 신호를 합칠 수 없다. 즉, 유도된 반응은 항상 원래 반응보다 작다. 또한 반응은 세포의 상대적 크기에 영향을 받는다. 작은 시냅스 전 뉴런은 큰 시냅스 후 뉴런에 큰 영향을 주기 어렵다. 반면 화학적 시냅스에서는 뉴런의 상대적 크기가 중요하지 않다.

전기적 시냅스는 장기간 변화를 일으키는 기작이 별로 없다.

전기적 시냅스의 빠른 속도는 많은 뉴런들이 동시에 활동전위를 일으키게 한다.[24] 이러한 빠른 전달 속도 덕분에, 전기적 시냅스는 탈출 기작이나 빠른 반응이 필요한 과정에서 발견된다. 예를 들어 군소는 위험에 처했을 때 많은 양의 잉크를 빠르게 뿌려 적의 시야를 흐리게 하는데, 이 반응에 전기적 시냅스가 사용된다.[24]

일반적으로 전기적 시냅스에서는 양방향으로 이온이 이동할 수 있다.[25] 하지만 일부 시냅스는 전압에 민감한 채널을 가지고 있어[25] 탈분극 시에 열리고 한쪽 방향으로의 흐름을 차단한다.[24] 어떤 채널은 칼슘이나 수소 이온 농도가 증가하면 닫혀, 한 뉴런의 손상이 다른 뉴런으로 퍼지지 않게 한다.[24]

또한 일부 전기적 시냅스는 활동의 결과로 전기적 연결이 강해지거나 약해지는 시냅스 가소성을 보이기도 한다.

전기적 시냅스는 망막이나 척추동물의 대뇌피질에 많다.

4. 공명과 발화

Seán Ó Nualláin과 Tom Doris (2004)는 통합발화 뉴런과 공명발화 뉴런에 대한 자세한 설명이 뉴런의 다양한 신호 처리 기능을 보여준다고 말했다.[29] 또한, 이들은 공명과 발화 뉴런을 통해 새로운 전기화학적 이야기가 펼쳐질 것이라고 설명했다.[30]

전기 시냅스는 동물의 신체 여러 영역에서 발견된다. 전기 시냅스는 단순하고 빠르며, 양방향 결합이 가능하다는 특징을 가지는데, 이러한 특징은 네트워크 수준에서 매우 복잡한 행동을 만들어 낼 수 있다.[15]

전기 시냅스에서의 신호 전달은 화학적 시냅스보다 빠르다. 화학적 전달은 0.5~4.0밀리초의 시냅스 지연을 보이지만, 전기적 전달은 거의 지연 없이 일어난다. 하지만 포유류에서는 화학적 시냅스와 전기 시냅스 간의 속도 차이가 냉혈 동물에서만큼 크지 않다.[12]

전기 시냅스는 신경전달물질을 포함하지 않아 화학적 신경전달보다 덜 수정 가능하다. 반응은 항상 소스와 같은 부호를 가지며, 시냅스 후 뉴런의 반응은 일반적으로 소스보다 진폭이 작다. 신호 감쇠는 시냅스 전 및 시냅스 후 뉴런의 막 저항 때문이다. 망막의 전기 시냅스 변화와 같이 장기적인 변화가 관찰되기도 한다.[16]

전기 시냅스의 빠른 속도는 많은 뉴런이 동시에 발화하도록 한다.[11][12][17] 빠른 전달 속도 덕분에 전기 시냅스는 바다 토끼 ''Aplysia''가 위험에 반응하여 잉크를 빠르게 방출하는 것과 같은 탈출 메커니즘에서 발견된다.[1]

일반적으로 이온 전류는 양방향으로 이동할 수 있다.[2] 그러나 정류 시냅스의 경우, 전압 개폐 이온 통로가 있어 한 방향으로만 전류가 흐르도록 한다.[17] 일부 통로는 칼슘(Ca2+) 또는 수소(H+) 이온 농도 증가에 반응하여 닫혀 손상이 다른 세포로 확산되지 않도록 한다.[17]

