[디자인&뇌파] 뇌파의 발생

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뉴런(Neuron)

전기 신호를 통해 정보를 전달하는 세포로, 사람의 뇌에 약 850억 개가 존재한다.

 

역할: 정보전달, 뇌 구조 안정화, 영양 공급, 신호전달 환경 조성 등

구조: 세포체(soma), 하나 이상의 축삭(axon), 시냅스(synapse) 등으로 구성

*축삭: 전기 신호를 전달하는 긴 구조

*시냅스: 다른 뉴런과 연결시키며, 흥분성과 억제성 작용을 통해 뉴런에 정보전달함.

- 시냅스 전달은 신경전달물질(도파민, 에피네프린, 아세틸콜린 등)을 방출 유발하며 전압 변화를 발생시킬 수 있다.

- 시냅스 활동으로 시냅스 전위(미세한 전기장 생성)를 발생시킬 수 있으며, 보통 수십 초에서 수백초 동안 지속된다.

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시냅스 후 전위(Postsynapse Potential, PSP)

시냅스 후 뉴런의 세포막에 발생하는 전압 변화로 신호를 전달하거나 미전달하는 것을 결정한다.

• 흥분성 시냅스 후 전위(EPSP)
  • 흥분성 신경전달물질이 시냅스에서 방출→양이온 유입 증가 →세포막 전위가 양의 방향으로 변화→탈분극상태→액션포텐셜 가능성 증가→임계값도달→액션포텐셜 발생→다음 신호(뉴런)로 전달
• 억제성 시냅스 후 전위(IPSP)
  • 억제성 시냅스 후 전위(IPSP): 억제성 신경전달물질이 시냅스에 방출→음이온 유입증가 or 양이온이 나감→세포막의 전위가 음의 방향으로 변화→과분극상태→액션포텐셜 가능성 감소

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• 시냅스 누적효과
  • 지속시간이 수십에서 수백 밀리초 발생
  • 여러 시냅스 후 전위(EPSP와 IPSP)가 동시에 발생할 경우→서로 누적된 뉴런의 최종 반응 결정→EPSP가 많을 경우 액션포텐셜을 발생시킬 가능성이 높음.

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Action Potential의 발생

뉴런이 신호를 전달한 뒤, 임계값이 넘었을 때 발생하는 전기적 충격.

 

[Action Potential 과정]

1. 자극 발생: 뉴런 자극
2. 탈분극: 뉴런 자극→전압 개폐성 나트륨채널 열림→나트륨이온(Na+)이 뉴런 내부로 들어옴→전위가 양의 방향이동
3. 재분극: 나트륨 닫힘→전압 개폐성 칼륨채널 열림 →칼륨이온(K+)이 뉴런 밖으로 나감→전위가 음의 방향으로 돌아감
4. 과분극: 칼륨 채널의 닫히는 속도가 느림→전위가 안정상태보다 낮음→이후 나트륨-칼륨 펌프를 통해 정상적인 안정 상태로 돌아감
5. 안정상태 복귀: 뉴런의 안정 전위(-70mV)로 복귀하여 다음 신호 전달 준비함

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EEG로 측정가능한 뇌파

Action Potential이 많이 발생하면, EEG로 측정 가능!

• A: 1개 뉴런이 Action potential이 일어나면 주변 뉴런을 자극함
• B: 주변 뉴런도 Action potential이 일어나면 또 다른 뉴런을 자극
• C: Action potential이 일어난 영역을 EEG로 측정 가능

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안정적인 EEG 측정의 원인인 피라미드 세포 배치!

• EEG로 측정 가능한 피라미드 뉴런 세포체들은 피질 표면에 수직으로 배치되어 있다.
• 따라서 세포체는 회백질 쪽, 수상돌기는 표면쪽으로 향해있다.
• 이런 배치 덕분에, 안정적인 방향성을 가진 전기장을 발생시켜 EEG로 잘 측정이 된다.

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References

1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK390346/
2. https://imotions.com/blog/learning/best-practice/5-basics-eeg-data-processing/
3. Electroencephalography: Current Biology (cell.com)
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Axon 
5. https://www.khanacademy.org/science/biology/human-biology/neuron-nervous-system/a/overview-of-neuron-structure-and-function 
6. https://go.imotions.com/eeg-guide
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