시냅스 가소성의 증거도 있는데, 활동이나 마그네슘의 세포 내 농도 변화에 따라 전기적 연결이 강화되거나 약화될 수 있다.[18][19]

전기 시냅스는 중추 신경계 전반에 걸쳐 존재하며, 특히 신피질, 해마, 시상 망상 핵, 청반, 하올리브 핵, 삼차 신경 중뇌 핵, 후각 망울, 망막, 척수에서 연구되었다.[20] ''생체 내''에서 기능적 갭 연결부가 감지된 다른 예로는 선조체, 소뇌, 시교차 상핵이 있다.[21][22]

5. 역사

20세기 초, 세포들이 직접 그물 모양으로 연결되어 있다는 망상설은 신경계 구조에 대한 초기 가설 중 하나였다. 이 가설은 뉴런이 화학적 시냅스를 통해 신호를 전달한다는 뉴런설과 대립했다. 1906년 노벨 생리학·의학상카밀로 골지산티아고 라몬 이 카할에게 공동 수여되었는데, 골지는 망상설을, 카할은 뉴런설을 옹호했다. 골지는 노벨상 강연에서 신경계의 그물 모델에 대한 증거를 제시했고, 카할은 자신의 강연에서 골지의 결과를 반박했다.

하지만 현대에는 화학적 시냅스와 전기적 시냅스가 모두 존재하며 생리학적으로 중요하다는 것이 밝혀졌다. 노벨 위원회의 공동 수상 결정은 선견지명이 있었다고 평가받는다. 20세기 초, 신경 세포 간 정보 전달이 화학적인지 전기적인지에 대한 논쟁이 있었으나, 오토 뢰비가 뉴런과 심장 간의 화학적 신호 전달을 증명하면서 화학적 시냅스가 유일한 해답으로 여겨졌다. 따라서 전기적 신호 전달의 발견은 큰 충격이었다. 전기적 시냅스는 1950년대 후반 가재의 도피 반응 관련 거대 뉴런에서 처음 증명되었고,[26] 이후 척추동물에서도 발견되었다.

5. 1. 망상설 vs 뉴런설

카밀로 골지가 주장한 망상설은 세포들이 직접 그물 모양으로 연결되어 있다는 가설로, 20세기 초 신경계 구조에 대한 초기 가설 중 하나였다. 이는 산티아고 라몬 이 카할이 주장한 뉴런설, 즉 뉴런이 화학적 시냅스를 통해 신호를 전달한다는 이론과 대립했다. 1906년 노벨 생리학·의학상은 이 두 과학자에게 공동 수여되었는데, 골지는 망상설을, 카할은 뉴런설을 옹호했다. 골지는 신경계의 그물 모델에 대한 증거를 제시했고, 카할은 골지의 주장을 반박했다. 그러나 현대에는 화학적 시냅스와 전기적 시냅스가 모두 존재하며 생리학적으로 중요하다는 것이 밝혀졌다. 노벨 위원회의 공동 수상 결정은 선견지명이 있었다고 평가받는다.[26]

20세기 초, 신경 세포 간 정보 전달이 화학적인지 전기적인지에 대한 논쟁이 있었으나, 오토 뢰비가 신경 세포와 심장 근육 간의 화학적 소통을 증명하면서 화학적 시냅스 전달이 유일한 해답으로 여겨졌다. 그러나 1950년대 후반 가재의 도피 반응 관련 거대 신경 세포에서 전기적 시냅스가 처음 증명되었고,[23] 이후 척추동물에서도 발견되면서[9] 전기적 소통의 중요성이 재조명되었다.

5. 2. 전기적 시냅스의 발견

세포들이 직접 그물 모양으로 연결되어 있다는 모델은 20세기 초 신경계 구조에 대한 초기 가설 중 하나였다. 이 망상설은 현재 널리 받아들여지고 있는 ''신경 세포설''과 어긋나는 것으로 생각되었다. 신경 세포설은 뉴런 각각의 세포가 시냅스 간극을 통해 화학적으로 신호를 전달한다는 모델이다. 이 두 모델은 1906년 노벨 생리학·의학상 수상식에서 두 명의 과학자에게 상이 돌아가면서 극명하게 대조를 이루게 된다. 카밀로 골지는 망상설을 주장하였고, 산티아고 라몬 이 카할은 현대 신경과학의 아버지라 불리며 신경 세포설의 거장이었다. 골지는 신경계의 망상 모델에 대한 증거를 설명하면서 노벨상 강연을 하였다. 그리고 카할은 강연대를 지켜보면서 그의 강연에서 골지의 결과를 반박했다. 하지만, 화학적 시냅스와 전기적 시냅스가 동시에 존재한다는 현대적인 이해는 두 모델 모두 생리학적으로 매우 의미가 있다는 것을 나타낸다. 노벨 위원회에서 상을 공동 수여한 것은 뛰어난 선견지명을 가졌다고 할 수 있다. 20세기 초 10년간 뉴런 간 정보 전달이 화학적인지 전기적인지에 대한 엄청난 토론이 있었다가 오토 뢰비가 뉴런과 심장 간의 화학적 신호전달을 증명함으로써 화학적 시냅스가 유일한 해답이라고 생각하게 되었다. 따라서 전기적 신호전달의 발견은 엄청난 충격이었다. 전기적 시냅스는 1950년대 후반 가재의 도피 반응과 관련된 거대 뉴런에서 처음으로 증명되었고,[23] 이후 척추동물에서도 발견되었다.[9]

6. 분포

전기 시냅스는 동물과 인간의 신체 여러 영역에서 발견된다. 전기 시냅스의 단순함은 빠르지만, 양방향 결합은 네트워크 수준에서 매우 복잡한 행동을 만들어 낼 수 있다.[15]

6. 1. 중추신경계

전기 시냅스는 중추신경계 전체에 존재하며, 특히 신피질, 해마, 시상 망상 핵, 청반, 하올리브 핵, 삼차 신경 중뇌 핵, 후각 망울, 망막, 척수에서 구체적으로 연구되었다.[20] 선조체, 소뇌, 시교차 상핵에서도 ''생체 내'' 기능적 갭 연결부가 발견되었다.[21][22]

6. 2. 기타

전기적 시냅스는 단순하여 빠르지만, 화학적 시냅스에 비해 단순한 효과를 낸다.[24] 화학적 전달자를 인식하는 수용체가 필요 없어, 신호 전달은 화학적 시냅스보다 훨씬 빠르다. 전기적 시냅스의 전달 속도는 보통 2m/s인 반면, 화학적 시냅스는 0.2m/s이다. 그러나 포유류에서는 이러한 속도 차이가 냉혈동물만큼 크지 않다.[28]

반응은 항상 원래 신호와 같은 부호를 가진다. 예를 들어 시냅스 전 뉴런의 탈분극은 항상 시냅스 후 뉴런의 탈분극을 유도하며, 과분극도 마찬가지이다. 전기적 시냅스는 신호를 합칠 수 없어 유도된 반응은 항상 원래 반응보다 작다. 또한 반응은 세포의 상대적 크기에 영향을 받는데, 작은 시냅스 전 뉴런은 큰 시냅스 후 뉴런에 큰 영향을 주지 못한다. 반면 화학적 시냅스에서는 뉴런의 상대적 크기가 중요하지 않다.

전기적 시냅스는 장기간 변화를 일으키는 기작이 별로 없다.

이러한 속도 덕분에 많은 뉴런들이 동시에 활동전위를 발화할 수 있다.[24] 빠른 전달 속도 때문에, 전기적 시냅스는 군소가 위험에 처했을 때 잉크를 뿌려 적의 시야를 흐리게 하는 것과 같은 탈출 기작이나 빠른 반응이 필요한 과정에서 발견된다.[24]

일반적으로 이온은 양방향으로 이동할 수 있지만,[25] 어떤 시냅스는 전위에 민감한 채널을 가지고 있어 탈분극 시에 열리고 한 방향으로의 흐름을 차단한다.[24] 일부 채널은 칼슘이나 수소 이온 농도가 증가하면 닫혀, 한 뉴런의 손상이 다른 뉴런으로 전달되지 않게 한다.[24]

또한 일부 전기적 시냅스는 활동의 결과로 연결이 강해지거나 약해지는 시냅스 가소성을 지닌다는 증거도 있다.

전기적 시냅스는 망막이나 척추동물의 대뇌피질에 많으며, 중추신경계 전반, 특히 신피질, 해마, 시상 망상핵, 청반, 하올리브핵, 삼차신경 중뇌핵, 후각망울, 척수 등에서 연구되었다.[20]

참조

[1] 서적 Principles of Neural Science McGraw-Hill
[2] 논문 Electrical synapses: a dynamic signaling system that shapes the activity of neuronal networks 2004-03
[3] 서적 Neuroscience Sinauer Associates 2004
[4] 논문 PHYSIOLOGY OF ELECTROTONIC JUNCTIONS* https://nyaspubs.onl[...] 1966
[5] 논문 ELECTRICAL SYNAPSES IN THE MAMMALIAN BRAIN https://www.annualre[...] 2004-07-21
[6] 논문 Electrical Coupling and Neuronal Synchronization in the Mammalian Brain https://linkinghub.e[...] 2004
[7] 논문 Experimentally determined chaotic phase synchronization in a neuronal system https://pnas.org/doi[...] 1998-12-22
[8] 논문 Is there chaos in the brain? II. Experimental evidence and related models https://comptes-rend[...] 2003-09-01
[9] 서적 Neuroscience Sinauer Associates
[10] 서적 Neuroscience Oxford University Press
[11] 논문 Functional properties of electrical synapses between inhibitory interneurons of neocortical layer 4 2005-01
[12] 논문 Electrical coupling and neuronal synchronization in the Mammalian brain 2004-02
[13] 서적
[14] 서적
[15] 논문 Complexity and irreducibility of dynamics on networks of networks https://pubs.aip.org[...] 2018-10-01
[16] 웹사이트 Dr. John O'Brien || Faculty Biography || The Department of Ophthalmology and Visual Science at the University of Texas Medical School at Houston https://med.uth.edu/[...]
[17] 서적
[18] 논문 Intracellular magnesium-dependent modulation of gap junction channels formed by neuronal connexin36 2013-03
[19] 논문 Activity-dependent long-term depression of electrical synapses
[20] 뉴스 Electrical synapses in the mammalian brain, Connors & Long, "Annu Rev Neurosci" 2004;27:393-418
[21] 논문 The role of gap junction channels during physiologic and pathologic conditions of the human central nervous system 2012-09-01
[22] 논문 Gap junction-mediated electrical transmission: regulatory mechanisms and plasticity 2013-01-01
[23] 논문 Specialized junctions involved in electrical transmission between neurons https://nyaspubs.onl[...] 1966
[24] 문서 Kandal, et al., Chapter 10
[25] 문서 Hormuzdi et al. 2004
[26] 서적 Neuroscience Sinauer Associates
[27] 문서 Gibson et al., 2004
[28] 문서 Bennet and Zukin, 2004
[29] 간행물 "Ó Nualláin , Seán and Tom Doris (2004)“Computing with waves; neurons as resonators” Biomedical Computation at Stanford"
[30] 간행물 "Ó Nualláin , Seán and Tom Doris (2010)“ What is neural resonance for? Chaos and complexity letters 4(2)"



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